Hệ Thống Bơm Nước Cấp Nguồn Từ Pin Mặt Trời.pdf

S K L 0 0 2 1 5 4 4 BIA SAU A4 pdf (p 120)

Tôi là Mai Thế Cường học viên lớp Kỹ thuật điện khóa 2015 — 2017 sau quá trình học tập và nghiên cứu tại trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Tôi quyết định lựa chọn đề tài: “Hệ thống bơm nước cấp nguồn từ pin mặt trời”

Tôi cam đoan bản luận văn này thực hiện với chính bản thân tôi dưới sự hướng dẫn của thầy PGS.TS Phan Quốc Dũng và thầy Th.S Tô Hữu Phúc

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai

công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hỗ Chí Minh, Ngày 20 tháng 09 năm 2017

( ký tên và ghi rõ họ tên)

il

Tôi xin cảm ơn tập thể Khoa Điện Công nghiệp, ban lãnh đạo nhà trường Trường Cao đăng Điện lực Thành phố Hồ Chí Minh đã đồng hành, giúp đỡ, tạo điệu kiện tốt nhất trong việc học tập nghiên cứu nâng cao trình độ

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô giáo Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh đã truyền đạt, cũng cố và định hướng trong quá trình

học tập tại trường Giúp tôi có khả năng tìm tòi, tư duy và tự nghiên cứu phục vụ cho công việc hiện tại và trong tương lai sắp tỚI

Tôi xin trân trọng gửi lời cảm ơn đến thầy Phan Quốc Dũng và thầy Tô Hữu Phúc đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, giành thời gian chỉ dẫn, chỉnh sửa và truyền đạt kiến thức, truyền đạt kinh nghiệm và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để tôi hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp này

Tôi xin cảm ơn gia đình, những người luôn động viên, an ủi tôi những lúc khó khăn nhất và chia sẻ niềm vui nhỏ khi đạt được trên những chặng đường từ lúc mới thi đầu vào, kỳ thi chuẩn anh văn đầu ra, bảo vệ luận văn cuối khóa luôn hết mực theo dõi và ủng hộ tinh thần Chính đó là sự khích lệ và là động lực thôi thúc cho tôi luôn phân đầu hết mình và phát huy hết khả năng của mình

Tôi xin cảm ơn những người bạn của tôi, những người anh em lớp KDDISB luôn chung sức chung lòng phấn đấu vì tinh thần chung của lớp, dìu đắt nhau đến con đường của tri thức, con đường của sự thành công và tiếp tục giữ liên lạc tạo cầu

nối hỗ trợ, chia sẻ nhau tiếp bước

Tp Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2017

111

Nước và năng lượng là những động lực chủ chốt của sản xuất nông nghiệp trong khi thế giới đang phải đối mặt với khủng hoảng về năng lượng và nước Ngoài ra, ô nhiễm môi trường trên thế giới cũng tăng lên do sử dụng các phương pháp tạo ra năng lượng thông thường Những lý do này khuyến khích các nhà nghiên cứu tìm ra nguồn năng lượng thay thế, năng lượng tái tạo được ưu tiên hàng đầu Trong đó năng lượng mặt trời được coi là năng lượng tái tạo và thân thiện với môi trường Ứng dụng phô biến là hệ thống pin quang điện được sử dụng để cấp nguồn cho bom nước đáp ứng nhu cầu sinh hoạt và tưới tiêu

Trong tình hình chung trên thế giới và Việt Nam, nhu cầu năng lượng sạch năng lượng mặt trời cũng đã được quan tâm, nghiên cứu và đưa ra rất nhiều sản phẩm trong lĩnh vực năng lượng tái tạo Đề tài "Hệ thống bơm nước cấp nguồn từ pin mặt trời" sẽ cho cái nhìn tông quan nhất về tình hình ứng dụng năng lượng sạch vào việc dùng cho bơm nước Điểm nỗi bật được đưa ra giải quyết ở cấu hình sử dụng đó là hệ thống độc lập của pin mặt trời, năng lượng từ pin không sử dụng bình acquy để lưu trữ hạn chế việc ô nhiễm môi trường do việc chế tạo và tái chế của nó gây ra; ở đây hệ thông đáp ứng gần như trực tiếp nhu cầu sử dụng hoặc dùng bồn chứa đề tích trữ nước cũng xem như tích trữ năng lượng nước ở dạng thế năng cho hệ thống

Qua đó, từ bài toán cụ thể về nhu cầu nước hàng ngày, nhu cầu cụ thể về độ cao thực tế cần thiết để bơm nước lên bồn lưu trữ ta có thê tính toán được công suất bơm cần sử dụng, công suất pin cần dùng để cấp nguồn cho toàn hệ thống Ứng dụng các công trình nghiên cứu khác, ta chọn lựa được cầu hình mạch điện tử công suất để đưa ra năng lượng cấp vào động cơ bơm nước là tốt nhất

Luận văn có đề cập đến việc tính toán hệ thống, lựa chọn toàn bộ cấu hình sao

cho mạch đơn giản mà sử dụng hiệu quả Việc xét chọn lựa cấu hình cho bơm cũng là một sự cân nhắc đến việc phổ biến của các bơm thông dụng trên thị trường, giá

thành rẻ và đê bảo trì sửa chữa

1V

Water and energy are the key drivers of agricultural production while the world is facing an energy and water crisis In addition, environmental pollution in the world has also increased due to the use of conventional energy generation methods These reasons encourage researchers to find alternative energy, renewable and sustainable energy sources Solar energy is considered renewable and environmentally friendly One of the most common applications is the photovoltaic battery system used to power the water pump to meet the needs of daily life and irrigation

The general situation in the world and in Vietnam, the demand for clean energy has also been paid attention, researched and launched many products in the field of renewable energy The topic of "Water pump system powered by solar cells" will give an overview of clean energy applications in water pump applications The highlight of configuration solution is the stand-alone system of solar cells, power without using batteries to store which would limit environmental pollution caused by manufacturing and recycling them; this system almostresponds directly to the using demand or use tank to storage water as well as storage energy in the form of potential energy for the system

Thereby, from the specific problem of daily water demand, the specific actual height needed to pump water into the storage tank we can calculate the required pump capacity, power capacity to supply for the entire system Applying other research projects, we choose the configuration of the power electronics to deliver the most appropriate power to supply for the water pump motor

The thesis refers to the calculation of the system, selecting the entire configuration that aim to create the as simple but high efficientlycircuit as possible The selection of the pump configuration is also a consideration the popularity of common pumps on the market, low cost and easy maintenance.

œ9 se

LY LICH IKKHOA HỌC 5° ° <6 %< 9 99999 99 Sư 969592559 6955 40 i 9/090 9.6:97090757 7 ii

LOT CAM ON Wiesecsscocscescsscsesesecsseccscescssosssesecessosesesessasarosecscsosscecescaseserscsacaracesensacareres ili

1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu ¿- s- + s+x*£E++kerx+xecxs+kervza 1

1.2 Mục đích của dé tai c.ceccccesceccsesssscessssesessssssescsssssscssseseesssesssessecssssavseseseseens 5 1.3 Giới hạn của để tài - s5 cành HH ng 111111 11g kg tren gưệt 5 1.4 NOi dung dé tai eee ccecceccesscecsecsceveecevevsesevsessvavsessecsvssecaessessaesteasansesaseess 6 Chương 2 TÍNH TOÁN CHỌN CÔNG SUÁT BOM VA CONG SUAT PIN \ 0n; — 8 2.1 Mở đầu - - «SE 1113111 8111111151110 1511111811101 1 T811 ck Tre 8

2.2 Trình tự tính toán - SE EE23E83E88 85 0E 1 3E Em 8 2.2.1 Chon céng sudt DOM cceecccssesessssesscsesssseceessescsesevsesevscsscstsassncsesscaveneaans 9 2.2.2 Chọn công suất pin quang điện . ¿+ 2 2 2+cz+E££E2£EztEztxzcxzrxrei 12 2.3.3 Kiểm tra công suất bơm và công suất pin quang điện - - 16

2.3 KSt Wan oo ec ccc eseccesscsesecscssecsssavsusevsecarsesavsrcarsncaveeseavsavaencanseversavansevarenans 21 Chương 3 BỘ BIẾN ĐỎI DC-DC VÀ GIAI THUAT DIEU KHIEN CONG 0-0010 :7100107 22 3.1 Mở đầu 5 -Ss s3 T923 1113111111105 1510171 111Erxckerkrei 22 3.2 Bộ biến đối DC — DC 2 - +5 +E E28 EEEEE11EEEEEEE5132E521115112 A1311 22 3.2.1 Khảo sát bộ biến đối DC — DC . 2-5-5 SE 2E EEEEEE<EEcErrkrkei 22

3.2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động mạch Boost - <5 se vsexze+ 23

3.2.3 Tính toán bộ biến đổi Boost 2 + - 52x EEExEkeEkreerererrerree 26 Vi

SEN NG oi 0i 28

3.3.2 Thuật toán bám điểm công suất cực đại P&O điều khiến trực tiếp D 29

3.4 Mô phỏng bộ biến đổi Boost kèm giải thuật MPPT 5-5 czs¿ 33 3.4.1 Mô phỏng hệ thống pin quang điện và bộ biến đôi Boost 33 3.4.2 Mô phỏng hệ thống pin quang điện và bộ biến đổi Boost có sử dụng thuật /9050/151ð6 03 36

3.5 Kết luận - 2-22 2 22t 2 1 22111217121112111111111211.1111111111111.1 1c 41

Chuong 4 BO NGHICH LUU DC-AC VA LU'A CHON MACH INVERTER 42

Ý s04 (000)0090/ 1001 42 4.2.1 Tổng a0 0 42

4.3 Động cơ không đồng bộ một pha và bơm ly tâm - 2-72 s+s+s sẻ 45 4.3.1 Động cơ không đồng bộ một pha - - 2-6 5E 3 E£EEEzEevsevred 45 4.3.2 Bom Ly (Âm - - G0010 09010 1113 00911 1 00 00 581 teh 52 4.4 Các phương pháp điều khiỂn - - + SE ve rxei 34 4.3.1 Lựa chọn phương pháp điều khiỂn 2 - SE 8E #E£xeEs xe: 54

4.3.2 Phương pháp điều khiển V/ << sex +E£Esvx+EeExvkeevxvrreersrered 57 4.3.3 Phương pháp điều rộng xung SPWM 5 ch vxvrrkreereered s9 4.3.4 Cách thức điều khiển động CƠ - + 5-5 k£E SE 5 EEeEekrereered 60

4.5 Mô phỏng và lựa chọn cấu hình inV€T€T + 2s sex Exei 60

4.5.1 Mô phỏng hệ thống ở tần số 50Hz - 2 2 2 +EE+EE2S2+x2EzErred 63

4.5.2 Kết quả mô phỏng tại tần số 35 Hz - - 2s + E+k£EekeEvzsreei 69 “>¬ 0N ôm 73

Chương 5 MÔ PHÓNG CẤU HÌNH TOÀN HỆ THÔNG - 75

6.2 Các nội dung chưa thực hiện Ởược 5 S111 9 1111 9 155152 5⁄2 90 6.3 Hướng phát †riỂn - - - << SE E399 E9 rưtgeryet 91 TÀI LIỆU THAM KHÁO - - «SE EExxEE ke kg ve ree re ve 91

Vill

PV DC AC PMBL MPPT FOC DSP P&O SPWM

Hiệu ứng quang điện

Một chiều

Xoay chiều

Động cơ không có chổi than

Thuật toán tìm công suất cực đại

Permanent magnet brushless Maximum Power Point Tracking Field Oriented Control

Digital Signal Processing Perturbation and Observation

Sinusoidal Pulse With Modulation

HÌNH TRANG

Hình 1.1 Các cấu hình hệ thống bơm nước sử dụng năng lượng mặt trời 2 Hình 1.2 Cấu hình hệ thông nghiÊH Cử 5S S* St EkEEEEE1 4111211111111 1120 5 Hinh 2.1 May bom Super Win model SP- Ï IÚ( co 11 Hinh 2.2 So do tuong duong ctia pin Quang GieNeoeceecccccecccescscssscssscsssssssessssssssseeseens 12 Hinh 2.3 M6 hinh pin quang dién trong Matlab 20160 cccccceccccesseceessessssssesssees 13 Hình 2.4 Tam pin quang dién NA42117 ci BoSCHiesesccssessssssssssesssscssssssessessecssesess 14 Hình 2.5 Thông số pin quang điện lấy ra từ Matlab/Simulink 5-55: 15

Hình 2.6 Đặc fu;yẾn Ï — Ứ 2-6 t tk SE t v ETEEEE1 1 1x 111711311 15 Hình 2.7 Đặc tuyến P.— YV 25 s22 SE21211211112122121111212111121117112211111 1121 ce 15

Hình 2.8 Cường độ chiếu sảng mặt trời các tháng trong nắm 5-5555 17 Hình 2.9 Đồ /bj cường độ chiếu sảng tại các thời điểm trong ngày (tháng 1) 18 Hình 2.10 1 lượng nước theo giờ hàng HĐỐ}ÿ chi eerei 19 Hình 2.11 7z lượng nước hệ thông cung cấp được trong 12 tháng (m/ngày) 20 Hình 2.1 Thông số cấu hình sau tính toán chọn công suẤtt -scccscsccsrecee: 20 Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý mạch BO0OSIL - ST EEEET E111 E1 5111111111111ece 23

Hình 3.2 Dạng đong điện qua cuộn cảm và điện áp trên tải -< «+: 24

Hình 3.3 Mach twong đương khi Q1 dẫn và diode D khóa 5c scs+sszscet 24 Hình 3.4 Mạch tương đương khi Q1 khóa và điode Ù khÓa -««<<+s<<s 25 Hình 3.5 Đặc tính làm việc của pin khi cường độ bức xạ thay đổi ở cùng một mức /7/7128./2 0 1n070Ẽ05788e 28 Hinh 3.6 Dac tinh lam viéc I -V cua pin khi nhiệt độ thay đổi ở Cùng mỘt mức cường độ ĐỨC XG Ác n TH HH HH HH KH Ho KH cv 28 Hình 3.7 Pin mặt trời và thuật toán P&O điều khiển trực tiếp chu kỳ nhiệm vụ D 29 Hinh 3.8 Dac tinh lam viéc của pin mặt trời và của ải sec + sesxsss 30 Hình 3.9 Ä⁄ô /¿ thuật toán PO điều khiển trực tiếp chu kỳ nhiệm vụ D 31

Hình 3.13 Điện áp đầu vào bộ biến đổi DC/DC khi không dùng giải thuật MPPT.34

Hình 3.14 Điện áp đầu ra bộ biển đổi DC/DC khi không dùng giải thuật MPPT 35

Hình 3.15 Công suất hệ thông khi không có giải thuật MPPT -cccsccecssd 35 Hình 3.16 Mô hình mô phỏng mạch DC/DC có giải giải thuật MPPT 37

Hình 3.17 Mô hình mô phỏng thuật toan MPPT dung gidi thuật P&O 37

Hình 3.18 Điện áp đầu vào bộ biển đổi Boost mạch có giải thudt MPPT 38

Hinh 3.19 Dién ap đâu ra bộ biến đổi Boost mach có giải thuật MPPT 38

Hình 3.20 Công suất phát ra pin mặt trời khi dùng MPPT 5c Scccecscrerei 39 Hình 3.21 77 số chu kỳ D do thuật toán P&O tình toán 5S ccccecscerered 40 Hình 4.1 Cấu hình inverter 4 khóÓa 5< 5 ctcExErE2E112121111 121 keo 42 Hình 4.2 Cấu hình inverter 6 khÓd - - 5S Sk St E111 11511111111 111111111 ce 43 Hình 4.3 Đồ ¿hj dòng chạy qua cuộn dây S4fOF - 5s StEE‡EkEEESEerkrkerrrerreeo 45 Hình 4.4 7? trường tương ứng khi chiêu dòng điện thay đổi -c©c<cs 45 Hình 4.5 Động cơ dùng dây quấn phưụ - 56k SE kEEEEEEEEEEEEE112111 11 Le 46 Hinh 4.6 DOng CO dUNG th GiGN eeccccccccsscccesssssccessscsssssscsccsessaseccesaeescessnsesessneseees 47 Hình 4.7 Động cơ có vòng ngắn MACH C CUC til.ieccccececcecccesssessessssessscssessssesessesees 48 Hình 4.8 Ä⁄6 hinh tương đương động cơ KĐB một pha ở chế độ xác lập 49

Hình 4.9 Ä⁄ô hình trơng đương động cơ KĐB một pha gắn đúng - 49

Hình 4.10 Cấu /go bơm ly fÂH St t1 S451 111111811111111 1111111111116 1eexe, 51 Hiinh SE 0nnnn 52

Hình 4.12 Bơm frực 'Ðđ1E 0 HH nh 52 Hinh 4.13 Dac tinh bom ly taimeicecccccccccccccccccsscccccesnecesseseececessseeeescsssseeecseneeseeseneseess 53 Hinh 4.14 Anh huong cua viéc thay đổi độ cao H lên đặc tính T-w của hệ thống 55

Hình 4.15 Phần công suất bị mất khi giới hạn dưới tân số cscccc<cscsẻ 56 Hình 4.16 Mô hình động cơ một pha trong Matlab/SimAHÌÏÌHĂ «<< «<< 60 Hinh 4.17 Thong số cài đặt của đỘHg CƠ - 5-52 ScE Sky, 60

Xi

Hinh 4.20 Dong dién đầu vào inverter 4 khóa tại tan 56 50H2Z c.ccccccccccscsssssesesesees 63

Hình 4.21 Dỏng điện đầu vào inverter 6 khóa tại tân số Š0H sccccccc: 64

Hình 4.22 Điện áp vào động cơ cấu hình inverter 6 khóa tại tân số 50Hz 64

Hình 4.23 Điện áp vào động cơ cấu hình inverter 6 khóa tại tân số 50Hz 65

Hình 4.24 7ốc độ động cơ của cẩu hình inverter 4 khóa tại tân số 50Hz 66

Hình 4.25 7ốc độ động cơ của cấu hình inverter 6 khóa tại tân số 50H: 66

Hinh 4.26 Dong dién cuén chính và cuộn phụ của cau hinh inverter 4 khéa tai tan SO SOT eeseesesesssssssecsnesesncesnssesneeesasessusecsesessasscnusecseseesascesnssesneessuscssesesseecsneeesneesness 67 Hình 4.27 Dong điện cuộn chính và cuộn phụ của cau hinh inverter 6 khéa tai tan VU SMA Ả 67

Hình 4.2§ Dong điện đầu vào inverter 4 khóa tại tân số 3.5H -cccccsce: ó8 Hình 4.29 Dong dién đầu vào inverter 6 khỏa tại tân số 35H5 se ttssse: 69 Hình 4.30 7ốc độ động cơ của cẩu hình inverter 4 khóa tại tân số 35Hz 70

Hình 4.31 7ốc độ động cơ của cấu hình inverter 6 khóa tại tân số 35H“ 70

Hình 4.32 Doỏng điện cuộn chính và cuộn phụ của cau hinh inverter 4 khéa tai tan SO BSL cseecessescsssssecssssesssecssnsessnecsscesuseesnssesnsessnecessesesuusessneesuseesuncesaneesansenneeensnteeseses 71 Hình 4.33 Dong dién cuén chinh va cu6n phu cua cấu hình inverter 6 khóa tại tan 7/.: 71

Hình 5.1 Cấu hình toàn hệ thông bơm nước dùng pin mặt trời -c«c 74 Hinh 5.2 M6 hinh m6 phong todn hé thong cccccccccssssscssssssrssscvsvssctsterssvsvsestsssaees 76 Hinh 5.3 Dién ap dau ra pin quang điện mạch xét cố định nhiệt độ môi truong 76

Hình 5.4 77 sé chu ky D b6 MPPT mach xét cô định nhiệt độ môi [rưỜng 77

Hình 5.5 Điện áp sau khi qua bộ DC/DC mạch xéi cô định nhiệt độ môi truong 77

Hinh 5.6 Dién ap đầu ra bộ DC⁄AC mạch xét cô định nhiệt độ môi trường tại

cường độ nắng 700WW/fm? - + Se sE E415 11511112151 111E11 1111111111111 78

Hình 5.7 Điện áp đầu ra bộ DC/AC mạch xét cô định nhiệt độ môi trường tại cường độ năng 5(00f/ñm” - - ¿St SkkEkỀES3EEEEKEE v11 11111 17111111111111 1111 1x0 78

XI

Hình 5.9 Dỏng điện cuộn chính và cuộn phụ mạch xét cố định nhiệt độ môi trưởng tại cường độ năng 700 WW/fmẺ - <1 E2 TEEETxT1 11x11 11110 reo 79

Hình Š.10 ông điện cuộn chính và cuộn phụ mạch xéí cố định nhiệt độ môi trưởng

tại cường độ năng 500WW/?mẺ St EE Ly ETEEEE2EEE E1 11111111111 TkTE gia 80

Hinh 5.11 ông điện cuộn chính và cuộn phu mach xét cố định nhiệt độ môi trưởng

IRG)x/1-gz128,1:,158/1/0/0)///,¡ 0850 Triaa 80 Hình 5.12 7ốc độ động cơ mạch xét cô định nhiệt độ môi ÍYƯỞNG c« se 81

Hình 5.13 Cong suất hệ thống mạch xét cô định nhiệt độ môi ÍYƯỜNG 82

Hình 5.14 Điện áp đầu ra pin quang điện mạch xét cô định cường độ chiếu nắng 83 Hình 5.15 77 số chu kỳ D bộ MPPT mạch xét cố định cường độ chiếu nắng 83 Hinh 5.16 Dién ap sau khi qua b6 DC/DC mach xeét cô định cường độ chiếu năng 84

Hình 5.17 Điện áp đầu ra bộ DC/⁄AC mạch xét cố định cường độ chiếu nang KH va 84

Hình 5.18 Dóng điện cuộn chính và cuộn phụ mạch xét cố định cường độ chiếu

Hình 5.19 Dỏng điện cuộn chính và cuộn phụ mạch xéií cố định cường độ chiéu

Hình 5.20 Dỏng điện cuộn chính và cuộn phụ mạch xéí cố định cường độ chiếu

Hình 5.21 7ốc độ động cơ mạch xét cố định cường độ chiếu năng ¬ 87 Hình 5.22 Công suất hệ thông mạch xét cô định cường độ chiếu nắng 88

xiii

BANG TRANG

Bảng 2.1 Thông số pin quang điện NA42117 của BOSCHosccceccessscssssssssssvsssssessssseseess 14 Bang 2.2 Cường độ chiếu sáng mặt trời các tháng trong năm (WZm?) 16 Bang 2.3 Cuong d6 chiéu sdng Matt roi the0 GiGe.cececceccecssssscssescssescssessessessseeseseeess 17 Bang 2.4 Công suất mặt trời ứng với các cường độ chiếu sáng theo giờ 18 Bang 2.5 Tính toán các giá trị H, Q ứng với điều kiện chiếu sáng theo giờ 19 Bảng 2.6 Lưu lượng nước theo từng (HÁNG co càng ven 20

XIV

Chuong 1 TONG QUAN

1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu

Đề sống và tồn tại, con người cần rất nhiều năng lượng Việc tìm ra và sử dụng các nguồn năng lượng bèn vững, hiệu quả là điểm mấu chốt cho sự phát triển và thịnh vượng của mỗi quốc gia Các nguồn năng lượng truyền thống như nhiên liệu hóa thạch và thủy điện đang dần cạn kiệt và thê hiện tác động tiêu cực với môi trường và xã hội Chính vì vậy, các nước phát triển và đang phát triển đang chuyên đổi mạnh mẽ sang năng lượng tái tạo

Năng lượng mặt trời được coli là năng lượng tái tạo thân thiện với môi trường Việc sử dụng ánh sáng mặt trời chuyên hóa thành năng lượng được kế đến là công nghệ pin quang điện (PV-Photovoltaic) Hiện tại các hệ thống pin quang điện đang được phát triển mạnh và được ứng dụng nhiều trên thế giới Nguyên do là công nghệ bán dẫn hiện ngày càng cải tiếncho phép hạ giá thành sản xuất các bộ pin quang điện xuống rất nhiều so với thập niên trước Sự kết hợp của năng lượng mặt trời và máy bơm nước có thể đóng một vai trò quan trọng vì nước là yếu tố chủ chốt cho sản xuất nông nghiệp và hệ thống bơm nước giá phải chăng có tầm quan trọng rất lớn Các hệ thống phát điện quang điện này trong quá trình sử dụng không có khí thải, không gây ô nhiễm môi trường xung quanh Quan trọng, năng lượng từ ánh mặt trời thân thiện với

môi trường là năng lượng xanh, vô tận và miễn phí

Tình hình sử dụng năng lượng trên thế giới đạt nhiều tiến bộ trong suốt 15 năm qua, tỷ lệ tăng trưởng hàng năm năng lượng mặt trời là trên 40% [1], nhắn mạnh sự trưởng thành của các khoản đầu tư thực hiện, đảm bảo độ tin cậy của công nghệ được sử dụng Cùng một lúc, chính sách khuyến khích và các biện pháp hỗ trợ được thực hiện trong một số các nước, đặc biệt là bên trong Liên minh Châu Âu đề ra mục tiêu tăng năng lượng mặt trời từ 6% lên đến 12% [2] Trong bối cảnh này, sự kết hợp của quang điện hệ thống trong các ứng dụng bơm nước được cho là một trong những sử dụng phố biến nhất của khai thác năng lượng mặt trời [3-6] Cụ thế ở Bắc Mỹ, Úc và

Châu Âu việc sử dụng PV-bơm phục vụ cho hệ thống nông nghiệp lớn; còn tại các nước đang phát triển đa số phục vụ nhu cầu sinh hoạt như bơm nước lên tầng cao và phục vụ tưới tiêu, hệ thông nước uống cho gia súc [7-10]

Việt Nam là nước có tiềm năng lớn về năng lượng mặt trời với công suất bức xạ trung bình của mặt trời khoảng 5kWh/m2?/ngày ở miền Nam và miền Trung, và khoảng 4kWh/m?/ngày ở miền Bắc [11] Việc tận dụng năng lượng mặt trời làm nguồn năng lượng thay thế hết sức thuận lợi Trong đó, tận dụng năng lượng mặt trời vào ứng dụng

bơm nước đang được phát triển Tuy nhiên, chi phí đầu tư cả hệ thông bơm nước dùng

pin mặt trời vẫn còn cao và sự phụ thuộc vào điều kiện thời tiết là những bắt lợi Lựa chọn kích cỡ tối ưu trở nên cần thiết cho việc sử dụng hiệu quả và thiết kế kinh tế của hệ thống điện nhằm tối đa hoá tính khả thi của lắp đặt PV Nên ta cần khảo sát đưa ra công suất bơm, công suất pin mặt trời cung cấp theo nhu cầu sử dụng cho từng trường hợp cụ thể Các cấu hình hệ thống tiêu biêu của bơm nước dùng pin năng lượng mặt

trời được thê hiện ở hình 1.1

Battery

“Non | = Inverter

Tracking AC

` Motor DC-DC

Volumetric pump

Separately

Hình 1.1 cho ta thấy hệ thống bơm nước dùng pin quang điện thường bao gồm: (1) Bộ pin quang điện, (2) Bộ điều khiển năng lượng (3) Động cơ và bơm (4) Do công suất ra của pin thay đôi theo cường độ chiếu nắng (insolation) và đặc tính dòng-áp của pin là phi tuyến, để hệ thống bơm hoạt động hiệu quả thì trong giải thuật điều khiển của bộ điều khiến cần có [13 — 18]: (1) thuật toán tìm công suất cực đại (MPPT - Maximum Power Point Tracking), (2) điều khiến tốc độ của bơm sao cho công suất ra của bơm tương ứng với công suất nhận được từ bộ pin quang điện

Nhiều ứng dụng của hệ thống pin quang điện, nhất là với các hệ thống ở các vùng xa, thường cần sử đụng ăcquy (thông dụng là loại acid- chì) để trữ năng lượng nhận được từ bộ pin quang điện Ưu điêm của việc sử dụng šăcquy là bơm có thể hoạt động bất cứ lúc nào khi cần thiết Nhờ đó, trong đêm và vào những lúc cường độ chiếu sáng thấp, hệ thống vẫn có thể cung cấp nước khi cần thiết Mà giá thành cao và tuổi thọ thấp (thường khoảng 3-5 năm so với tuổi thọ của pin quang điện là 20 năm) của bộ ăcquy, vẫn là một trở ngại cho sự phát triển của các ứng dung của pin quang điện Ngoài ra, đo sử dụng acid và chì trong cấu trúc, ăcquy cũng là một tác nhân gây hại

nhiều đến môi trường khi hết tuổi thọ và bị loại thải

Sử dụng bơm nước dùng pin quang điện khi có ánh năng, năng lượng mặt trời có thể được trữ lại bằng cách cho bơm hoạt động đưa nước vào bồn chứa để sử dụng khi có nhu cầu (phục vụ sinh hoạt, tưới tiêu, v.v ) Do đó, hệ thống không cần sử dụng ăcquy để lưu trữ năng lượng như nhiều ứng dụng với pin mặt trời khác, giúp giảm nhiều giá thành của hệ thống Ưu điểm của hệ thống này là chi phí đầu tư ban đầu thấp hơn, thời gian hoàn vốn nhanh Hệ thống không sử dụng ăcquy nên không cần bảo trì sau thời gian sử dụng Ngoài ra ta cũng có thê kết hợp dễ dàng với điện lưới hoặc máy phat dién diesel dé bom vao ban đêm nếu cần Hệ thống này được thiết kế để chỉ bơm nước trong ngày Lượng nước bơm là hoàn toàn phụ thuộc vào lượng ánh sáng mặt trời, tâm PV và loại máy bơm Bởi vì cường độ của ảnh năng mặt trời và góc mà nó tác động lên tắm pin PV thay đổi trong suốt cả ngày, lượng nước bơm của hệ thống cũng thay đối trong suốt cả ngày Ví dụ, trong thời kỳ năng tối máy bơm hoạt động ở hoặc gần hiệu quả 100 phần trăm với lưu lượng nước tối đa

Các hệ thống bơm nước với pin mặt trời thường sử dụng động cơ một chiều (DC- Direct Current) điện áp thấp nối trực tiếp đến bộ pin quang điện, hoặc sử dụng thêm

một bộ biến đổi DC-DC giữa động cơ và bộ pin đê tối đa hoá công suất nhận được từ

bộ pin [19] Tuy nhiên, động cơ DC thường có hiệu suất thấp và cần bảo trì thường xuyên do có chổi than và cô góp, điều này là trở ngại cho những ứng dụng ở vùng xa do thiếu người có tay nghề để thực hiện việc này Cũng có hệ thống sử dụng động cơ DC không có chỗi than (Permanent magnet brushless DC - PMBLDC) [20], nhưng giá thành cao của loại động cơ này là một rào cản cho việc Ứng dụng chúng Ngoài ra, động cơ loại này cũng không dễ tìm trên thị trường hiện nay Do đó, việc thay thế động co DC bằng động cơ xoay chiều không đồng bộ trong các hệ thống bơm nước dùng pin quang điện hiện được quan tâm trong nhiều nghiên cứu [13 — 18], do động cơ loại này có nhiều ưu điểm hơn so với động cơ DC như rẻ tiền, bền, ít cần bảo dưỡng và sẵn có trên thị trường.Khi sử dụng động cơ không đồng bộ, tốc độ của bơm thường được điều khiến thông qua việc thay đổi tần số và điện áp cung cấp cho động cơ, và giải thuật điều khiến tần số — điện áp này có thể theo kiểu vô hướng (scalar) như trong [13-15], [17] hoặc kiểu vector định hướng từ trường (FOC — Eield Oriented Control) như trong [18]

Qua các vấn đề được ta phân tích như trên cho thấy hướng nghiên cứu hệ thống bơm nước sử dụng pin quang điện không ăcquy với động cơ xoay chiều thay cho động cơ một chiều đang được quan tâm vì có khả năng ứng dụng thiết thực, rộng rãi và thân thiện mô trường Mặt khác, các bộ pin quang điện cũng đã được sản xuất hoặc nhập khâu khá rộng rãi trên thị trường Việt nam và giá thành ngày càng rẻ hơn Bơm nước

dùng động cơ không đồng bộ khi sử dụng có phần thuận lợi, đặc biệt khi dùng bơm

nước với nhu cầu lưu lượng nước cần bơm ít hay độ cao bơm không đòi hỏi cao thì lựa chọn động cơ không đồng bộ một pha sẽ dễ dàng hơn cho người sử dụng Mục tiêu này khi đạt được sẽ có khả năng ứng dụng cao, nhất là cho những vùng xa hoặc các đồn điền, trang trại ở Việt nam Hệ thống là sự kết hợp lý tưởng của nhu cầu nước tưới và nguồn năng lượng mặt trời vô tận miễn phí, giữ gìn môi trường, tiết kiệm năng

lượng và giảm tối đa chỉ phí

Sau đây là cầu hình đề xuất nghiên cứu của đề tài hình 1.2

Hệ thống gồm các phân chính: bộ pin quang điện, bộ điều khiển năng lượng và động cơ không đồng bộ một pha bơm nước Trong đó bộ điều khiển năng lượng bao gồm hai mạch DC/DC Converter (MPPT) chức năng chính là chuyến đổi điện áp DC có sử dụng giải thuật MPPT để bắt điểm công suất cực đại khi cường độ chiếu nắng thay đổi hay nhiệt độ thay đổi nhằm đưa ra công suất cực đại của pin quang điện và DC/AC inverter chức năng chuyến đổi điện áp một chiều đầu ra bộ DC/DCthành điện áp xoay chiều cấp vào động cơ bơm

1.2 Mục đích của đề tài

Xây dựng được trình tự tính toán công suất bơm và công suất pin mặt trời

Chọn lựa được bộ biến đổi DC/DC kèm giải thuật bắt điểm công suất cực đại MPPT có mô phông kiểm chứng

Chọn lựa được câu hình sử dụng trong bộ DC/AC và phương pháp điều khiển có

mô phỏng kiểm chứng

Sử dụng mô hình mô phỏng động cơ không đồng bộ một pha kết hợp với pin quang điện, bộ biến đối DC/DC bộ DC/AC ta tổng hợp đưa ra câu hình chuẩn hệ thống và thực hiện mô phỏng lay ra thong số, rồi rút ra nhận xét và kết luận cho toàn hệ thống

1.3 Giới hạn của đề tài

Đề tài nghiên cứu được giới hạn trong phạm vi thiết kế và thi công mạch công suất 1.5HP - 1100W Hệ thống bơm cấp nguồn từ pin mặt trời ở đây sử dụng động cơ

không đồng bộ một pha dùng bơm ly tâm được lựa chọn sao cho dé tim kiém trén thị

trường

Sau khi tìm hiểu mô hình đặc tuyến pin quang điện, tìm hiểu bộ điều khiển năng

lượng và động cơ không đồng bộ một pha sẽ tiễn hành mô phỏng kiểm chứng chọn lựa

cầu hình phù hợp Nhận xét và kết luận kết quả đạt được từ phần mềm mô phỏng

Matlab/Simulink 1.4 Nội dung đề tài

Nội dung đề tài tiếp theo phần tông quan ta tiếp tục thực hiện các chương sau: Chương 2: Tính toán công suất bơm và công suất pin mặt trời

Lập trình tự tính toán và chọn công suất bơm và công suất pin mặt trời thông qua nhu cầu thực tế về lưu lượng và độ cao bơm nước hàng ngày cần dùng Chọn sơ bộ công suất bơm công suất pin từ việc tính toán Kiểm tra lại đáp ứng công suất theo

cường độ chiếu sáng tại vị trí địa lý lắp đặt hệ thống

Chương 3: Bộ biến đổi DC/DC và giải thuật điều khiển công suất cực đại

Ta tìm hiểu bộ biến đôi DC/DC đề chuyển đổi điện áp đầu ra của pin phù hợp với điện áp đầu vào của phụ tải Qua đó lựa chọn được cấu hình của bộ biến đổi DC/DC

Trong phần xây dựng bộ DC/DC chúng ta sẽ đề cập đến giải thuật điều khiển công suất cực đại có nghĩa là phương pháp thu được công suất cực đại khi cường độ chiếu năng thay đổi hay nhiệt độ thay đôi làm điểm làm việc cực đại của tắm pin thay đổi theo Để minh chứng cho việc bắt điểm công suất cực đại ta sử dụng Matlab/simulink mô phỏng hệ thống từ pin mặt trời có sử dụng giải thuật MPPT tính hiệu suất làm việc của pin quang điện

Chương 4: Bộ nghịch lưu DC/AC và lựa chọn mạch 1nverter

Tìm hiểu mạch biến đổi DC/AC để điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ một

pha Tìm hiểu sơ bộ về động cơ không đồng bộ một pha, bơm ly tâm, các phương pháp điều khiển động cơ

Sau khi có được điện áp ngõ ra là một chiều từ bộ DC/DC ta chọn câu hình inverter đề lây ra điện áp sin chuân 220V xoay chiêu đưa vào tải bơm nước O phan

này ta sẽ có thể so sánh lựa chọn phần cứng giữa các cấu hình mach có thể lắp, sử dụng mô phỏng để so sánh và lựa chọn cầu hình cần áp dụng cho cả hệ thông

Chương 5: Mô phóng cấu hình toàn hệ thông

Chọn lựa cấu hình cho toàn hệ thống, sử dụng Matlab/simulink lay ra cac thong số ngõ vào, thông số ngõ ra Đưa ra các nhận xét mô phỏng, rút ra kết luận về cấu hình

lắp đặt

2.2 Trình tự tính toán

Giả thiết đặt ra trong hệ thông chúng ta có mạch chuyên đổi DC/DC và DC/AC

là hoàn hảo Vì năng lượng chuyển đổi từ pin quang điện cho ra đến phụ tải hiệu suất cao, đạt được trên 90% công suất đầu vào Nên tính toán câu hình bơm nước là công suất pin quang điện ta tạm thời bỏ qua tốn hao của mạch chuyên đổi

Bước 1: Chọn công suất bơm - Xác định thông số ngõ vảo

+ Lưu lượng cần đáp ứng của hệ thống - Q (m/ngày) +_ Độ cao của bơm - H (m)

- Xác định thông số ngõ ra

+ Lưu lượng và độ cao bơm thực tế cần đạt theo tốc độ quay của bơm

+ Công suất bơm cần sử dụng

Bước 2: Chọn công suất pin quang điện - Khảo sát pin quang điện

- Từ công suất bơm lựa chọn số lượng pin và mô phỏng đặc tuyến

Bước 3: Kiểm tra tính toán công suất pin mặt trời theo cường độ chiếu nắng - G

(W/m?) tai vi tri dia ly lắp đặt hệ thống xem co dap ung được nhu cầu sử dụng hay không (lưu lượng nước, độ cao bơm được)

Đề tài khảo sát cho toàn bộ hệ thông là nhu cầu nước tối thiêu cần cung cấp cho khu dân cư mỗi ngày là Q¡= 30 (m?/ngay), d6 cao bom nước yêu cầu là H;= 12 (m) 2.2.1 Chọn công suất bơm

+ Xác định thông số ngõ vào

- Ta sẽ thiết kế hệ thông bơm nước cho một khu trang trại ngoại thành Khi đó nước sẽ tập trung chủ yếu nhằm phục vụ nhu cầu sinh hoạt của con người, đồng thời có thể phục vụ cho chăn nuôi, tưới tiêu nông nghiệp Nước sẽ được lẫy từ dòng sông gần đó hay từ những giếng khoan được

-_ Nhu cầu nước tối thiểu cần cung cấp cho khu dân cư đó mỗi ngày là Q (m/ngày), độ cao bơm nước yêu câu từ đáy lên đến bề chứa là H (m)

+ Xác định thông số ngõ ra

Ta có công thức công suất của bơm [13]

7] Trong do:

P„: Cơ năng cung cấp cho bơm [W]

ø: Tỉ trọng chất lỏng [kg/mỶ] g : Gia tốc trọng trường [m/s?]

H : Chiều cao cột áp [m]

Q : Lưu lượng bơm [m5]

?: Hiệu suất bơm

Cột áp làm việc là tổng của độ chênh cao trình bên đây và bên hút và cột áp tôn

thất qua dẫn truyền trong đường Ống tính bằng mét

Công suất thường dùng [102 W, kW] hoặc mã lực [HP=kW*0.746]

Hiệu suất cả hệ thống = hiệu suất bơm x hiệu suất động cơ điện

-_ Môi quan hệ giữa công suât, moment với tôc độ quay của máy bơm

( — „2P = (k øP).e = k.aẺ (2.2)

- Môi quan hệ giữa công suât, độ cao, lưu lượng với tôc độ quay của máy bơm

tỉ lệ với tần số Vì vậy lúc thiết kế ta phải tính toán công suất hệ thống với H và Q lớn

hơn so với mong muốn Giả sử, ta muốn chọn khoảng điều khiến tần số f từ f¡ Hz đến f Hz với tần số quay định mức của động cơ tại ›Hz: ƒHz <ƒ <ƒ;Hz

Khi đó, ta tính toán lại các giá trị độ cao và lưu lượng mới:

+ Tính toán sơ bộ công suất bơm

Nhu cầu nước tối thiêu cần cung cấp cho khu dân cư đó mỗi ngày là Q;= 30 (m3/ngày), độ cao bơm nước yêu cầu từ đáy lên đến bê chứa là H;= 12 (m)

Hang ngày chúng ta biết mặt trời chỉ phát năng lượng tại nơi ở chúng ta theo khung giờ trong ngày, trung bình bức xạ mặt trời mạnh vào những khung giờ từ sau 9h-15h (khoảng 6 tiếng) Chính trong khoảng thời gian này hệ thống bơm nước sẽ hoạt động với công suất lớn nhất, đủ để làm quay động cơ bơm nước và đây nước lên bễ chứa Vì vậy, lưu lượng nước cung câp theo môi giờ là:

30 32a 3.37.4

Q =— = 5m? /gio = 1,3889.10°-°m? /giay

Chọn khoảng điều khiển tần số f từ fi= 35Hz đến f= 50Hz véi tan sé quay dinh

mức của động cơ tại f› = 50Hz 35Hz<ƒ <S50Hz

Khi đó, ta tính toán lại các giá trị độ cao và lưu lượng Tới: 50

Vậy ta chọn động cơ bơm nước có công suất 1.5 HP (1100W)

Ta có thể tham khảo loại bơm này:

Máy bơm giếng Tân Hoàn Cầu Super Win (1.5HP)

Hinh 2.1 May bom Super Win model SP-1100

Thông số kỹ thuật:

- Model Super Win SP-1100 - Cot ap: 25m

-_ Nguồn cấp: 220 V -_ Tốc độ quay: 1400 vòng/phút

2.2.2 Chọn công suất pin quang điện 2.2.1.1 Khảo sát pin quang điện

Trong quá trình tính toán công suất pin quang điện, ta cần tìm hiểu về mô hình tương đương của tế bào quang điện Phân tích những yếu tố ảnh hưởng đến điện áp, dòng điện đâu ra của module pin quang điện

Rp : Điện trở song song đặc trưng cho dòng rò của tế bào quang điện

A : Hệ số chất lượng của Diode

Cy 1a A lA ” : re ART

V, : Ngưỡng điện áp nhiệt của Diode, với V, = —=* k : Hằng số Boltzmann

q : Điện tích electron

n, : Số cell nỗi tiếp của tắm pin

Ts.„ : Nhiệt độ tại điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn STC

Biêu thức (2.9) cho ta quan hệ giữa dòng điện và điện áp ngõ ra của tế bào quang điện

Cường độ chiếu sáng và nhiệt độ là hai yếu tố ảnh hưởng trực tiếp lên hiệu suất của tâm pin quang điện Trong đó: Cường độ chiếu sáng ảnh hưởng nhiều đến dòng quang điện theo công thức:

của pin quang điện (NOCT), khi đó:

T = Tamp + “SE” G (2.12)

Trong do:

T„„„„ : Nhiệt độ môi trường

Txwocr : Nhiệt độ tâm pin tại điều kiện NOCT

Tại điều kiện NOCT, cường độ chiếu sáng Œyocrx = 0,8 kW /m? và nhiệt độ môi trong Tampwocr = 20°C

Sử dụng Simulink/Matlab 2016a có hỗ trợ mô phỏng mô hình pin quang điện, ta chỉ cần khai báo hai thông số đó là cường độ chiếu sáng G và nhiệt độ tâm pin T

PV Array

Hinh 2.3 Mo hinh pin quang dién trong Matlab 2016a

Ngoài khai báo 2 thông số đầu vào là cường độ chiếu sáng và nhiệt độ pin quang điện, mô hình pin quang điện này còn cho phép ta chọn loại pin quang điện của nhà sản xuất nào, số lượng pin quang điện, mắc nối tiếp hay song song

2.2.1.2 Chọn công suất sơ bộ pin mat troi

Sau khi tính toán được công suất bơm cần dùng là 1100W ta chọn công suất pin quang điện là 1250W Dùng matlab/simulink đề lẫy đặc tuyến pin xem điểm làm việc cao nhất của pin có đáp ứng được công suất bơm lúc tần số đạt định mức hay không Trong trường hợp không đạt ta sẽ tính chọn lại công suất pin quang điện

Giả sử như mô hình sau đây chon module pin Bosch Solar Energy c-Si M60 NA42117 250W hình 2.4, số lượng pin quang điện là 5 tấm được mắc nối tiếp với nhau được đo đạt tại công suât cực đại về độ chiêu năng và nhiệt độ đặt vào pin

Quality ~ Reliability - Performance

Bosch Solar Module c-Si M 60 NA42117

Hình 2.4 Tấm pin quang điện NA42117 của Bosch

Các thông số kĩ thuật của tam Pin này được cho như bảng sau: Bảng 2.1 7hông số pin quang điện NA42117 của Bosch [24]

Display [-V and P-V characteristics of |array © 1000 W/m2 & specified temperatures T_cell (deg C) [ 85.75 ]

Temperature coefficient of Voc (%/deq.C)

Short-circuit current Isc (A)

femperature coefficent of Isc (%/deg.C)

Diode saturation currant [0 (A) ¿

Diode ideality factor Shunt resistance Rsh (ohms) Series resistance Rs (ohms)

Sau đây ta xây dựng mô hình mô phỏng trong Matlab dé tim dic tuyén I-V va đặc tuyến P-V khi ta ghép nối với nhau đề lẫy năng lượng đưa vào hệ thông Đặc tuyến của 5 tâm pin quang điện mắc nối tiếp ở nhiệt độ 25°C và cường độ chiếu nắng

200 ⁄ 0 : , 0

Hình 2.6 Đặc tuyên I— Wƒ Hình 2.7 Đặc tuyên P— V Công suất pin quang điện đo được ở vị trí lớn nhất là 1112W 2.3.3 Kiểm tra công suất bơm và công suất pỉn quang điện

- Khao sat cuong độ chiéu nang tai khu vuc dat bom

- _ Tính toán công suất pin quang điện theo độ chiếu nắng cụ thẻ

- Tính lại tần số tương ứng lúc pin quang điện hoạt động Tính lưu lượng và độ cao bơm với tần số tương ứng

+ Khảo sát cường độ chiếu năng tại khu vực đặt bơm

Phương pháp: Từ cường độ chiếu sáng thu được, ta tính ra công suất đỉnh tương

ứng của từng giờ Như vậy, mỗi ngày ta có 24 giờ, tương ứng với 24 công suất đỉnh

khác nhau, từ đó ta tính được tổng lưu lượng một ngày mà tắm pin quang điện có thể cung cấp bằng cách cộng 24 giá trị này lại Bảng số liệu cường độ chiếu sáng 12 tháng trong năm theo từng giờ trong ngày Số liệu này được thu thập bằng cách truy cập trang web [23] của Nasa, nhập tọa độ khu vực khảo sát

Bang 2.2 Cường độ chiếu sáng mặt trời cdc thang trong nam (W/m?)

Tháng

5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

7 100 110 130 170 | 170 160 130 120 130 140 140 120 8 227.5 240 262.5 | 290 | 280 260 237.5 | 227.5 240 | 245 255 | 232.5 9 482.5 500 | 527.5 | 530 | 500 | 460 | 452.5 | 442.5 | 460 | 455 | 485 | 457.5

10 610 630 660 | 650 | 610 | 560 560 550 570 | 560 | 600 570

11 650 685 720 | 695 | 625 | 580 580 570 3580 | 560 | 605 595 12 690 740 780 740 | 640 600 600 590 590 560 610 620 13 690 740 780 | 740 | 640 | 600 600 590 390 | 560 | 610 620 14 592.5 | 642.5 | 677.5 | 635 | 540 | 507.5 510 500 | 497.5 | 470 | 507.5 | 522.5 15 397.5 | 447.5 | 472.5 | 425 | 340 | 322.5 | 330 320 | 312.5 | 290 | 302.5 | 327.5 16 300 350 370 | 320 | 240 | 230 240 230 220 | 200 | 200 230 17 150 175 185 160 | 120 115 120 115 110 100 100 115 18 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

21 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 22 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Mgờ MO m1 M2 83 B4 NH5 86 7 NG NO 10 11 mi2 5613 M14 S15 S16 @17 NM1S M19 M2O M21 M22 623 900

800 70 oS

Hình 2.8 Cường độ chiếu sảng mặt trời các tháng trong năm

Giả thiết: nhiệt độ trung bình cá ngày, cả năm là 30°C Ta tính toán cho một ngày điển hình của tháng 1 Sử dụng mô hình Matlab, ta tính được công suất tương ứng thu được của tắm pin quang điện Ta có bảng số liệu cường độ chiếu sáng sau đây:

Bảng 2.3 Cường độ chiếu sáng Mặt trời theo giờ

600 500

—G 40

30 20 10

3+ Tính toán công suất pin theo độ chiếu nắng

Bang 2.4 Công suất mặt trời ứng với các cường độ chiếu sáng theo giờ

Ppv(W) 0 0 0 0 0 0 56.9 | 113.8 | 258.8 | 548.8 | 693.9 | 739.4 Giờ 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 G(W/m”) | 690 690 | 592.5 |397.5 | 300 150 0 0 0 0 0 0

Ppv(W) | 784.9 | 784.9 | 674 | 452.2 | 341.3 | 170.6 0 0 0 0 0 0

+ Tính lại tân số, lưu lượng, độ cao bơm của hệ thông đạt được

Từ đây, ta cần tính toán ngược lại ứng với điều kiện chiếu sáng và công suất mặt trời thu được như bảng 2.4 có đáp ứng được yêu câu đặt ra của hệ thông hay không

Điều khiện khoảng tân số điều khiển: ƒ¡ Hz<ƒ <ƒ; Hz Công thức được sử dụng: [1§]

Bang 2.5 Tinh todn cac gid trị H, Q ứng với điểu kiện chiếu sảng theo giờ

Ppv(W) 0 0 0 0 0 0 56.9 | 113.8 | 258.8 | 548.8 | 693.9 | 739.4 fe (Hz) 0 0 0 0 0 0 18.6 | 23.5 | 30.9 | 39.7 | 42.9 | 43.8 F (Hz) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 39.7 | 42.9 | 43.8 H (m) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 15.44 | 18.03 | 18.79 Q (Is) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1.575 | 1.702 | 1.738

Giờ 12 15 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 G(W/m?) 690 690 | 592.5 | 397.5 | 300 150 0 0 0 0 0 0

Ppv(W) | 784.9 | 784.9 | 674 | 452.2 | 341.3 | 170.6 0 0 0 0 0 0 fi (Hz) 44.7 | 44.7 | 42.5 37.2 33.8 | 26.9 0 0 0 0 0 0 F (Hz) 44.7 | 44.7 | 42.5 37.2 0 0 0 0 0 0 0 0 H (m) 19.57 | 19.57 | 17.69 | 13.56 0 0 0 0 0 0 0 0 Q (Is) 1.774 | 1.774 | 1.686 | 1.476 0 0 0 0 0 0 0 0

Lưu lượng nước theo giờ hàng ngày

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

Hình 2.10 Lưu lượng nước theo giờ hàng ngày

Tổng lưu lượng nước mà hệ thống có thê cung cấp được ứng với cường độ chiếu

sáng trong ngày này: Q= 42,21 mỶ/ngày

Tương tự ta tính cho các tháng khác trong năm, ta thu được bảng sau: Bảng 2.6 Lưu lượng nước theo từng tháng

Tháng 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Q (m°/ngày)

2.3 Kết luận

Công suất hệ thống được thê hiện ở hình 2.12

TT llllIIllll HAT PAIL ATT

Trong đó, công suất bơm được sử dụng là 1.5HP (1100W), công suất pin quang

điện được cần lắp là 5*250W kết nối 5 tắm pin quang điện với nhau Công suất đáp

ứng cho hệ thống có nhu cầu lưu lượng nước là Q;= 30 (m/ngày), độ cao bơm nước

Tìm hiểu giải thuật MPPT (MPPT - Maximum Power Point Tracker) là phương pháp do tim điểm làm việc có công suất tối ưu của hệ thống nguôn điện pin mặt trời qua việc điều khiến chu kỳ đóng mở khoá điện tử dùng trong bộ DC/DC Xây dựng giải thuật công suất cực đại và tiễn hành mô phỏng mạch dùng pin mặt trời qua bộ Boost không có điều khiển MPPT và mạch dùng pin mặt trời qua bộ Boost có điều khiên MPPT Qua đó so sánh các kết quả lấy ra cũng như hiệu suất mạch so với công suất lớn nhất mà pin quang điện đáp ứng tại cường độ chiếu sáng

3.2 Bộ biến đối DC —- DC

3.2.1 Khảo sát bộ biến đổi DC - DC

Bộ biến đổi DC/DC được sử dụng rộng rãi trong nguồn điện một chiều với mục đích chuyển đôi nguồn một chiêu không ôn định thành nguồn điện một chiều có thể điều khiển được Nhìn chung bộ biến đổi DC/DC thường bao gồm các phần tử cơ bản là một khoá điện tử, một cuộn cảm dé giữ năng lượng, và một diode dẫn dong

Các bộ bién d6i DC/DC thường được chia làm 2 loại có cách ly và loại không

cách ly Loại cách ly sử dụng máy biến áp cách ly về điện tần số cao kích thước nhỏ để

cách ly nguồn điện một chiều đầu vào với nguồn một chiều ra và tăng hay giảm áp

bằng cách điều chỉnh hệ số biến áp Loại này thường được sử đụng cho các nguồn cấp một chiều sử dụng khoá điện tử Phổ biến nhất vẫn là mạch dạng cầu, nửa cầu và flyback Trong nhiều thiết bị quang điện, hệ thống làm việc với lưới thường dùng loại có cách ly về điện vì nhiều lý đo an toàn Loại DC/DC không cách ly không sử dụng

máy biến áp cách ly Các loại bộ biễn đôi DC/DC thường dùng trong hệ PV gồm:

- B6o giam ap (Buck)

Hệ thống chúng ta lựa chọn ban đầu không dùng dé sac cho ăcquy, điện áp toàn bộ năng lượng từ pin mặt trời đưa ra được nâng lên mức điện áp cao đề cấp cho tải trước khi đưa vào bộ biến đổi DC/AC Ở đây tải động cơ chúng ta lựa chọn động cơ không đồng bộ 1 pha, điện áp trị hiệu dụng đầu vào là 220V ta tính được điện áp một

chiêu cấp vao Upc= V2Uac=V2x 220 =310V Nhu vay, ta thay mach DC/DC trong hé

thống ta lựa chọn phương án sử dụng mach Boost 3.2.2 Cau tạo và nguyên lý hoạt động mạch Boost

Hình 3.1 Sơ đô nguyên lý mạch Boost

Bộ Boost convcrter có tác dụng điều chỉnh điện áp đầu ra lớn hơn điện áp đầu vào Hay người ta gọi mạch boost converter là bộ tăng áp Hoạt động của bộ Boost được thực hiện qua cuộn kháng L khá lớn có vai trò như một nguồn dong Chuyén mach Q¡ đóng mở theo chu kỳ Khi Q¡ mở cho dong qua (ton) cudn khang tich nang

lượng, khi Q¡ đóng (tor) cuộn kháng giải phóng năng lượng qua điôt tới tải Năng

lượng cung cấp từ cuộn cảm và nguồn làm cho điện áp đầu ra tăng lên

Dang dòng điện 1r(£) và điện áp ra Vo(t) được mô tả như hình 3.2 sau đây:

Luan Van Thac Si

Hình 3.2 Dạng dòng điện qua cuộn cảm và điện áp trên tải

Trong khoảng thời gian T«n: van Q¡ dẫn và diode D khóa, chiều dòng điện ix(t) qua cuộn cảm và ic(t) qua tụ điện như hình 3.3

L

i, (t) + v(t) — i (t) + C

Hình 3.3 Mạch tương đương khi Q; dan va diode D khóa

Điện áp nguồn được biểu diễn:

L —p—SYYY)

Cân bằng AI, ở 2 biểu thức (3.2) và (3.7) suy ra:

—2R,AV, 2R,AV, 2ƒR,AVg (3.13)

Trong dé: f, 1a tần số đóng cắt (switching) của van đóng cắt Nhận xét:

Như vậy nguyên tắc điều khiên điện áp ra của các bộ biến đôi trên đều băng cách điều chỉnh tần số đóng mở van Qi

Đề điều khiến tần số đóng mở của van Q¡ dé hệ đạt được điểm làm việc tối ưu nhất, ta phải dùng đến thuật toán xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất (MPPT)

3.2.3 Tính toán bộ biến đối Boost

Sử dụng thông số của pin mặt trời ở bảng 2.4 Thông số pin quang điện NA42117 của Bosch có những thông số cơ bản đo như sau,

Trong mạch ta sử dụng 5 tắm pin mặt trời mắt nối tiếp nhau, lúc đó các thông số của hệ thống pin như sau:

lụpp = lMpp = 8.14 A

VMpP hi = nVMpp = 5 x 30.31 = 155.55 V Prt = nPpy = 5 x 245 = 1225 W

Các yêu cầu thiết kế là: điện áp ra tải Vo=310V, dao động đòng điện trên cuộn cảm, tần số đóng cắt f; = 50kHz Giả sử bộ biến đối là lý tưởng, suy ra:

Công suất: Pin = Po = 1225 W

Al, = 10%I, = 0.1 X 7.875 = 0.7875 A

+ Tính toán tụ lọc đầu ra

Chọn độ dao động điện áp:AVọ = 1%Vọ = 0.01 x 310 = 3.1V

Giá trị tụ lọc đầu ra tính theo biểu thức (3.13):

- Van dong cat

Chon van déng cat 1a MOSFET tan s6 cao, dong It = 7.875A nén chon MOSFET

IRF460N có thê chịu được dòng tối đa là 19A, điện áp tối đa là 500V

3.2.4 Điều khiến bộ biến đối DC/DC

Các cách thường dùng để điều khiển DC/DC là phương pháp mạch vòng điện áp hồi tiếp và phương pháp điều khiến hồi tiếp công suất Phần này ta đi tìm hiểu sơ bộ từng phương pháp

3.2.4.1 Phương pháp mạch vòng điện áp hôi tiếp

Bộ điêu khiên Ry là bộ PI Điện áp duoc tam pin mặt trời phát ra được sử dụng

như một biên đê điêu khiên cho toàn bộ mạch Cách thức điêu khiên băng cách điêu