thiết kế nguồn điện năng lượng mặt trời có bộ tự động chọn điểm làm việc cực đại theo phương pháp p&o (perturb and observe)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN THỊ HỒNG HẠNH THIẾT KẾ NGUỒN ĐIỆN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI CÓ BỘ TỰ ĐỘNG CHỌN ĐIỂM LÀM VIỆC CỰC ĐẠI THEO PHƢƠNG PHÁP P&O (Perturb and Observe) LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN 2014 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI NĨI ĐẦU Khoa học thực tiễn giới nhược điểm rõ ràng nguồn điện truyền thống nhiệt điện, thủy điện, điện hạt nhân có tác động xấu đến mơi trường, sống người cung cấp đủ nhu cầu tương lai không xa Một biện pháp quan tâm sử dụng dạng lượng tái tạo nhằm đáp ứng trực tiếp cho phụ tải hay giúp phân bố lại công suất truyền tải lưới phân phối Qua đó, giúp giảm việc xây nhà máy điện quy mô lớn, tăng hiệu vận hành cho toàn hệ thống điện So với nguồn lượng khai thác sử dụng lượng gió, lượng hạt nhân… Năng lượng mặt trời coi nguồn lượng rẻ, vô tận, nguồn lượng không gây hại cho môi trường thu hút quan tâm nhiều nhà khoa học, nhà nghiên cứu trở thành nguồn lượng tốt tương lai Hệ thống quang điện sử dụng lượng mặt trời (Hệ pin mặt trời) có nhiều ưu điểm khơng cần ngun liệu, khơng gây nhiễm mơi trường, phải bảo dưỡng, không gây tiếng ồn… Hiện lượng mặt trời khai thác đưa vào ứng dụng sống công nghiệp nhiều dạng hình thức khác nhau, thơng thường để cấp nhiệt điện Với ưu điểm không phát tiếng ồn, dễ chế tạo pin mặt trời PV (Photovotaic), khơng địi hỏi khắt khe điều kiện lắp đặt (có thể đặt trực tiếp cơng trình) nên việc khai thác lượng từ PV nhiều Nhà khoa học, quốc gia giới quan tâm, đầu tư để đạt hiệu tối đa Tuy nhiên, lượng phát từ pin mặt trời lại phụ thuộc hoàn toàn vào thời điểm có xạ mặt trời Phương pháp khai thác điểm làm việc cực đại PV nhiều nhà khoa học đề xuất: phương pháp P&O (Perturb and Observe), phương pháp sử dụng mơ hình mạng nơron, giảm bậc Trong phương pháp P&O có xét Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ đến yếu tố ảnh hưởng nhiệt độ, cường độ sáng Vì vậy, sau hai năm học tập nghiên cứu với định hướng thầy hướng dẫn TS Ngô Đức Minh em lựa chọn đề tài “Thiết kế nguồn điện lượng Mặt trời có tự động chọn điểm làm việc cực đại theo phương pháp P&O (Perturb and Observe)” Luận văntrình bày bao quát hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập với đầy đủ thành phần cần thiết hệ Sau Luận văntập trung nghiên cứu sâu vào nguồn điện pin mặt trời gồm pin mặt trời, DC/DC, phương pháp thuật toán điều khiển MPPT để thấy rõ đặc tính làm việc pin thay đổi tác động nhiệt độ thời tiết so sánh nguyên lý làm việc, ưu nhược điểm, khả ứng dụng thuật toán điều khiển MPPT nhằm để hệ pin mặt trời làm việc tối ưu Luận văn gồm có chương với nội dung tổng quan sau: Chương Tổng quan lượng tái tạo Chương Mạng điện khai thác lượng từ pin mặt trời Chương Bộ theo dõi điểm làm việc cực đại Chương Thiết kế hệ thống có khai thác lượng từ pin mặt trời Trong trình thực luận văn, em củng cố kiến thức học tiếp thu thêm số kiến thức kinh nghiệm pin mặt trời Trên tất em học rèn luyện phương pháp làm việc, nghiên cứu cách chủ động hơn, linh hoạt đặc biệt phương pháp làm việc theo nhóm Q trình làm Luận vănthực có ích cho em nhiều mặt Tuy nhiên luận văn không tránh khỏi thiếu sót, kính mong nhận góp ý thầy cô giáo người đọc E xin bày tỏ biết ơn chân thành tới thầy giáo TS Ngơ Đức Minh tận tình hướng dẫn tạo điều kiện để em hoàn thành luận văn Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO 1.1 Các dạng lƣợng tái tạo Năng lượng tái tạo (NLTT) hay lượng tái sinh lượng từ nguồn liên tục mà theo chuẩn mực người vô hạn Nguyên tắc việc sử dụng lượng tái sinh tách phần lượng từ quy trình diễn biến liên tục môi trường tự nhiên đưa vào sử dụng kỹ thuật cho mục đích người Các quy trình tuân theo quy luật thúc đẩy từ Mặt trời Vơ hạn có hai nghĩa: lượng tồn nhiều đến mức mà cạn kiệt (ví dụ lượng Mặt trời) NLTT tự tái tạo theo quy luật tự nhiên thời gian (vịng đời) ngắn liên tục (ví dụ lượng sinh khối, phong năng, thủy điện nhỏ từ sóng biển, thủy triều hay dịng suối…) quy trình cịn diễn tiến thời gian dài Trái đất Tình hình NLTT tồn cầu thống kê năm 2006 qua biểu đồ sau: Hình 1 Các nguồn NLTT Thế giới năm 2006 Trong đó: 770 GW Thủy điện lớn 235GWh Sinh khối nhiệt 105 GWh Mặt trời điện nhiệt 74 GW NL Gió 73 GW Thủy điện nhỏ Số hóa Trung tâm Học liệu 45 GW NL Sinh khối điện http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 39 Tỷ lít etanol/năm 33 GWh NL Địa nhiệt 0,3-0,4 GW Pin Mặt trời Các nguồn lượng hóa thạch khai thác sử dụng từ lâu dần cạn kiệt Cùng với tăng trưởng kinh tế, nhu cầu lượng cho sản xuất đời sống ngày gia tăng việc tìm kiếm cơng nghệ sử dụng NLTT thủy điện nhỏ, lượng gió, lượng Mặt trời, lượng sinh khối, lượng địa nhiệt… có ý nghĩa sống nhân loại quan tâm rộng rãi quy mơ tồn giới Trong năm cuối kỷ XX năm gần đây, Thế giới giai đoạn khủng hoảng lượng, công tác nghiên cứu, thăm dò, khai thác sử dụng NLTT nhiều quốc gia ý đạt thành tựu đáng kể Đặc điểm chung nguồn NLTT chúng có mặt khắp nơi Trái đất dạng nước, gió, ánh sáng Mặt trời, rác thải… chúng có chung đặc điểm phân tán, không liên tục Việc khai thác quy mô công nghiệp địi hỏi cơng nghệ cao vốn đầu tư lớn Trước mắt, khai thác quy mô nhỏ, cục thiết thực đem lại hiệu to lớn Tiếp theo hình thành mạng phân tán kết nối lưới – Đó mơ hình tất yếu tương lai gần Cho đến với nỗ lực vượt bậc Nhà khoa học toàn Thế giới phát triển đồng lĩnh vực khoa học, nghiên cứu tự nhiên môi trường,… nhiều dạng lượng tái tạo đưa vào khai thác sử dụng cách hiệu Ví dụ như: lượng gió, lượng Mặt trời, thủy điện nhỏ, lượng từ đại dương, dầu thực vật phế thải dùng để chạy xe, lượng từ tuyết, nguồn lượng địa nhiệt, khí Mêtan hydrate, lượng từ lên men sinh học Tuy nhiên, Việt Nam với đặc điểm điều kiện tự nhiên quan tâm đến dạng lượng điện Mặt trời, phong điện, thủy điện nhỏ, địa nhiệt thủy triều sóng biển Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 1.2 Năng lƣợng Mặt trời 1.2.1 Sự hình thành lƣợng Mặt trời Năng lượng Mặt trời thu Trái đất lượng dòng xạ điện từ xuất phát từ Mặt trời đến Trái đất Mặt trời cầu lửa khổng lồ, lịng diễn phản ứng nhiệt hạch với nhiệt độ cao lên tới hàng triệu C Trái đất tiếp tục nhận dòng lượng phản ứng hạt nhân Mặt trời cạn kiệt, ước chừng Nhà khoan học khoảng tỷ năm Như lượng Mặt trời coi vô tận so với chuẩn mực đời sống người Mặt trời liên tục xạ không gian xung quanh với mật độ cơng suất khoảng 1353 W/m2 , là nguồn gốc sống Trái đất Khi xuyên qua khí Trái đất phần lượng Mặt trời bị hấp thụ Kết tính tốn cho thấy lượng Mặt trời phân bố bề mặt Trái đất với mật độ lượng trung bình, mét vng hàng năm nhận lượng từ Mặt trời tương đương với khoảng 1,5 thùng dầu Các nghiên cứu người đem lại trực tiếp thu lấy lượng thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển lượng xạ Mặt trời (BXMT) thành điện năng, pin Mặt trời Năng lượng photon hấp thụ để làm nóng vật thể, tức chuyển thành nhiệt năng, ứng dụng cho bình đun nước Mặt trời, nhà máy nhiệt điện Mặt trời, hệ thống máy điều hòa Mặt trời, V.V Trường hợp khác, lượng photon hấp thụ chuyển hóa thành lượng liên kết hóa học phản ứng quang hóa, V.V 1.2.2 Tiềm năng lƣợng Mặt trời - Tiềm Thế giới: Tiềm lượng Mặt trời nước Thế giới lớn Tuy nhiên, phân bố không đều, mạnh vùng xích đạo khu vực khơ hạn, giảm dần phía hai địa cực Tiềm kinh tế việc sử dụng lượng Mặt trời phụ thuộc vào vị trí địa điểm Trái đất, phụ thuộc vào đặc Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ điểm khí hậu, thời tiết cụ thể vùng miền Theo số liệu thống kê xạ trung bình địa điểm Thế giới vào khoảng 2000 kWh/m2/năm Bảng 1 : Bảng tổng hợp tiềm năng lượng Mặt trời Bức xạ Mặt Khu vực Chỉ số chất lượng Cơng suất trời trung bình DNI khai thác [1000 TWh] [kWh/tháng/năm] [1000 TWh/năm] North America 11,500 2410 1,150 South America 13,500 2330 1,350 Africa/Europe/Asia 73,500 2600 7,350 Pacific 23,000 2950 2,300 Total 121,500 12,150 - Tiềm Việt Nam: Về mặt vị trí địa lý, Việt Nam hưởng nguồn NLTT vô lớn, đặc biệt lượng Mặt trời Trải dài từ vĩ độ 23 023’ Bắc đến 8027’ Bắc, Việt Nam nằm khu vực có cường độ xạ Mặt trời tương đối cao Trong đó, nhiều phải kể đến thành phố Hồ Chí Minh, tiếp đến vùng Tây Bắc (Lai Châu, Sơn La, Lào Cai) vùng Bắc Trung Bộ (Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh)… Năng lượng Mặt trời có nhiều ưu điểm như: Có tự nhiên, sạch, chi phí nhiên liệu bảo dưỡng thấp, thân thiện với người nói riêng vạn vật xung quanh… Phát triển ngành công nghiệp sản xuất lượng từ pin Mặt trời (PV) góp phần thay phần nguồn lượng hóa thạch, giảm phát khí thải nhà kính, bảo vệ mơi trường Vì thế, coi nguồn lượng quý giá, thay dần dạng lượng cũ ngày cạn kiệt Vì vậy, sử dụng lượng Mặt trời nguồn lượng chỗ tiến đến kết nối lưới có ý nghĩa lớn khoa học thực tiễn Góp phần đảm Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ bảo cho cân băng lượng bền vững Tuy nhiên, việc ứng dụng lượng Mặt trời Việt Nam chưa phát triển xứng với kỳ vọng Bảng 2: Số liệu xạ lượng Mặt trời vùng Việt Nam Đông Bắc Giờ nắng năm 1500-1700 Bức xạ kcal/cm2/năm 100-125 Khả ứng dụng Thấp Tây Bắc 1750-1900 125-150 Trung bình Bắc Trung Bộ 1700-2000 140-160 Tốt Tây Nguyên, Nam TB 2000-2600 150-175 Rất tốt Nam Bộ 2200-2500 130-150 Rất tốt Trung bình nước 1700-2500 100-175 Tốt Vùng 1.2.3 Công nghệ sử dụng lƣợng Mặt trời Bức xạ Mặt trời gửi tới Trái đất dạng sóng xạ, lượng sóng phụ thuộc bước sóng (phổ sóng), khơng phải truyền nhiệt đến Trái đất Muốn khai thác lượng Mặt trời (NLMT) phải có thiết bị hấp thụ lượng sóng xạ, từ hình thành nhiều cơng nghệ khai thác khác dựa nguyên tắc chủ yếu sau: - BXMT - điện – phụ tải điện - BXMT - nhiệt – phụ tải nhiệt - BXMT - nhiệt – điện – phụ tải điện Năng lượng Mặt trời sử dụng nhiều mục đích khác tùy theo mục đích người sử dụng Đối với ngành hệ thống điện, tập trung nghiên cứu đến khả chuyển hóa BXMT- điện năng- phụ tải điện dựa nguyên tắc hiệu ứng quang điện thiết bị pin quang điện hay thường gọi pin Mặt trời, tiếng anh Photo Voltaics (viết tắt PV ) Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 1.3 Năng lƣợng gió 1.3.1 Sự hình thành lƣợng gió Bức xạ Mặt trời chiếu xuống bề mặt Trái đất khơng đồng làm cho bầu khí quyển, nước khơng khí nóng khơng Một nửa bề mặt Trái đất (mặt ban đêm), bị che khuất không nhận xạ Mặt trời thêm vào xạ Mặt trời vùng gần xích đạo nhiều cực Do đó, hình thành chênh lệch nhiệt độ áp suất dẫn đến dịch chuyển khối khơng khí tạo thành gió Mặt khác, Trái đất tự quay tròn theo trục nghiêng 2305 so với mặt phẳng quỹ đạo Trái đất quay xung quanh Mặt trời Điều nguyên nhân hình thành quy luật thay đổi thời tiết, khí hậu theo mùa Hình 1.2 minh họa cho hình thành gió Hình Sự hình thành gió Ngồi ra, gió cịn chịu ảnh hưởng địa hình địa phương, nước đất có nhiệt dung khác nên ban ngày đất nóng lên nhanh nước, tạo nên khác biệt áp suất có gió thổi từ biển hay hồ vào đất liền Vào ban đêm đất liền nguội nhanh nước hiệu ứng xảy theo chiều ngược lại Như vậy, lượng gió động khơng khí di chuyển bầu khí Trái đất 1.3.2 Tiềm gió - Tiềm lượng gió số nước Thế giới: Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Năng lượng gió nghiên cứu triển khai với tốc độ nhanh khoảng 10 năm gần Biểu đồ hình 1.3 cho thấy tốc độ triển khai lượng gió giai đoạn 1997-2010 giới Hình Tốc độ triển khai lượng gió giai đoạn 1997-2010 giới Các turbine gió đại bắt đầu sản xuất từ năm 1979 Đan Mạch với công suất từ 200-300 kW Từ năm 2000 đến 2006 công suất turbine gió tăng nhiều lần, thơng dụng turbine từ đến MW, lớn đến MW Ngày nay, tổng cơng suất turbine gió Thế giới ước tính đạt 93.849 MW, châu Âu chiếm tới 65% Đan Mạch nước sử dụng lượng gió rộng rãi nhất, chiếm 1/5 sản lượng điện quốc gia Theo Hội Năng lượng gió Hoa Kỳ năm 2008 sản lượng điện gió chiếm 1% tổng điện Ấn Độ đứng thứ tư Thế giới lượng gió với 8.000 MW, cơng suất đặt năm 2007 chiếm 3% sản lượng điện - Tiềm năng lượng gió Việt Nam: Việt Nam nằm khu vực gần xích đạo khoảng 80 đến 230 vĩ Bắc thuộc khu vực nhiệt đới gió mùa Gió Việt Nam có hai mùa rõ rệt: Gió Đơng Bắc gió Tây Nam với tốc độ trung bình vùng ven biển từ 4,5- m/s (ở độ cao 10-12m) Tại vùng đảo xa, tốc độ gió đạt tới 6- m/s Như Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ CHƢƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÓ KHAI THÁC NĂNG LƢỢNG TỪ TẤM PIN MẶT TRỜI 4.1 Yêu cầu thiết kế Hệ thống pin mặt trời có trường ĐHKTCN: - Thơng số PV điểm làm việc cực đại: + Điện áp: 17,3V + Công suất: 85Wp - 16 mắc nối tiếp: + Điện áp điểm làm việc cực đại: 276,8V + Công suất: 1360Wp Yêu cầu: thiết kế hệ thống điều khiển nạp cho ắc quy để thực chiếu sáng 4.2 Sơ đồ khối hệ thống thiết kế Hình 4.1 Sơ đồ khối thiết kế - Tấm pin mặt trời (Photovotaic – PV): phát lượng vào thời điểm có xạ mặt trời - DC/DC (MPPT): khối biến đổi điện áp chiều điều khiển để bám điểm làm việc cực đại Khối DC/DC có nhiệm vụ giữ điện áp đầu vào giá trị điện áp điểm làm việc cực đại - DC/DC Boost: khối biến đổi điện áp chiều để thực yêu cầu nạp lượng cho ắc quy Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - Battery: Khối ắc quy có nhiệm vụ tích trữ lượng Ban ngày lượng từ pin mặt trời nạp lượng cho ắc quy, ban đêm cấp điện cho phụ tải - Đèn LED: Khối tải lựa chọn đèn LED Điện áp ắc quy 12V nên việc lựa chọn đèn LED phù hợp Việc xây dựng mơ hình đáp ứng đủ yêu cầu hệ thống điện: nguồn-truyền tải-phụ tải Do nguồn pin mặt trời nguồn chiều với đặc điểm đặc trưng biến thiên liên tục nguồn pin mặt trời nên phải sử dụng biến đổi điện áp chiều với nhiệm vụ khác Nguyên lý hoạt động sơ đồ: Năng lượng từ pin mặt trời truyền tải qua DC/DC để làm nhiệm vụ giảm áp xuống khoảng (15-17)V (là mức điện áp phù hợp để nạp cho ắc quy) Đồng thời tín hiệu dịng điện, điện áp phát từ pin mặt trời thu thập, chuyển đổi thành tín hiệu số gửi vào mạch vi xử lý trung tâm để theo dõi biến thiên điểm làm việc cực đại thời điểm Qua đó, điều khiển điện áp vào mạch DC/DC để đưa điện áp vào mạch DC/DC vận hành điểm làm việc cực đại nhờ việc thay đổi độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation) MPPT (Maximum Power Point Tracking): dị tìm điểm làm việc cực đại Mặt khác, tín hiệu từ dịng điện nạp vào ắc quy điều khiển để dòng nạp cho ắc quy không lớn vượt mức cho phép (không 10% dung lượng ắc quy) - Ắc quy: có tác dụng tích trữ lượng Giải phóng lượng để cấp điện cho bóng đèn Tín hiệu điện áp cho ắc quy cung cấp thông tin nạp ắc quy Nếu điện áp ắc quy đạt đến 12,4V ắc quy đầy 80%; 12,5V ắc quy đầy 90% đạt đến 12,7V ắc quy đầy 100% Với ắc quy chì axit, để bảo đảm thời gian nạp hiệu suất nạp khoảng thời gian tnạp= 8h tương ứng với 75÷80 % dung lượng ắc qui ta nạp với dịng điện khơng đổi In = 0,1.C10 (với C10 dung lượng ắc quy sau nạp 10h) Khi dung lượng ắc quy đạt đến 80%, ta tiếp tục giữ ổn định Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ dịng nạp ắc quy sơi làm cạn nước Do đó, đến giai đoạn ta phải chuyển sang chế độ nạp ổn áp - Ở chế độ phóng ắc quy, ắc quy chì axit nên khơng xả xuống 20% dung lượng (điện áp khoảng 11,58V) nội trở chúng gây nhiệt hư hỏng nạp lại Do vậy, để đảm bảo tuổi thọ cho ắc quy sử dụng thêm rơle điện áp Khi điện áp xuống 11,58V rơle cắt mạch liên kết ắc quy với phụ tải - Bộ hẹn bật tắt đèn: Chỉnh định thời gian đóng cắt mạch theo yêu cầu Do sử dụng vào mục đích chiếu sáng nên hẹn thực đóng mạch vào 19h tối hơm trước cắt mạch vào 4h sáng hôm sau - Rơle điện áp thấp: có tác dụng cắt mạch điện nối với tải điện áp ắc quy giảm thấp tương ứng với ắc quy xả gần hết lượng 4.3 Tính tốn thơng số thiết bị Thời gian đáp ứng phụ tải từ 19h tối hôm trước đến 4h sáng hôm sau nên thời gian sử dụng phụ tải τ=9h/ngày Phụ tải đèn LED, đèn có cơng suất 40W Điện yêu cầu đáp ứng cho phụ tải: Eng = 4.40.9 = 1440 (Wh/ngày) - Kiểm tra dung lượng dàn pin: Hiệu suất điều khiển nạp 0,9; hiệu suất ắc quy 0,95; tổn hao dây nối 0,95 Hiệu suất hệ nguồn =0,9.0,95.0,95 = 0,81 Tính lượng ngày mà dàn Pin mặt trời cần phải đáp ứng E(Wp) E(Wp) = E ng  = 1440 = 1777,8 (Wh/ngày) 0,81 Hiệu chỉnh dung lượng pin mặt trờitheo nhiệt độ môi trường: m(TC) = 0,7 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ E (Wp , T )  E (Wp ) m (T )  1777,8  2539,7 (Wp) 0,7 Thái Nguyên thuộc vùng miền núi Bắc Bộ, cường độ tổng xạ trung bình mặt nghiêng Etb khoảng 3000 Wh/m2.ngày Do đó, dung lượng đỉnh yêu cầu dàn pin mặt trời: E (Wp )  E (Wp , T ).E0 Etb  2539,7.1000  846,6 3000 (Wp) Theo thiết kế dàn pin mặt trời đặt trường ĐHKTCN, công suất đỉnh 1360Wp ứng với tổng 16 module Cơng suất có thu nhận hồn tồn hay không phụ thuộc vào nhiều yếu tố: cường độ xạ, nhiệt độ pin, nạp, thời gian sử dụng pin (suy giảm theo số năm sử dụng) Như vậy, sử dụng dàn pin mặt trời cơng suất đỉnh có khả đáp ứng so với u cầu đạt 160% Với tính tốn này, dàn pin mặt trời đủ đáp ứng cho yêu cầu phụ tải điều kiện vận hành khắc nghiệt - Tính tốn dung lượng ắc quy: Tính dung lượng tổng acquy C Trong đó: Eng D V  DOS (A.h) V = 12V điện áp trung bình ắc quy η hiệu suất ắc quy, giá trị suy giảm theo thời gian sử dụng Với ắc quy sử dụng, lấy η = 0,95 DOS độ sâu phóng điện, chọn DOS=0,8 D: Số ngày khơng có nắng Các pin mặt trời có khả phát điện mà khơng cần có ánh nắng, nhiên để dự phòng cho ngày ánh sáng yếu (mùa đông nhiều mây) làm cho xạ từ mặt trời yếu ta cho mức dự phòng 20% tức chọn D = 1,2 C 1440.1,2  189,5 Ah 12.0,95.0,8 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Do vậy, ta chọn dung lượng ắc quy 200Ah, điện áp 12V 4.4 Thiết kế mạch nạp cho ắc quy KHOI NGUON LAY TU TAM PIN MAT TROI C21 KHOI DIEU KHIEN DONG DIEN =PWM BAX2 +300V CONG TAC NGUON C19 C18 1n 0V D8 R9 L2 C3 1N5240B R10 470 Q6 VCC C2 10 11 12 R5 10k L3 U3 10uH 47n 10k 220 BAX12C-01 R29 R30 1k 0V BC169 10uH 1N5400 PC817 C9 R25 R6 4k7 R21 10 R19 10 1n +5V C1 220 C20 +12V C2 R22 E C1 OUT-AD TIP41 R4 C R2W 100 IRFP460 R2W TIP41 1k 2k2 Q4 R13 Q5 R3 330 K 100 0V 2000u 100n D10 R11 R2W LED-RED-MI C17 100n Q2 BAX3 6k8 IN-AD 1N5400 C22 R17 BAX8C-01 C8 D11 12 BAX12C-01 100n L1 11 47n R24 220 A D7 6K8 D1 C3 GSIB1580 1N5400 CON-200-VC3 10 2N3055 C3 Q1 10uH +5V 100 R16 1N5240B D6 1M R1 R5W C2 R20 10 1N5400 +12V BAX1 +300V C1 D9 R2W R2W BR2 INPUT R18 10 R5W R23 220 R5W IRFP460 R2W Q3 R12 CON-200-VC2 2A D2 100n 1N5400 C1 C2 R5W F1 C27 2200u C4 C5 D3 C10 C13 2200u 1N5400 2200u 100n R15 C14 100n 100n D14 C15 100 C16 100n R7 D13 2000u 22k R14 2k2 10k B2 J1 BT4 BT3 BT2 BT1 V B1 B3 B4 PWM2 SDO TX RX PWM1 CONN-D10 TIT RS RW E D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 A K D4 D5 D6 D7 LL G 10 11 12 13 14 15 16 G VSS VDD VEE G V VEE VEE R26 R27 2k2 G RS RW E 10 G V BT1 BT3 D4 D5 11 D6 13 D7 15 J2 G V BT2 BT4 10 RS 12 RW 14 E 16 LL GND VCC B4 B6 RD4 RD5 RD6 RD7 68712-013LF 11 13 15 GND VCC B5 B7 10 RD1 12 RD2 14 RD0 16 RD3 15 16 17 18 23 24 25 26 RD0 RD1 RD2 RD3 RD4 RD5 RD6 RD7 19 20 21 22 27 28 29 30 PWM2 PWM1 68712-013LF AN0 AN1 GND 5V GND RXD TXD SIL-100-03 22pF FREQ=20MHz 10u C7 OSC2 22pF 5V D4 RD0/PSP0 RD1/PSP1 RD2/PSP2 RD3/PSP3 RD4/PSP4 RD5/PSP5 RD6/PSP6 RD7/PSP7 PIC16F877A R2 1N5231B VPP B0 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 11 12 10 R8 4k7 RP1 GND 10k T1OUT R1IN T2OUT R2IN C11 VS+ VS- 100n C2+ VPP ICSP1 VPP VCC GND PGD PGC VPP VDD GND PGD PGC C12 D5 10u 1N4007 C1- T1IN R1OUT T2IN R2OUT C2- C24 14 13 C2 C1 VR2 U4 C1+ TIT 10 1 3/4 C23 X1 1/2 OSC1 RS232 IP- C6 OSC1 OSC2 IP+ RA0/AN0 RA1/AN1 RA2/AN2/VREF-/CVREF RA3/AN3/VREF+ RA4/T0CKI/C1OUT RA5/AN4/SS/C2OUT RC0/T1OSO/T1CKI RC1/T1OSI/CCP2 RE0/AN5/RD RC2/CCP1 RE1/AN6/WR RC3/SCK/SCL RE2/AN7/CS RC4/SDI/SDA RC5/SDO MCLR/Vpp/THV RC6/TX/CK RC7/RX/DT 13 14 U2 CON-200-VC2 ACS712ELCTR-30A-T OUTPUT VCC VIOUT FILTER GND BC169 OSC1/CLKIN OSC2/CLKOUT C2 SG3525 Q7 RB0/INT RB1 RB2 RB3/PGM RB4 RB5 RB6/PGC RB7/PGD TXD RXD +12V +5V LOA TIT VR1 33 34 35 36 37 38 PGC 39 PGD 40 C1 CON-200-VC2 C25 D15 10u C26 C2 C1 10n 1N5231B R28 100n 1k D12 MAX232 10u LED-BLUE-MI 10u AN0 AN1 U1 B0 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 OUTPUT PHAN HOI AP VA DONG DIEN KHOI VI DIEU KHIEN TRUNG TAM LT1 RX TX LCD1 KHOI DIEU KHIEN & HIEN THI LCD 16X2 V ICSP Hình 4.2 Sơ đồ trải phần tử mạch nạp - Cấu trúc mạch nạp: + Khối nguồn: lấy điện áp từ pin mặt trời (điện áp khoảng 280V), phân cực cho mạch + Khối điều khiển: điều khiển tín hiệu PWM bao gồm MBA xung có tác dụng giảm cấp điện áp + Khối vi điều khiển trung tâm: sử dụng chip vi điều khiển nhằm theo dõi điểm làm việc cực đại theo phương pháp P&O, điều khiển điện áp đầu dòng điện đầu mạch nạp + Khối hiển thị: hiển thị dòng nạp, áp nạp cho ắc quy, điện áp thực ắc quy (tương ứng với phần dung lượng ắc quy), phần điện thu từ hệ thống pin mặt trời - Sơ đồ mô mạch nạp Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 4.3 Mơ mặt bo mạch nạp Hình 4.4 Mơ mặt bên mạch nạp Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ a Bo mạch điều khiển ắc quy b Dàn pin mặt trời – bo mạch điều khiển - ắc quy - tải Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ c Hệ điều khiển thực so sánh Hình 4.5 Thực nghiệm so sánh hệ pin mặt trời có MPPT khơng có MPPT Để thực thuật tốn P&O thơng tin dịng điện, điện áp phát từ PV thu thập để cung cấp cho chip vi điều khiển Hình 4.6 Mạch vịng điều khiển MPPT Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 4.5 Chế độ làm việc ắc quy Tải ắc quy tải dung kháng, với đặc điểm sức điện động ắc quy tăng dần trình nạp, tức ta giữ điện áp không thay đổi dịng điện nạp giảm dần, làm q trình nạp điện cho ắc quy kéo dài, ta cần kiểm sốt dịng điện nạp cho ắc quy Ở chế độ nạp thông thường, cho phép nạp với dịng khơng q 10% dung lượng ắc quy giữ ổn định dịng q trình nạp Tuy nhiên dung lượng ắc quy đạt đến 80%, lúc ta tiếp tục giữ ổn định dịng nạp ắc quy sơi làm cạn dung dịch điện phân Do đến giai đoạn ta lại phải chuyển chế độ nạp ắc quy sang chế độ ổn áp Chế độ ổn áp giữ ắc quy thực đầy Khi điện áp cực ắc quy với điện áp nạp lúc dịng nạp tự động giảm 0, kết thúc trình nạp Bảng 4.1 Quan hệ dung lượng với điện áp ắc quy chì axit Dung lượng [%] Điện áp ắc quy [V] Điện áp cell 100 12,7 2,12 90 12,5 2,08 80 12,42 2,07 70 12,32 2,05 60 12,2 2,03 50 12,06 2,01 40 11,9 1,98 30 11,75 1,96 20 11,58 1,93 10 11,31 1,89 10,5 1,75 Như vậy, với việc theo dõi điện áp ắc quy ta biết dung lượng ắc quy để có tiến trình nạp ắc quy phù hợp Để thực việc chip điều khiển phải thu nhận tín hiệu điện áp ắc quy Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ cách điều khiển tín hiệu PWM để tạm thời ngắt tín hiệu mạch nạp (hở mạch đầu ắc quy) để đo điện áp 4.6 Kết thực nghiệm Ta thực nghiệm lượng thu từ hai hệ nguồn pin mặt trời dùng trường hợp: - Trường hợp mạch điều khiển không sử dụng MPPT - Trường hợp mạch điều khiển dùng thuật toán MPPT Bo mạch dùng cho trường hợp nhau, khác phương pháp điều khiển Với ắc quy dung lượng 12Ah chọn dịng nạp ước tính khơng q 3A Trường hợp 1: mạch điều khiển không sử dụng MPPT: Chỉ sử dụng tạo xung để điều khiển đóng cắt khố điện tử mạch DC/DC Phương pháp điều khiển trường hợp sau: điều khiển điện áp nạp cho ắc quy đạt giá trị (1417)V đủ để nạp Trường hợp 2: mạch điều sử dụng thuật toán MPPT theo phương pháp P&O để điều khiển Phương pháp điều khiển sau: - Khi dung lượng ắc quy 80%: điều khiển điện áp pin mặt trời điểm làm việc cực đại, điều khiển điện áp nạp cho ắc quy đạt giá trị (1417)V đủ để nạp - Khi dung lượng ắc quy 80%: điều khiển điện áp nạp cho ắc quy giữ ổn định, không điều khiển điều khiển điện áp đầu vào Khi ắc quy đầy dịng điện nạp tự động Khi thực nghiệm, để ắc quy tiếp nhận tồn lượng thời điểm khảo sát, ta cho dung lượng ắc quy 30% từ điện áp đo hai đầu cực ắc quy 11,75V Mức độ chênh lệch lượng thu so sánh có MPPT khơng có MPPT tính đơn vị thời gian: C AMPPT  AkMPPT 100% t AkMPPT Trong đó: t thời gian lấy mẫu (h) Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Bảng 4.2 Kết thực nghiệm khảo sát ngày 14/05/2014 Mạch điều khiển Năng lượng thu Khơng có MPPT Có MPPT Chênh lệch lượng thu 8h-11h 65,81 VAh 73,52 VAh 3,9% 11h-13h 48,25 VAh 52,32 VAh 2,8% 13h-16h 66,12 VAh 73,3 VAh 3,6% Thời gian khảo sát Nhận xét: mức chênh lệch lượng lớn thu trường hợp có MPPT khơng có MPPT vào buổi sáng (3,9%) nhỏ thu vào buổi trưa (2,8%) Thời điểm khảo sát ngày mùa hè với đặc điểm trời quang mây vào buổi sáng, đến trưa có nắng to tắt nắng vào khoảng 18h chiều, nhiệt độ môi trường khoảng biến thiên mạnh khoảng thời gian lấy mẫu thông số Phương pháp tính lượng thu được: thực đo dòng điện điện áp nạp cho ắc quy khoảng thời gian lấy mẫu cho trước Khi điện thu xác định theo công thức: n A   U i I i t i 1 Với n thời điểm kết thúc tính Chương trình xác định thời điểm tính cách ấn nút menu Thực nghiệm cho thấy chưa mắc pin mặt trời vào mạch đo điện áp hở mạch thấy rằng: - Điện áp hở mạch vào buổi sáng buổi chiều khoảng 20V nghĩa lượng phát tương đối Lúc khơng có biện pháp theo dõi điểm làm việc cực đại lượng thu không nhiều Năng lượng thu vào buổi chiều chênh lệch buổi sáng nhiệt độ pin mặt trời cao buổi sáng - Điện áp hở mạch đo vào buổi trưa khoảng 24V nghĩa lượng phát gần với giới hạn cực đại Lúc chênh lệch lượng có MPPT hay khơng có MPPT khơng nhiều Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Bảng 4.3 Kết thực nghiệm dòng nạp cho ắc quy khảo sát ngày 14/05/2014 Mạch điều khiển Dòng nạp trung bình cho ắc quy Khơng có MPPT Có MPPT 8h-11h 1,29 ÷ 1,56 1,44 ÷ 1,75 11h-13h 1,42 ÷ 1,72 1,53 ÷ 1,87 13h-16h 1, 92 ÷ 1,57 1,43 ÷ 1,75 Thời gian khảo sát Như vậy, dịng nạp cho ắc quy giới hạn cho phép Điều tương đối phù hợp với ngày hè có nắng dịng điện phát pin mặt trời nằm khoảng từ (hở mạch) đến 4A (ngắn mạch) Bộ MPPT phát huy tác dụng nâng cao công suất thu từ pin mặt trời So sánh với thông số pin, thấy lượng thu để nạp cho ắc quy nhỏ (khoảng (40÷50)% so với thơng số định mức pin mặt trời Nguyên nhân hao tổn thân bảng mạch điều khiển chưa theo dõi giá trị cường độ xạ, nhiệt độ thực pin mặt trời để đánh giá xác điểm làm việc cực đại KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Sau thời gian nghiên cứu, làm việc cách nghiêm túc, em hoàn thành luận văn đạt số mục tiêu đề Luận văn trình bày chi tiết hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập với cấu trúc đầy đủ từ nguồn điện pin mặt trời, thành phần lưu giữ lượng, thành phần điều khiển biến đổi bán dẫn dùng hệ Nội dung luận văn thể chi tiết nguyên lý hoạt động hệ thống, xây dựng mơ hình nguồn điện pin thực nghiệm khâu hệ Kết nghiên cứu cho thấy mơ hình PV có MPPT (sử dụng thuật tốn P&O) thu lượng tốt thực điều khiển thông thường Việc thực nghiệm thể rõ ràng phụ thuộc đặc tính làm việc pin mặt trời vào thay đổi nhiệt độ cường độ xạ ánh sáng Luận văn so sánh hai trường hợp có MPPT khơng có MPPT Do thời gian có hạn khả nhận thức hạn chế nên luận văn chưa hồn chỉnh, cịn nhiều vấn đề cịn chưa đề cập đến mạch chuyển đổi chiều thành xoay chiều, chưa nghiên cứu nhiều mạch điều khiển phóng nạp cho ắcquy thành phần quan trọng định đến tính hiệu ứng dụng tiện lợi hệ thống pin mặt trời Từ vấn đề trên, em xin đề xuất mong muốn: tiếp tục nghiên cứu, thiết kế, thử nghiệm mạch điều khiển với phương pháp nạp khác nhau, biến đổi điện áp chiều thành xoay chiều, kết nối hệ thống với lưới điện kết hợp với dạng nguồn khác có sử dụng vi điều khiển hay điều khiển lập trình tín hiệu số DSP hệ thống pin mặt trời hoàn thiện để áp dụng thực tế Em mong thầy giáo, bạn đóng góp cho em ý kiến, nhận xét quý báu để Luận vănnày hoàn thiện Qua đây, Em xin chân thành cảm ơn thầy TS Ngô Đức Minh tạo điều kiện, giúp đỡ em hoàn thành luận văn Thái Nguyên, ngày 20 tháng năm 2014 Học viên Nguyễn Thị Hồng Hạnh TÀI LIỆU THAM KHẢO Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ [1] Thân Ngọc Hoàn, Năng lượng điện mặt trời phương pháp nâng cao chất lượng hiệu suất, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải, số 18, 2009 [2] Joe-Air Jiang, Tsong-Liang Huang, Ying-Tung Hsiao, Chia-Hong Chen, Maximum power tracking for photovoltaic power system, Tamkang Journal of Science and Engineering, Vol 8, No 2, pp 147-153, 2005 [3] T.Chaitanya, Ch.Saibabu, J.Surya Kumari, Modeling and Simulation of PV Array and its Performance Enhancement Using MPPT (P&O) Technique, T.Chaitanya et al, International Journal of Computer Science & Communication Networks, Vol 1,September-October 2011 [4] Roberto Faranda, Sonia Leva, Energy comparison of MPPT techniques for PV Systems, Wseas Transactions on power systems, ISSN: 1790-5060, Issue 6, Volume 3, June 2008 [5] Weidong Xiao, William G Dunford, Patrick R Palmer, Antoine Capel, Application of Centered Differentiation and Steepest Descent to Maximum Power Point Tracking, IEEE transactions on industrial electronics, vol 54, No 5, OCTOBER 2007 [6] Mei Shan Ngan, Chee Wei Tan, Multiple Peaks Tracking Algorithm using Particle Swarm Optimization Incorporated with Artifical Neural Netwrok, World Academy of Science, Engineering and Technology, vol 58, 2011 [7] Ahmed G Abo-Khalil, Tarek Ahmed, Gradient Approximation Based Maximum Power Point Tracking for PV Grid-ConnectedSystem, IEEE PEDS 2011, Singapore, - December 2011 [8] Bhim Singh, Ambrish Chandra, Kamal-Al-Haddad, Battery Based Voltage and Frequency Controller for Parallel Operated Isolated Asynchronous Generators, IEEE International Symposium on 4-7 June 2007 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ [9] Ravinder Singh Bhatia, Dinesh Kumar Jain, Bhim Singh, Battery Energy Storage System for Power Conditioning of Renewable Energy Sources, Power Electronics and Drives Systems, International Conference IEEE 2005 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ... lựa chọn đề tài ? ?Thiết kế nguồn điện lượng Mặt trời có tự động chọn điểm làm việc cực đại theo phương pháp P&O (Perturb and Observe)? ?? Luận văntrình bày bao quát hệ thống pin mặt trời làm việc. .. thời điểm có xạ mặt trời Phương pháp khai thác điểm làm việc cực đại PV nhiều nhà khoa học đề xuất: phương pháp P&O (Perturb and Observe), phương pháp sử dụng mơ hình mạng nơron, giảm bậc Trong phương. .. quan lượng tái tạo Chương Mạng điện khai thác lượng từ pin mặt trời Chương Bộ theo dõi điểm làm việc cực đại Chương Thiết kế hệ thống có khai thác lượng từ pin mặt trời Trong trình thực luận văn,