Nghiên cứu thiết kế mạch chuyển đổi năng lượng mặt trời

Đồ án NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MẠCH CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜINGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MẠCH CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜINGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MẠCH CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜINGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MẠCH CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜINGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MẠCH CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜINGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MẠCH CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HĨA ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT NGÀNH: CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ KĨ THUẬT ĐIỀU KHIỂN HỌC PHẦN: ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MẠCH CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI HÀ NỘI, 12/2022 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI .1 1.1 Giới thiệu lượng mặt trời 1.2 Sự phát triển ứng dụng lượng mặt trời 1.3 Cấu hình hệ thống điện mặt trời 1.3.1 Hệ thống độc lập/ lưới điện .2 1.3.2 Hệ thống điện mặt trời nối với lưới điện 1.3.3 Hệ thống nối với lưới điện dự phòng 1.3.4 Hệ thống bổ sung lưới điện 1.4 Các phận hệ thống điện mặt trời 1.4.1 Panel mặt trời .7 1.4.2 Acquy 1.4.3 Bộ điều khiển 1.4.4 Bộ biến tần 1.4.5 Trang thiết bị điện .9 1.5 Cách kết nối phận với 1.5.1 Hệ thống điện mặt trời độc lập 1.6 Hệ thống nối với điện lưới sử dụng bô biến tần trung tâm 10 1.6.1 Hệ thống nối với lưới sử dụng nhiều vi biến tần 11 1.7 Ứng dụng lượng điện mặt trời .11 CHƯƠNG TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ MẠCH LỰC .14 2.1 Các linh kiện có mạch 14 2.1.1 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) .14 Cấu trúc ký hiệu 14 2.1.3 Nguyên lý làm việc .14 2.1.4 Vùng làm việc an toàn (Safe Operating Area) .15 2.2 DC DC tăng áp .15 2.2.1 Cấu tạo sơ đồ nguyên lý .15 2.2.2 Nguyên lý hoạt động 16 2.3 Nghịch lưu độc lập nguồn áp pha 16 2.3.1 Sơ đồ nguyên lý 16 2.3.2 Nguyên lý làm việc .17 2.3.3 Dạng sóng dòng điện, điện áp mạch 17 2.3.4.Cơng thức tính tốn 18 2.4 Tính tốn chọn linh kiện 19 2.4.1 Cuộn cảm L 19 2.4.2 Tụ lọc C 19 2.4.3 Diode 19 2.4.4 Tính tốn chọn IGBT 19 CHƯƠNG MÔ PHỎNG, KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 20 3.1 Mô ứng dụng psim 20 3.2 Kết mô 21 KẾT LUẬN 23 TÀI LIỆU THAM KHẢO 24 DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ Hình 1 Hệ thống độc lập/ lưới điện Hình Hệ thống điện mặt trời nối với lưới điện .3 Hình Hệ thống nối với lưới điện dựu phòng Hình Mắc nối tiếp panel mặt trời Hình Mắc song song panel mặt trời Hình 1.6 Sơ đồ hệ thống điện mặt trời độc lập 10 Hình 1.7 Hệ thống điện mặt trời hịa lưới 10 Hình 1.8 Robot hỏa chạy lượng mặt trời 11 Hình 1.9 Balo chạy lượng mặt trời 12 Hình 1.10 Tịa nhà chạy pin lượng mặt trời .12 Hình 1.11 Nhà máy điện mặt trời 13 Hình 2.1 IGBT .14 Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý mạch boost 15 Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu nguồn áp pha 16 Hình 2.4 Dạng sóng dùng điện, điện áp mạch nghịch lưu áp pha 17 Hình 3.1 Mạch chuyển đổi lượng mặt trời 20 Hình 3.2 Điện áp chiều 21 Hình 3.3 Đầu điện áp tải sin 220V 22 LỜI NÓI ĐẦU Ngày với việc phát triển mạnh mẽ ứng dụng khoa học kỹ thuật công nghiệp, đặc biệt cơng nghiệp điện tử thiết bị điện tử có cơng suất lớn chế tạo ngày nhiều Và đặc biệt ứng dụng vào ngành kinh tế quốc dân đời sống hàng ngày phát triển mạnh mẽ Tuy nhiên để đáp ứng nhu cầu ngày nhiều phức tạp cơng nghiệp ngành điện tử công suất phải nghiên cứu để tìm giải pháp tối ưu Đặc biệt với chủ trương cơng nghiệp hố - đại hố Nhà nước, nhà máy, xí nghiệp cần phải thay đổi, nâng cao để đưa công nghệ tự động điều khiển vào sản xuất Do địi hỏi phải có thiết bị phương pháp điều khiển an tồn, xác Đó nhiệm vụ ngành điện tử công suất cần phải giải Xuất phát từ yêu cầu thực tế nội dung môn học đồ án điện tử công suất chúng em giao thực đề tài: “Tìm hiểu thiết kế mạch chuyển đổi lượng mặt trời.” với hướng dẫn thầy giáo em nghiên cứu thiết kế đề tài Trong trình thực đề tài khả kiến thức thực tế hạn chế nên tránh khỏi sai sót kính mong thầy bạn đóng góp ý kiến để đề tài em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1.1 Giới thiệu lượng mặt trời Trong thái dương hệ mặt trời có nguồn lượng lớn Nó khối vật chất khổng lồ với hoạt động hạt nhân xảy liên tục Mặt trời cung cấp trực tiếp hoạt gián tiếp, cho loài người dạng sống trái đất Mặt trời định khí hậu thời tiết khơng có mặt trời trái đất vùng đất chết đóng băng vĩnh cửu Điện lượng măt trời ý tưởng tuyệt vời Lấy lượng từ mặt trời chuyển thành điện năngcung cấp cho trang thiết bị mong ước chúng ta, khơng cịn hóa đơn tiền điện, khơng cịn phụ thuộc vào cơng ty điện lực bạn cónguồn lượngtái tạo, xanh bảo vệ môi trường Tạo lượng mặt trời nhờ vào ánh sáng mặt trời chiếu vào panel pin mặt trời tạo nguồn điện chiều DC qua biến tần chỉnh thành nguồn điện xoay chiều AC cung cấp cho thiết bị điện Panel mặt trời tạo điện hiệu ứng quang điện lớp bán dẫn, lớp thiếu electron Khi electron bị photon kích thích lám cho chúng chuyển từ lớp bán dẫn sang bán dẫn kia, nên tạo điện tích Các panel thường Si cắt thành mỏng xếp kết hợp vừa song song nối tiếp Nối tiếp tăng hiệu suất pin, mắc song song tăng áp cung cấp cho phụ tải Nguồn lượng mặt trời ngày thường ứng dụng ích giá thành cao Nên ứng ụng nơi chưa có điện lưới kéo tới cung cấp cho vài phịng, hay ứng dụng làm bình nước nóng, thiết bị bán hang tự động 1.2 Sự phát triển ứng dụng lượng mặt trời Sự phát triển nhanh công nghệ liên tục cải tiến nhà thiết kế nên giá có giảm liên tục từ đầu năm 2009 tạo nên tiến rõ rệt lĩnh vực công nghệ lượng Trước năm 2007 việc ứng dụng nguồn lượng mặt trời điều coi không thực tế Ngày có tính khả thi cao Thậm chí cịn hiệu kinh tế công nghệ Các pin panel ngày nhỏ gọn đa dạng định mức cơng suất, chi phí ngày thấp Đối nhiều ứng dụng, lượng mặt trời dang trở thành phương cách cung cấp điện có hiệu kinh tế cao nhiều phương pháp khác Với tiến độ phát triển nghành công nghệ điện dự đốn đến năm 2020 lượng mặt trời thành nguồn điện rẽ nhất, rẽ lượng sản xuất nhà máy: nhiệt năng, thủy Chúng ta chứng kiến lượng mặt trời tích hợp vào vật dụng, máy móc ngày Nănglượng mặt trởi thiết bị cấp điện dễ sử dụng, thải cacbon thấp.Năng lượng cung cấp nơi như: sa mạc, vùng sâu vùng xa Dần thay nguồn điện khác trở thành nguồn cung cấp điện tương lại 1.3 Cấu hình hệ thống điện mặt trời 1.3.1 Hệ thống độc lập/ lưới điện Trạm điện mặt trời độc lập kiểu hệ thống điện mặt trời thơng dụng phạm vi tồn cầu Mục đích cung cấp điện cho nơi chưa có lưới điện kéo tới hay khơng có nguồn lượng khác Hệ thống điện độc lập thường nhỏ, công suất đỉnh không 1kw Hệ thống điện độc lập muốn có kế hoạch hệ thống điện lớn quan trọng người thiết kế cần có kiến thức kinh nghiệm thiết kế nguồn lượng mặt trời, nên cần bắt đầu với thiết kế nhỏ đơn giản Sơ đồ ngun lý: Hình 1.1 Hệ thống độc lập/ ngồi lưới điện Nguyên lý hoạt động: Từ giàn pin mặt trời (solar cells), ánh sáng biến đổi thành điện năng, tạo dòng điện chiều (DC Power) Dòng điện dẫn tới điều khiển (charge controller) thiết bị có chức có chức tự động điều hòa dòng điện từ pin mặt trời dòng điện nạp cho acquy (Battery) chế độ tối ưu Khi acquy (Battery) đầy điều khiển (charge controller) ngưng sạc hoạt sạc chế độ trì Khi acquy (Battery) cạn tự động vào chế độ nạp lại Thông qua đổi điện DC/AC (Inverter) tạo dòng điện xoay chiều chuẩn 220V/50Hz để chạy thiết bị gia đình đèn chiếu sáng, quạt, tivi, máy tính, tủ lạnh, máy bơm Ưu điểm: Hệ thống đơn giản, dễ thiết kề thường dùng khu vực chưa có lưới điện nơi thường xuyên bị cắt điện liên tục Nhược điểm: Hệ thống khơng có lưới điện điện áp dự phòng nên phụ thuộc nhiều vào cường độ chiếu sáng mặt trời hệ thống điện mặt trời khác Hệ thống phải cung cấp điện công suất phụ tải mà cung cấp để có điện dự trữ xài vào ban đêm mà dãy pannel tạo điện (chỉ tạo điện ánh trăng trịn) Mà yếu tố định photon ánh nắng mặt trời, photon tăng cường độ chiếu sáng tăng Để khắc phục phụ thuộc ta cần tính tốn kỹ lưỡng thiết kế lượng mặt trời hệ thống Như địa điểm lắp đặt dãy pannel mặt trời, hướng dãy pannel, điểu chỉnh góc đặt dãy pannel, dự đốn tránh bóng che Cơng suất dãy pannel cung cấp phải lớn công suất phụ tải hệ thống, để cịn điện dư đưa vào bình acquy để có điện sử dụng vào ban đêm 1.3.2 Hệ thống điện mặt trời nối với lưới điện Hệ thống thường thông dụng châu Âu Hoa Kỳ, lợi ích rõ rệt giảm chi phí lắp đặt có thêm thu nhập nhờ bán điện lại cho công ty điện lực Hệ thống điện thường hoạt động khu có hệ thống lưới điện ổn định Đặc biệt có hiệu nơi có khí hậu nóng, nhiều ánh nắng, nơi nhu cầu điện cao điểm trùng với nắng nóng Mơ hình ngun lý hoạt động: Hình 1.2 Hệ thống điện mặt trời nối với lưới điện Mô tả hoạt động: chuyển mạch SW vị trí OB Khi khơng có mặt trời: (Buổi tối bị mây che) Các Solar panel không sản sinh điện nên phụ tải sử dụng điện từ lưới cách bình thường Lúc số của W0 sẽ thể số tiêu thụ điện phụ tải mà bạn sử dụng.(W2): W2 = W0 Khi trời có nắng: Các solar panel có địên lúc GTSIA biến đổi điện DC từ solar panel thành điện AC có tần số, pha điện áp trùng với điện lưới Điện từ mặt trời hòa với điện lưới qua số của  đồng hồW1 Như chí số mua điện từ lưới (W0) hiệu mức tiêu thụ phụ tải (W2) với điện hệ thống điện mặt trời tạo (W1).  W0 = W2 - W1 Trong trường hợp công suất phụ tải nhỏ công suất điện mặt trời đưa  W2 0, kênh dẫn với hạt mang điện điện tử hình thành, giống cấu trúc MOSFET.Các điện tử di chuyển phía collector vượt qua lớp tiếp giáp n-p cấu trúc base collector transistor thường, tạo nên dịng collector Hình 2.1 IGBT a) Cấu trúc IGBT b) Sơ đồ tương đương IGBT 2.1.3 Nguyên lý làm việc - Phân cực cho IGBT UCE >0,sau vào cực G điện áp điều khiển Uge>0 với giá trị đủ lớn Khi hình thành kênh dẫn với hạt điện từ giống MOSFET hạt điện tử di chuyển phía cực C, vượt qua lớp tiếp giáp PN tạo nên dòng Colector - Thời gian đóng cắt IGBT nhanh transistor thường , trể mở khoảng 0,15ms, trễ khóa khoảng 1ms Cơng suất điều khiển IGBT nhỏ thường mở dạng điện áp điều khiển +-15V Để mở thường cấp tín hiệu +15V,khóa cấp tín hiệu -15V 14