Nghiên ứu và thiết kế hệ thống cung cấp nguồn dc cho mô hình nhà dân dụng

Hoạt động của con người tác động lên hệ thống khí hậu làm cho khí hậu biến đổi và Việt Nam được đánh giá là một trong những nước bị ảnh hưởng nghiêm trọng của biến đổi khí hậu.Chính vì v

Tổng quan chung & cơ sở lý thuyết

Khái niệm DC house

DC house là ngôi nhà có các thiết bị được cung cấp bởi nguồn điện một chiều Động lực chính của dự án DC house là cung cấp điện cho người dân ở khu vực nông thôn, đặc biệt là ở những vùng hẻo lánh và hòn đảo biệt lập sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo và máy phát điện do con người tạo ra.

Hình 1.1 Mô hình DC house tổng quát [1]

Khái niệm DC house sử dụng PV

Điện mặt trời tiếng Anh ( : Photovoltaic - PV), cũng được gọi là quang điện hay quang năng là lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật biến đổi ánh sáng mặt trời trực tiếp thành điện năng nhờ pin mặt trời

DC house sử dụng điện mặt trời (PV) là ngôi nhà sử dụng các tấm pin mặt trời có vai trò như máy phát điện ngoài ra còn có các thiết bị lưu trữ năng lượng,thiết bị điều phối năng lượng, các tải tiêu thụ…

Nguyên lý hoạt động và cấu tạo pin năng lượng mặt trời

Hình 1.2 Mô hình DC house sử dụng pin năng lƣợng mặt trời [2]

1.3 Nguyên lý hoạt động và cấu tạo pin năng lƣợng mặt trời

Pin năng lượng mặt trời hay pin mặt trời hay pin quang điện (Solar panel) bao gồm nhiều tế bào quang điện (solar cells) - làphần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các cảm biến ánh sáng là điốt quang, thực hiện biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện Sự chuyển đổi này thực hiện theo hiệu ứng quang điện

Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên vào năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel Tuy nhiên cho đến năm 1883 một pin năng lượng mới được tạo thành, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối Thiết bị chỉ có hiệu suất 1%, Russell Ohl xem là người tạo ra pin năng lượng mặt trời đầu tiên năm 1946 Sau đó Sven Ason Berglund đã có các phương pháp liên quan tới việc tăng khả năng cảm nhận ánh sáng của pin.Xét một hệ 2 mức năng lượng E1< E 2:

Khi nhận bức xạ mặt trời, lượng tử ánh sáng photon có năng lượng hv ( trong đó h là hằng số Planck, v là tần số ánh sáng) bị điện tử hấp thụ và chuyển lên mức năng lượng E2.

Hình 1.3 Hệ 2 mức năng lƣợng

Ta có phương trình cân bằng năng lượng:

Trong các vật thể rắn, do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vòng ngoài, nên các mức năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng lượng sát nhau và tạo thành các vùng năng lượng (hình 1.3) Vùng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm đầy khi ở trạng thái cân bằng gọi là vùng hóa trị, mà mặt trên của nó là mức năng lượng Ev Vùng năng lượng phía trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi là vùng dẫn, mặt dưới của vùng có năng lượng là Ec Cách ly giữa 2 vùng hóa trị và vùng dẫn là một vùng cấp có độ rộng với năng lượng là Eg, trong đó không có mức năng lượng cho phép nào của điện tử.

Hình 1.4 Các vùng năng lƣợng

Khi nhận bức xạ mặt trời, photon có năng lượng hv tới hệ thống và bị điện tử ở vùng có hóa trị thấp hấp thu và trở thành điện tử tự do e , để lại ở vùng hóa trị một - lỗ trống có thể xem như hạt mang điện dương, kí kiệu là h+ Lỗ trống này có thể di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện.

Hiệu ứng lượng tử của quá trình hấp thụ photon có thể mô tả bằng phương trình:

Ev +hv  e- + h+ (1.2) Điều kiện để điện tử có thể hấp thu năng lượng của photon và chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử lổ trống là hv = hc/- >= Ec – Ev Từ đó có thể tính được bước sóng tới hạn c của ánh sáng để có thể tạo ra cặp e và h+: -

(1.3) Trong thực tế các hạt dẫn bị kích thích e và h+ đều tự phát tham gia vào quá - trình phục hồi, chuyển động đến mặt của các vùng năng lượng: điện tử e giải phóng - năng lượng để chuyển đến mặt của vùng dẫn Ec, còn lỗ trống h+ chuyển đến mặt của Ev, quá trình phục hồi chỉ xảy ra trong khoảng thời gian rất ngắn 10-12 - -10 1giây và gây ra dao động mạnh (photon) Năng lượng bị tổn hao do quá trình phục hồi sẽ là Eph = hv – Eg

Tóm lại khi vật rắn nhận tia bức xạ mặt trời, điện tử ở vùng hóa trị hấp thụ năng lượng photon hv và chuyển lên vùng dẫn tạo ra các hạt dẫn điện tử lỗ trống - e- - h+, tức là đã tạo ra một điện thế Hiện tượng đó gọi là hiệu ứng quang điện bên trong

Hình 1.5 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

1.3.3 Cấu tạo pin năng lƣợng mặt trời

Hiện nay nguyên liệu chủ yếu cho pin mặt trời là các silic tinh thể Pin mặt trời từ , các tinh thể silic chia thành 3 loại Trong đó, loại thứ nhất được gọi là đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình Crochralski Đơn tinh thể loại này có hiệu suất lên tới 16% Chúng thường rất đắt tiền do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có mặt trống ở góc nối các module Loại thứ hai được gọi là đa tinh thể làm từ các thỏi đúc – đúc từ silic nung chảy cẩn thận được làm nguội và làm rắn Các pin này thường rẻ hơn các pin đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn Nhưng chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn loại đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó.Loại thứ ba là dãy silic tạo từ các tấm phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể Loại này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên nó rẻ nhất trong các loại vì không cần phải cắt từ thỏi silicon Một lớp tiếp xúc bán dẫn p n có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ năng - lượng mặt trời nhờ hiệu ứng quang điện bên trong gọi là pin mặt trời Pin mặt trời được sản xuất và ứng dụng phổ biến hiện nay là các pin mặt trời được chế tao từ vật liệu tinh thể bán dẫn Silicon (Si) có hóa trị 4 Tinh thể Si tinh khiết, để có vật liệu tinh thể bán dẫn Si loại n, người ta pha tạp chất donor là photpho có hóa trị 5 Còn vật liệu tinh thể bán dẫn loại p thì tạp chất acceptor được dùng để pha vào Si là Bo có hóa trị 3 Đối với Pin mặt trời từi tinh thể Si, khi bức xạ mặt trời chiếu đến thì hiệu điện thế hở mạch giữa 2 cực khoảng 0.55V và dòng ngắn mạch của nó khi bức xạ mặt trời có cường độ 1000W/m2 vào khoảng 25-30mA/cm2

Hiện nay người ta đã chế tạo Pin mặt trời bằng Si vô định hình (a Si) So với -Pin mặt trời tinh thể Si thì Pin mặt trời a Si giá thành rẻ hơn nhưng hiệu suất thấp - hơn và kém ổn định

Hình 1.7 Quá trình tạo Module

Công nghệ chế tạo Pin mặt trời gồm nhiều công đoạn khác nhau, ví dụ để chế tạo Pin mặt trời từ Si đa tinh thể cần qua các công đoạn như hình 1.7 cuối cùng ta được module.

Các công nghệ biến ánh sáng mặt trời thành điện hiện tại vẫn kém hiệu quả Các tấm pin mặt trời chưa thể hấp thụ toàn bộ năng lượng của ánh sáng mặt trời Nói chung, những tế bào năng lượng mặt trời tốt nhất hiện tại chỉ có thể chuyển 25% năng lượng mà nó nhận được thành điện Tại sao vậy? Thực tế là ánh sáng mặt trời, như tất cả các loại ánh sáng khác, bao gồm một quang phổ với các bước sóng

15 khác nhau, mỗi bước sóng có một cường độ khác nhau Có những bước sóng quá yếu không thể giải phóng các electron còn một số bước sóng lại quá mạnh với silicon

Hơn nữa, các tấm pin mặt trời cần được đặt ở những vị trí cực kỳ đặc biệt Góc của các tấm pin mặt trời cần được tính toán để có thể nhận được tối đa lượng ánh sáng mặt trời và đương nhiên những tấm pin mặt trời chỉ thực sự hữu ích nếu được đặt ở nơi có nhiều ánh sáng mặt trời Đặt tấm pin mặt trời ở những nơi có thời tiết ít nắng sẽ biến chúng thành những tác phẩm nghệ thuật lố bịch và tốn kém.

Các nhà khoa học vẫn đang tiếp tục nghiên cứu nhằm phát triển những tấm pin mặt trời hiệu quả hơn Các tế bào năng lượng mặt trời dạng màng mỏng, được sản xuất từ cadmium, mỏng hơn nhiều so với tế bào silicon và có khả năng hấp thụ năng lượng mặt trời tốt hơn Nhưng hiện tại, khả năng biến năng lượng thu thập được thành điện năng của tế bào năng lượng mặt trời cadmium vẫn còn khá kém Tuy nhiên, các nhà khoa học muốn nghiên cứu thêm về loại tế bào năng lượng mặt trời này bởi chúng có mức giá rẻ và kích thước thuận tiện.

1.3.4 Đặc điểm của hệ thống pin năng lƣợng

Các mô hình DC -house

Hiệ ại trên thếgiới đang nghiên cứu và phổ ế ột số mô hình DC house sau đây:

1.4.1.Mô hình DC house sử dụng pin năng lượng mặt trời kết hợp với điện lưới

Hình 1.11 Sơ đồ hệ thống điện mặt trời kết hợp điện lưới

Mô hình gồm : tấm pin năng lượng m t tr i, kh i MPPT, kh i Bi-directional ặ ờ ố ố Inverter/Converter, khối DC-DC converter như hình 1.11 trong đó:

MPPT vai trò là mộ ột b chuyển đổi DC- -to DC có hiệu su t cao tấ ạo ra điện áp đầu ra không đổi theo yêu cầu c a tủ ải và điều chỉnh các đặc tính tải rõ ràng được thấy bởi PV để buộc nó vận hành ở ức công suấ ực đạ m t c i Bởi vì điện áp và dòng điện do h th ng PV cung c p ph thuệ ố ấ ụ ộc vào điều kiện môi trường, điện DC t ừ

18 m ng pin phả ải được điều chỉnh để cung c p chấ ất lượng điện phù hợp cho t i MPPT ả thường được bao gồm trong các máy biến tần lưới không có pin dự phòng và bộ điều khi n ể ph c v cho vi u ch

Khối Bi-directional Inverter/Converter ụ ụ ệc điề ỉnh điện (AC-DC) t ừ lưới vào hệ thống phân phối tòa nhà và đảo ngược DC-AC t h ừ ệ thống

PV hoặc pin vào lưới điện chuy n DC t c

Khối DC-DC converter ển đổi điệ ừ ấp điện áp này sang điện áp khác Chúng đượ ử ục s d ng rộng rãi trong các ứng dụng công suất thấp, điện áp thấp và được tìm thấy trong các thiế ị có mạch điệ ửt b n t Bởi vì bộ chuyển đổi này liên quan tr c tiự ếp đế ải, nên cần t n phải cách lykhỏi mặt đất mặc dù các tiêu chuẩn liên quan chưa có [3].

1.4.2 Mô hình DC house sử ụng năng lƣợ d ng thủy điện

Hình 1.12 Mô hình DC house sử dụng năng lƣợng thủy điện

Mô hình DC house s d ng ử ụ năng lượng t thừ ủy điện gồm có một tua-bin thủy điên, bộ điề u khi n, b ể ộ lưu trữ như thể ện trong hình 1.12 hi

Hình 1.13 Sơ đồ khối mô hình DC house sử dụng năng lƣợng thủy điện

Khi đặ ại các đập nước, tuabin nước quay và chuyển đổi năng lượng đột t ng h c cọ ủa dòng nước thành năng lượng điện để ạ s c pin ho c cung cặ ấp điện cho DC house Khối điều khi n, s c bao g m b chuyể ạ ồ ộ ển đổi DC-DC và bộ điề u khi n sể ạc pin B chuyộ ển đổi DC-DC là các mạch điện điện thay đổi điện áp hoặc dòng điện bằng cách sử ụng các thiế ị bán dẫn làm công tắ d t b c Nh ng b chuyữ ộ ển đổi này là c n thiầ ết để tăng điện áp DC đầu ra c a tua-ủ bin nước để ạ pin 12V và tăng điện áp s c lên tới 48 Volts cho DC House H thệ ống được đánh giá ở mức 60 Watts để cung cấp điện cho các thiết b ị chiếu sáng, phần l n nhu cớ ầu điện của người dân ở các nước đang phát triển [4]

1.4.3 Mô hình DC house sử ụng năng lƣợng gió d

Hình 1.14 Mô hình DC house sử dụng năng lƣợng gió ra m t h ng chuyĐể ộ ệ thố ển đổi gió thành năng lượng để ả s n xuất điện cho nhà DC, hệ ố th ng c n ph i bao gầ ả ồm các thành phần sau: tuabin gió, động cơ và bộ chuyển đổi H ệthống gió tổng th ể lý tưởng gi ng vố ới hình 1.14

Hình 1.15 Sơ đồ khối mô hình DC house sử dụng năng lƣợng gió

Cánh của tuabin c n thiầ ết để chuyển đổ ốc độ gió thành môi t -men xoắn để cho phép động cơ điện quay và cuối cùng cho phép động cơ trở thành máy phát điện và nguồn năng lượng Để ó đượ ốc độ gió tối đa, nó đã được xác định thông qua c c t nghiên cứu r ng m t h thằ ộ ệ ống ba cánh sẽ ệ hi u qu nhả ất Lý do là do tốc độ chuy n ể đổi mômen xoắn nếu cánh của tuabin bao gồm hơn ba lưỡi, có thể không có gió đủ mạnh xuyên qua lưỡi xoáy tuabin để ạ ra đủ lượ t o ng quay của cánh và quay của động cơ [5]

1.4.4 Mô hình DC house sử ụng năng lượ d ng sức người

Hình 1.16 Mô hình DC house sử dụng năng lượng từ sức người

Khi dùng sức người đạp xe, h th ng chuyệ ố ển động s ẽ phát điện, cung c p ấ dòng điện n p cho c quy, nguạ ắ ồn điệ ừ ắn t c quy s cung cẽ ấp cho các thiế ịt b trong nhà

Hình 1.17 Sơ đồ khối mô hình DC house sử dụng năng lượng từ sức người

Thiế ế cơ bản cho máy phát điệt k n ch y bạ ằng xe đạp là để có một chi c xe ế đạp trên cố định 2 bánh và khi đạp xe đạp, chuyển động quay c a lủ ốp sau được s ử

21 dụng để ả s n xuất năng lượng cơ học trực tiếp vào điện áp DC Nếu điện áp AC được t o ra, c n phạ ầ ải có mộ ột b chỉnh lưu cầu đầy đủ để ạo ra điện áp DC Điện áp DC t này sau đó có thể được s d ng ngay l p t c hoử ụ ậ ứ ặc đượ ưu trữ thông qua mộc l t mảng pin Nếu điện áp DC không đổi được yêu cầu bởi ngườ ử ụi s d ng, một bộ chuyển đổi

DC-DC có thể ầ c n thiết để thay đổi điện áp DC khác nhau được s n xu t t tả ấ ừ ốc độ xe đạp khác nhau sang điện áp DC cố đị nh cho m t s thi t b ho c m ng pin [6] ộ ố ế ị ặ ả

1.4.5 Mô hình DC house sử ụ d ng nhiều nguồn năng lƣợng tái tạo

Hình 1.18 Sơ đồ khối mô hình DC house sử dụng nhiều nguồn năng lƣợng tái tạo

Mô hình DC house này sẽ bao gồm các loại năng lượng tái tạo khác nhau như: năng lượng mặt trời, năng lượng gió, thủy điện và nhân tạo như thể hiện trong hình 1.18 Những phát triển mới trong lĩnh vực điện tử công suất đã có những tác động rất lớn trong việc truyền tải điện DC Lợi thế chính của truyền tải điện DC là: giảm tổn thất năng lượng, tích hợp đơn giản các nguồn năng lượng tái tạo như PV, ghép nối đơn giản với hệ thống lưu trữ và mật độ năng lượng cao hơn [7].

Bảng thông số kỹ thuật yêu cầu

Việc nghiên cứu triển khai các nguồn năng lượng sạch như năng lượng mặt trời, năng lượng gió… là việc cần thiết góp phần bảo vệ môi trường và phục vụ nhu cầu sinh hoạt của các vùng dân cư nơi chưa có điện lưới kéo đến Đề tài này đưa ra mạch điện tử công suất trong thực tế phù hợp với mô hình DC house sử dụng pin năng lượng mặt trời Chính từ những mục tiêu, yêu cầu như vậy nên tôi xây dựng

22 bảng thông số kỹ thuật của mạch đáp ứng cho bóng đèn điện 1 chiều 1W và motor 3W, sạc cho ắc quy 12V hoạt động cả ngày lẫn đêm

Bảng 1.1 Bảng thông số ạch công m suất thực tế

Pin năng lượng mặt trời V = 22V max

Motor 3W, 12V Điện áp ra V = 12V out

Bảng thông số gồm các thành phần như tấm pin mặt trời, bóng đèn, motor, bình ắc quy dự trữ, điện áp ra và hiệu suất của mạch Ngoài ra, giá trị vật tư một yếu tố rất quan trọng khi xét đến mô hình xây dựng Dưới đây là bảng giá các thành phần

B ng 1.2 Bả ảng giá vật tƣ, linh kiện của h ệthống

Công suất Điện áp Giá thành

Vật tư, Phụ kiện khác - - 100.000 đ

Kết luận chương

Hệ thống điện thông minh trong gia đình là một hệ thống cho phép lồng ghép các nguồn năng lượng tái tạo và nguồn nhiên liệu hóa thạch trong một lưới điện thống nhất, quản lý linh hoạt hệ thống điện và tự động duy trì sự cân bằng giữa cung và cầu năng lượng điện DC house có các tính năng cơ bản sau: hả năng tự k động khôi phục cung cấp điện khi có sự cố xảy ra mất điện, trợ giúp sự phát triển các nguồn năng lượng tái tạo, cung cấp khả năng nâng cao chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện, DC house loại bỏ những thất thoát do việc chuyển đổi qua lại AC-DC, giảm kích thước trọng lượng các khố, tối ưu hóa vận hành hệ thống điện để giảm chi phí sản xuất, truyền tải và phân phối, kể cả giảm chi phí đầu tư mới và nâng cấp hệ thống điện Ngoài những mô hình DC house liệt kê trong chương 1, thế giới vẫn còn nhiều mô hình các nhà nghiên cứu đang thử nghiệm để kết hợp khác.

Qua chương , ta đã có cái nhìn tổng quan về nhà DC house và mô hình trên 1 lý thuyết từ đó để đưa ra các mô phỏng kịch bản xây dựng được mạch công suất đúng theo yêu cầu hệ thống gọn nhẹ, giá thành tối ưu nhất có thể.

Mô phỏng & thiết kế mô hình DC house

Phần mềm, thực hiện mô phỏng, thiết kế

Phần mềm được s dử ụng mô phỏng mô hình DC house là Matlab Matlab là m t b ph n mộ ộ ầ ềm dùng để tính toán các bài toán kỹ thuật được vi t bế ằng ngôn ngữ

C do hãng Math Works Inc s n xuả ất Nó đượ ạo trên cở ởc t s nh ng ph n m m do ữ ầ ề các nhà lập trình của các dự án LINPACK và EISPACK viết ra bằng ngôn ngữ Fortran dùng cho việc th c hiự ện các phép tínhvà thao tác trên ma trận

Tên của ph n mầ ềm MATLAB là chữ vi t t t cế ắ ủa „Matrix Laboratory‟ có nghĩa là „phương pháp ma trận‟ Đến khi thực hành sử ụ d ng ph n m m ta s th y ầ ề ẽ ấ m i ph n t ỗ ầ ử cơ bản của Matlab là một ma tr n Ph n mậ ầ ềm Matlab liên tục được b ổ sung và hoàn thiệ MATLAB được điền u khi n bể ởi các tậ ệnh, tác độp l ng bằng bàn phím Nó cũng cho phép chúng ta lập trình với m t s ộ ố ngôn ngữ (C, C++, ), nh m ằ t o ra nhạ ững thư viện riêng phục v cho nh ng mụ ữ ục đích khác nhau MATLAB có hơn 25 Toolsbox để ợ giúp cho việ tr c khảo sát MATLAB 3.5 tr xu ng hoở ố ạt động trong môi trương MS-DOS,MATLAB 4.0 tr ở đi hoạt động trong môi trường WINDOWS

Các ứng dụng điển hình của Matlab: toán học và tính toán, phát triển thu t ậ toán, tạo mô hình, mô phỏng và giao thức, khảo sát, phân tích số ệu, đồ ọ li h a khoa h c k thuọ ỹ ật, phát triể ứn ng d ng, g m c giao diụ ồ ả ện người dùng đồ ọ h a GUI, thiết k ế các hệthống điều khi n trong th i gian thể ờ ực…

Matlab cung cấp cho ta các phương pháp theo hướng chuyên dụng hóa được gọi là các Toolbox (hộp công cụ) Các Toolbox cho phép ngườ ử ụi s d ng học và áp dụng các kỹ thuật chuyên dụng cho một lĩnh vực nào đó Toolbox là mộ ật t p hợp toàn diện các hàm của matlab (M-file) cho phép mở ộng môi trường Matlab để ả r gi i các lớp bài toán cụ ể Các lĩnh vực trong đó có sẵn các Toolboxbao gồ th m: x ử lý tín

25 hi u, h ệ ệ thống điều khi n, mể ạng noron, mô phỏng… Hệ thống Matlab gồm có 5 phần chính:

Ngôn ngữ Matlab là một ngôn ngữ ma tr n, m ng c p cao vậ ả ấ ới các câu ệ l nh, hàm, cấu trúc dữ ệu vào/ra, các tính năng lập trình đối tượng Nó cho phép lậ li p trình các ứng d ng t nh ụ ừ ỏ đến các ứng d ng l n, t ng dụ ớ ừ ứ ụng đơn giản đến ph c ứ t p ạ

Môi trường làm việc c a Matlab ủ là mộ ộ các công cụ và phương tiện mà t b b n s d ng vạ ử ụ ới tư cách người dùng hoặc ngườ ập trình Matlab Nó bao gồm các i l phương tiện cho vi c quệ ản lý các biến trong không gian làm việc Workspace cũng như xuất nh p d liậ ữ ệu Nó cũng bao gồm các công cụ để phát triể n quản lý, gỡ ố r i và định hình M – file

X ử lý đồ ọ h a, đây là mộ ệt h thống đồ ọ h a của Matlab Nó bao gồm các ệ l nh cao c p cho trấ ực quan hóa dữ u hai chiliệ ều và ba chiều, x ử lý ảnh, ảnh độ … Nó ng cũng cung cấp các lệnh c p thấ ấp cho phép bạn tùy biến giao diện đồ ọa cũng như h đi xây dựng m t giao diộ ện đồ ọa hoàn chỉ h nh cho ng d ng Matlab cứ ụ ủa mình.

Thư viện toán học Matlab, đây là một thuật toán khổng l ồ các thuật toán tính toán từ ác hàm cơ bả c n c ng, trộ ừ, nhân, chia, sin, cos, số ọ h c phức…tới các hàm ph c tứ ạp hơn như: nghịch đảo, ma trận, tìm giá trị riêng củama trận, phép biến đổi fourier nhanh

Giao diện chương trình ứng d ng Matlab API (Application Program ụ Interface): đây là mộ thư viện cho phép ta viết các chương trình C và Fortran tương t thích với Matlab

Hình 2.1 Phần mềm Matlab phiên bản R2015a

Matlab có một chương trình đi kèm là Simulink, ộ ệ ống tương tác vớ m t h th i việc mô phỏng các hệ thống động h c phi tuyọ ến Nó là mộ chương trình đồ ọt h a s ử d ng chuụ ột để thao tác cho phép mô hình hóa mộ ệt h ng bthố ằng cách ẽ ột sơ đồ v m khối trên màn hình Nó có thể làm việc với các hệ ng tuythố ến tính, phi tuyến, h ệ thống liên tục theo th i gian, h ờ ệ thống gián đoạn theo th igian, h thờ ệ ống đa biến Simulink cũng là phương pháp mô phỏng được trình bày dưới đây.

2.1.2 Thực hiện mô phỏng ng Simulink t k h u khi n, thi t k DSP,

Thông thườ dùng để thiế ế ệ thống điề ể ế ế h ệ thống thông tin và các ứng dụng mô phỏng khác Để mô phỏng m t h ng ộ ệ thố đang được mô tả ở ạng phương trình vi phân, phương trình trạng thái, hàm truyề d n đạt hay sơ đồ ấu trúc thì chúng ta cầ c n chuyển sang chương trình Simulink dưới dạng các khối cơ bản khác nhau theo cấu trúc khảo sát Với cách lập trình như vậy, người nghiên cứu h th ng s th y trệ ố ẽ ấ ực quan và dễ ể hi u t ng ng d nh i hai t Đây là thuậ ữ mô phỏ ễ ớ được ghép bở ừ Simulation và Link Simulink cho phép mô tả ệ h th ng tuyố ến tính, phi tuyến, các mô hình trong miền th i gian lien tờ ục hay gián đoạn ho c m t h g m c ặ ộ ệ ồ ảliên tụ và gián đoạc n p cho ta m t giao di h s d Để mô hình hóa, Simulink cung cấ ộ ện đồ ọa để ử ụng và xây dựng mô hình thao tác “nhấn và kéo” chuột V i giao diớ ện đồ ọa ta có thể h xây mô hình và khảo sát mô hình một cách trực quan hơn Đây là sự khác xa các ph n m m ầ ề trước đó mà ngườ ử ụi s d ng phải đưa vào các phương trình vi phân bằng một ngôn ngữ ập trình Điể l m nh n m nh quan tr ng trong viấ ạ ọ ệc mô phỏng một quá trình là việc thành lập được mô hình.

Sau khi m giao di n Matlab ở ệ NEW Simulink Model

T i Simulink ta s ạ ẽ xây dựng các khối mô phỏng cho mô hình nhà DC cần xây d ng dự ựa trên các mô hình đã xây dựng

 Khối PV-panel nhận năng lượng đầu vào

 MPPT Controller: Thực hiện xác định điểm công suất làm việc cực đại dựa vào v và i

 Buck Boost Converter: Duy trì điện áp đầu vào từ bộ điều khiển và đầu ra cho tải

Hình 2.5: Khối Buck Boost Converter

 Còn lại là 2 khối đo điện áp Scope 2 và công suất đầu vào ra đầu ra Scope của hệ thống và mô phỏng hệ thống của ta như sau:

Hình 2.6 Sơ đồ khối mô phỏng của toàn bộ hệ thống [8]

Khi chạy mô phỏng tại thời điểm nhiệt độ khối Pin mặt trời là 40 0 C, ta có công suất hệ thống như sau

Hình 2.7 Công suất đầu vào và đầu ra của hệ thống

H ng chệthố ạy mô phỏng gồm các khối PV panel, MPPT controller, Buck Boost Convertert có thể ạo đượ t c công suất P out lên đến trên 250W để đáp ứng cho mô hình nhà DC house Và chúng tôi dựa trên các khối cơ bản như vậy để xây dựng mô hình ở ức công suấ m t thấp hơn đáp ứng t i 1-ả 3W nên cũng có vài điểm khác để đáp ứng yêu cầu cho m ch ạ

Hệ thống thực hiện việc lấy năng lượng từ pin mặt trời để nuôi tải Với các chỉ tiêu kỹ thuật như sau:

 Mạch cung cấp một điện áp ra 12V, đủ năng lượng để sạc cho ắc quy

12V và nuôi tải bao gồm: 1 bóng đèn 1W và 1 motor 3W.

 Mạch có thể hoạt động cả ngày lẫn đêm Khi năng lượng mặt trời không đủ cung cấp cho tải thì sẽ chuyển sang dùng ắc quy.

 Hiệu suất của mạch mong muốn đạt được 50%.

 Sử dụng phương pháp MPPT để pin mặt trời hoạt động với hiệu suất tối đa tại một điều kiện môi trường.

 Sử dụng vi điều khiển để thực hiện chức năng tạo xung và tính toán

Hệ thống cần đạt được một số yêu cầu phi chức năng như sau: mạch in được thiết kế dưới dạng mạch in một lớp, kích thước mạch 10x6cm, giá thành dự kiến thực hiện mạch 700 ngàn đồng, sử dụng linh kiện cắm chân cắm.

Từ mô phỏng hệ thống ta xây dựng sơ đồ khối tổng quát của toàn bộ hệ thống

Hình 2.8 Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống DC-Buck: Duy trì ổn định điện áp 5V cho MPPT Controller và Control system Đầu vào điện áp 12V từ ắc quy Đầu ra điện áp 5V cho MPPT Controller và Control system.

DC-DC Converter: Điều chỉnh điện áp sạc, điều chỉnh điện áp cấp cho tải dựa vào Duty Cycle lấy từ MPPT controller Đầu vào: điện áp từ tấm PV, Duty Cycle từ MPPT controller Đầu ra điện áp sạc cho ắc quy, điện áp cấp cho tải.

Cotrol System: thực hiện lấy v và i từ sensor để tính toán ra giá trị Duty

Xây dựng các khối

2.2.1 Khối chuyển đổi DC-DC

Lấy điện áp từ PV để thực hiện chuyển đổi, lấy nguồn nuôi vi điều khiển từ ắc quy hoặc pin Điện áp nuôi vi điều khiển là 5V, đưa ra điện áp 12V cho tải Trong mạch DC có 2 mạch, một mạch Buck có chức năng nhận giá trị Duty Cycle từ MPPT controller để điều chỉnh điện áp sạc của tấm PV cho ắc quy dựa theo Duty Cycle của Controller System Một mạch DC DC converter để ổn định điện áp - cấp cho khối Controller System.

Mạch Buck cấu trúc như sau:

Hình 2.9 Cấu trúc mạch Buck

IC7805 có bảng thông số như sau:

B ng 2.1 Bả ảng thông số ỹ k thuật của IC 7805 [9]

Thành phần Giá trị Điện áp vào 7V đến 25V

Nhiệt độ hoạt động -20 °C đến 85°C

Dòng đầu ra 1.5A Điện áp ổn định 9V

DC-DC Converter có cấu trúc như sau:

Hình 2.10 Cấu trúc mạch DC-DC Conveter

Từ đó ta lựa chọn các thông số cho mạch DC- DC converter:

Tần số chuyển đổi tỷ lệ nghịch với kích thước của điện dẫn và tụ điện và tỷ lệ thuận với tổn thất trong MOSFET Vì vậy, tần số cao hơn, giảm kích thước của điện dẫn và tụ điện nhưng tổn thất chuyển mạch cao hơn Vì vậy cần phải có sự cân bằng giữa chi phí của các thành phần và hiệu suất để lựa chọn tần số chuyển mạch thích hợp Chọn tần số làm việc của mạch ở 50kHz

 Lựa chọn linh kiện cho mạch như sau:

Tụ điện: ụ Hóa t C1,C2"0 uF (lọc nguồn đầu vào) rở 1/4W để phân áp điều , t khiển transistor và đo hiệu điện thế, diode có giá trị dòng lớn hơn 1A, họn 1N4148 c transistor 2N3904, MOSFET IRF9540 để đáp ứng công suất và tần số đóng cắt của mạch [10]

Trong mạch này, tôi dùng vi điều khiển ATmega328 [11] để tạo xung vuông có biên độ 5V, tần số 50kHz để đóng ngắt MOSFET IRF9540 Nguồn nuôi vi điều khiển Atmega328 là 5V và được lấy từ ắc, ắc quy được dùng để cấp điện thêm cho tải khi công suất đầu vào của pin mặt trời nhỏ do các yếu tố thời tiết, nhưng không được dùng hết, luôn luôn dự trữ năng lượng ở mức nhất định để cấp nguồn cho vi điều khiển Sử dụng chức năng TIMER trong atmega328, cụ thể là TIMER 1 để tạo xung vuôn Sơ đồ nguyên lý, xung PWM được lấy từ atmega328 như sau:g

Hình 2.11 Mạch nguyên lý 2.2.3 Khối cảm biến Sensor

Hệ thống cảm biến có những yêu cầu chức năng sau: Theo dõi điện áp, dòng điện đầu vào và đầu ra của khối chuyển đổi DC-DC Giới hạn đo: Vmax$V;

ImaxZ Tín hiệu đầu ra dưới dạng điện áp tương tự gửi tới control center cho kết quả về dòng, áp, sai số nhỏ hơn 1%, công suất tiêu thụ nhỏ hơn 100mW.

Sau đây là sơ đồ khối của sensor:

Hình 2.12 Sơ đồ khối cảm biến

Cảm biến dòng được sử dụng là loại cảm biến được sản xuất dựa trên hiệu ứng Hall Vi điều khiển được sử dụng để đọc dữ liệu điện áp và dòng điện từ cảm biến và từ Uin, Iout thông qua các kênh ADC Vi điều khiển còn có chức năng đưa thông tin ra cổng giao tiếp với control center (wireless, PLC, serial…) Khối truyền thông là nhằm gửi thông tin về dòng và áp về control center để có những phương pháp xử lý tối ưu và phòng tránh , xử lý sự cố Nhiệm vụ của khối nguồn là cung cấp nguồn điện cho vi điều khiển và cảm biến Điện áp đầu ra của D DC là 12V C- nên ta sử dụng trực tiếp nó để cấp nguồn cho vi điều khiển thông qua IC LM7805. Cảm biến hiện tại được sử dụng để đo tải dòng điện.là dòng điện này được sử dụng để tính toán công suất tải và năng lượng Tôi đã sử dụng bộ cảm biến hiện tại (ACS712-20A)

Hình 2.13 Sơ đồ khối cảm biến Hall ACS712[12]

Các cảm biến điện áp được sử dụng để cảm nhận điện áp của Pin năng lượng mặt trời và ắc quy Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng hai mạch phân áp bao gồm hai điện trở R2 = 100k và R6 = 20k để cảm nhận điện áp từ pin NLMT tương tự R1 = 100k và R5 = 20k cho điện áp ắc quy

Hình 2.14 Sơ đồ khối phân áp để đo hiệu điện thế

Vi điều khiển được sử dụng để đọc dữ liệu điện áp và dòng điện từ cảm biến và từ Uin, Iout thông qua các kênh ADC Điện áp đầu ra của Acquy là 12V nên ta sử dụng trực tiếp nó để cấp nguồn cho vi điều khiển thông qua IC LM7805.

Lựa chọn phương án cho mạch: ảm biến dòngc ASC712, vi điều khiển ATmega328, nguồn sử dụng nguồn DC out 12V thông qua LM7805 ruyền thông nối tiếp , t UART.

Sơ đồ khối PV như sau:

Hình 2.15 Sơ đồ khối PVCác tín hiệu: Vg là điện áp tại các PV module, Ig là dòng điện tại các PV module, D1 là giá trị Duty Cycle cho DC-DC converter

Hoạt động của mạch: PV Module: Mỗi module PV cung cấp một điện áp làm việc là 18V hở mạch DC – DC converter: mạch DC – DC hiệu suất cao để chuyển đổi điện áp 12V thành điện áp với điểm công suất cực đại của PV Module MPPT Controller: Đo điện áp và dòng điện tại đầu ra module từ đó tính toán được điểm làm việc với công suất cực đại, tính toán đưa ra giá trị Duty Cycle cung cấp cho khối DC DC Converter để ép PV Module hoạt động ở điện áp với công suất - cực đại.

Thuật toán triển khai MPPT được thực hiện trong vi điều khiển Atmega328 Thuật toán sử dụng là thuật toán P and O Lưu đồ thuật toán như sau:

Bằng cách đo giá trị V và I của module hiện tại, ta tính ra được công suất và so sáng với giá trị công suất cũ, sau đó tăng hoặc giảm Duty Cycle thay đổi điện áp làm việc của PV Module.

Một trong những hạn chế của thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời là phụ thuộc vào cường độ ánh sáng Vì vậy theo lý thuyết khi không có mặt trời hệ thống không có khả năng được sử dụng Trong trường hợp này, để đáp ứng được hệ

37 thống hoạt động ổn định nhất, phải sử dụng năng lượng thu được một cách hiệu quả nhất Khi sử dụng cùng với pin dự trữ, quản lý hoạt động của Photovoltaic (PV) và pin dự trữ là bài toán có thể giải quyết được quản lý năng lượng

Hình 2.17 Sơ đồ yêu cầu hệ thống [13]

Theo hình 2.17 các thiết bị trong nhà được chia thành 2 loại chính là thiết bị sử dụng công suất lớn và sử dụng công suất nhỏ

Trong luận văn này, do điều kiện thời gian và hiểu biết còn hạn chế nên tôi xây dựng bài toán “Xây dựng hệ thống quản lý năng lượng từ khối PV và hoạt động trên tải công suất nhỏ (1-3W)

Dựa vào thông số của tải: Bóng đèn có công suất tiêu thụ 1W Yêu cầu thuật toán có chức năng:

 Tối ưu hóa được năng lượng trong hệ thống.

 Kiểm tra kết quả đầu ra của khối DC DC để điều chỉnh Duty Cycle.-

 Đưa ra tín hiệu khi nào cần sạc pin, khi nào cần xả pin.

Sơ đồ thuật toán như sau:

Hình 2.18 Thuật toán thông minh

*Lựa chọn IC điều khiển

B ng 2.2 Bả ảng so sánh thông số ộ ố IC thông dụ m t s ng

Ki ến trú c 8bit 8bit 8bit

Xung nhịp Max 20MHz 20MHz 20MHz Điện áp sử dụng 1.8 ~ 5.5 V 2.0 ~ 5.5V 1.8 ~3.6V

Bộ Nhớ FLASH 32Kb 8Kb 8Kb

Data Converters ADC 10bit ADC 10bit ADC 10bit

Đánh giá

Trong phần này ta thực hiện việc kiểm tra mạch với các kịch bản kiểm tra khác nhau Từ đó kiểm tra chức năng, khắc phục các lỗi và cải tiến mạch Thực hiện việc chạy ở các chế độ khác nhau và tại các điều khiển môi trường khác nhau từ đó đánh giá tính năng hoạt động của mạch Kết quả được thể hiện ở bảng 2.3 như sau:

B ng 2.3 K t qu ả ế ả đánh giá hoạt động của mạch

Chế độ hoạt động của mạch Giá trị đo được Kết quả

Không tải, ánh sáng mạnh Upv = 14V ; Uac quy

Mạch hoạt động bình thường

Không tải ánh sáng yếu, Upv = 0.2V ; Uac quy

Mạch hoạt động bình thường

Có 1 tải ánh sáng mạnh (tải , là bóng đèn 1W)

Mạch hoạt động bình thường

Có 2 tải ánh sáng mạnh (tải , là bó đè 1W độ 3W)

Mạch hoạt động bình th ờ

Có 1 tải ánh sáng yếu (tải là , bóng đèn 1W) Upv = 0.2V ; Uac quy

Mạch hoạt động bình thường

Có 2 tải ánh sáng yếu (tải là , bóng đèn 1W)

Mạch hoạt động bình thường

Mạch đạt được kêt tại 6 trên 6 bài kiểm tra Mạch đã thỏa mãn được các yêu cầu đặt ranhưng chưa tối ưu trong trường hợp sử dụng ánh sáng mạnh, có chạy tải.

Kết luận chương

Mạch thực tế vẫn chưa đạt được yêu cầu tối ưu, mới đáp ứng được mức công suất thấp và tôi hi vọng trong thời gian tới sẽ tăng mức công suất của mạch lên cao hơn phù hợp mô hình nhà DC house Điều nhận thấy ở đây là vào thời điểm ánh sáng mạnh, nếu mạch chạy tải thì pin năng lượng mặt trời ngừng sạc cho ắc quy như vậy gây ra sự lãng phí vì vậy phương án cải tiến mà tôi đưa ra ở đây là khi ánh sáng mạnh chạy tải hệ thống cấn phải sử dụng năng lượng từ tấm pin và vẫn sạc được cho bình ắc quy

Ngoài ra, kết quả đánh giá chưa có sự khảo sát về độ bền của hệ thống mạch trong thực tế có thể sử dụng thông thường bao lâu xảy ra vấn đề, giá thành cũng không rẻ nên rất cần nhiều thời gian hơn nghiên cứu chi tiết cho dự án.

Việc xây dựng những vùng, mô hình sử dụng pin mặt trời bao gồm cả DC house đã được các nước phát triển trên thế giới thực hiện và hi vọng sắp tới Việt Nam sẽ tiếp tục nghiên cứu để đưa ra mô hình phù hợp với hiện trạng đất nước.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Sau m t thộ ời gian nghiên cứu, làm việc một cách nghiêm túc, tôi đã hoàn thành quyển luận văn này đạt được m t s mộ ố ục tiêu đề ra Luận văn đã trình bày chi tiết m t h ộ ệ thống cung c p nguấ ồn DC cho mô hình nhà dân dụng t nguừ ồn điện pin m t trặ ời, thành phần điều khiển và các bộbiến đổi bán dẫn dùng trong hệ N i dung ộ luậ văn đã thể ện hi n chi tiết nguyên lý hoạt động c a h ủ ệ thống, xây dựng mô hình nguồn điện pin và mô phỏng từng khâu của h b ng ph n m m Matlab - Simulink ệ ằ ầ ề

K t quế ả nghiên cứu cho thấy mô hình PV nếu dùng mạch điện tương đương có cấu trúc phứ ạc t p s cho s ẽ ự tương thích vớ ải t i trong th c t t t ự ế ố Do đây là đề tài còn rất m i, kh ớ ả năng nhận thức còn hạn ch , thế ời gian làm không nhiề nên u luận văn ẫ v n còn mộ ố khâu chưa hoàn chỉnh như ệ ốt s h th ng ch y tạ ải khi có ánh sáng mặt tr i l i ờ ạ không sạc được pin, phần lưu ữ năng lượtr ng chưa tối ưu vì đây cũng là những thành phần quan tr ng quyọ ết định đến tính hiệu qu ả và ứng d ng ti n l i c a h ụ ệ ợ ủ ệ thống pin mặt trời Đối với nước đang phát triển Vi t Nam, việ ệc phát triển nhà sử ụ d ng pin năng lượng m t trặ ời là hế ứt s c h p lợ ý trong bố ải c nh nguồn tài nguyên thiên nhiên đang dần c n kiạ ệt, môi trường ngày càng ô nhiễm Các nguồn năng lượng chính của chúng ta như thủy điện gây tác hại đến môi trường trong quá trình thiế ập đật l p, những nhà máy nhiệt điện gây tác hại đến nguồn nước, các dự án điện hạt nhân đã ph i d ng do vả ừ ấn đề kinh phí…Theo tính toán ví dụ như tại TP H ồ Chí Minh trung bình trong suốt 12 tháng và trên một diện tích 1m 2 , ánh sáng mặt trời có thể mang lại 5 Kw giờ cho một ngày Và nguồn năng lượng này sẽ là một khơi mào hứng thú góp phần vào: việc hạn chế hiệu ứng nhà kính và sự hâm nóng toàn cầu theo tinh thần của Nghị định thư Kyoto 1997; giải quyết ô nhiễm môi trường do việc gia tăng dân số và phát triển xã hội của các quốc gia trên thế giới và nhất là để bổ túc vào sự thiếu hụt năng lượng trên thế giới trong tương lai khi các nguồn năng lượng trong thiên nhiên sắp bị cạn kiệt c tri n khai h d ng m t tr

Việ ể ệ thống nhà sử ụng pin năng lượ ặ ời theo mô hình

DC house so v i nhớ ững mô hình khác có những ưu điểm hơn như tăng hi u qu ệ ả

43 năng lượng, giảm kích thước trọng lượng c a h th ng, ủ ệ ố trình điều khi n h th ng ể ệ ố điện giúp sử ụ d ng linh hoạt hơn Bên cạnh đó cũng có những điểm h n ch ạ ế là mô hình hiệ ại chưa ứn t ng dụng và nghiên cứ ộng rãi tạu r i Việt Nam, giá thành cao Hy v ng ọ trong tương lai không xa, sẽ có nhiều khuyến khích ưu đãi để người dân dần chuy n sang s dể ử ụng các nguồn năng lượng t ự tái tạo, gió, mặt trời…

Tôi xin chân thành cảm ơn cô Phạm Nguyền Thanh Loan đã tạo điều kiện và tận tình giúp đỡ tôi trong việc hoàn thành bản luận văn này cũng như trong suốt thời gian hướng dẫn.