Thiết kế bộ sạc acquy sử dụng năng lượng mặt trời ứng dụng thuật toán bám công suất cực đại

Trang 1

Mục lục

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ SẠC ACQUY SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI .2

1.1 Pin mặt trời 2

1.1.1 Giới thiệu chung 2

1.1.2 Nguyên lý hoạt động 2

1.1.3 Các điều kiện ảnh hưởng đến pin mặt trời 2

1.1.4 Ứng dụng của pin mặt trời 4

1.2 Hệ thống pin mặt trời 4

1.3 Acquy và các phương pháp nạp acquy 5

1.3.1 Phương pháp nạp acquy 5

1.3.2 Các chế độ sạc 5

1.4 Bài toán thiết kế 6

CHƯƠNG 2: THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN BÁM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI (MPPT) 8

2.1 Phương pháp MPPT 8

2.2 Thuật toán MPPT 8

2.2.1 Thuật toán điều khiển tỉ lệ điện áp hở mạch 9

2.2.2 Thuật toán nhiễu loạn và quan sát 9

2.2.3 Phương pháp điện dẫn gia tăng 10

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC 11

3.1 Phân tích yêu cầu thiết kế 11

3.2 Lựa chọn cấu trúc mạch và nguyên lý làm việc 11

3.3 Tính toán và chọn các tham số cơ bản 13

Trang 2

Mục lục

3.3.1 Tính toán tụ lọc đầu ra 13

3.3.2 Tính toán điện trởRESR 14

3.3.3 Tính toán điện trở 14

3.3.4 Tính toán cuộn cảm 15

3.3.5 Lựa chọn thiết bị đóng cắt 15

CHƯƠNG 4: THUẬT TOÁN GHÉP NỐI 17

CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG 20

KẾT LUẬN 24

TÀI LIỆU THAM KHẢO 25

Trang 3

Lời nói đầu

1

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay do nguồn năng lượng điện truyền thống ngày càng cạn kiệt vì vậy việc tìm kiếm một nguồn năng lượng sạch như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, sóng biển…mới thay thế là rất cần thiết, trong đó năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng

rẻ, vô tận cho nên rất được quan tâm nghiên cứu và là nguồn năng lượng của tương lai Cho nên mục tiêu của đồ án là thiết kế bộ sạc acquy sử dụng năng lượng mặt trời ứng dụng thuật toán bám công suất cực đại Thuật toán bám công suất cực đại sẽ giúp tận dụng được tối đa nguồn năng lượng mặt trời Bộ sạc bao gồm cả biến đổi DC-DC để điều khiển quá trình sạc qua các chế độ

Toàn bộ công việc của đồ án được thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy giáo Nguyễn Duy Đỉnh và được báo cáo trong 5 chương

Chương 1 Tổng quan về bộ sạc acquy sử dụng năng lượng mặt trời

Chương 2 Thuật toán điều khiển bám công suất cực đại

Chương 3 Bộ biến đổi DC-DC

Chương 4 Thuật toán ghép nối

Chương 5 Mô phỏng

Do thời gian có hạn cũng như những hạn chế về kiến thức và điều kiện thực nghiệm, đồ án chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót Vì thế, nhóm chúng em kính mong nhận được những lời nhận xét, đánh giá và góp ý của các thầy cô để chúng em khắc phục

và cải tiến các vấn đề còn tồn tại của đồ án

Em xin trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, ngày 30 tháng 12 năm 2013

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Mạnh Tuấn

Trang 4

Chương 1: Giới thiệu chung về sạc acquy sử dụng năng lượng mặt trời

2

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ SẠC ACQUY SỬ DỤNG

NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

1.1 Pin mặt trời

1.1.1 Giới thiệu chung

Tấm pin năng lượng mặt trời là một sản phẩm công nghệ cao được phát triển để tận dụng nguồn năng lượng mặt trời tạo ra điện năng có thể sử dụng trong dân dụng và công nghiệp Một tế bào quang điện (cell), tấm pin năng lượng mặt trời (solar cells panel), hay pin quang điện (PV) là hệ thống các tấm vật liệu đặc biệt có khả năng chuyển đổi quang năng của ánh sáng mặt trời thành điện năng Pin mặt trời được cấu tạo bằng các tế bào quang điện (cells) đơn tinh thể (monocrystalline) và đa tinh thể (polycrystalline) có hiệu suất cao (15% - 18%), công suất từ 25Wp đến 175Wp và có tuổi thọ trung bình 30 năm

1.1.2 Nguyên lý hoạt động

Pin năng lượng mặt trời (pin mặt trời/pin quang điện) là thiết bị giúp chuyển hóa trực tiếp năng lượng ánh sáng mặt trời (quang năng) thành năng lượng điện (điện năng) dựa trên hiệu ứng quang điện

Ánh sáng mặt trời gồm các hạt photon khi chiếu xuống tấm pin năng lượng mặt trời sẽ truyền năng lượng của chúng tới các electoroon rời rạc làm cho chúng bật ra khỏi nguyên tử và tạo thành các lỗ trống và electoron tự do, trong tấm pin năng lượng mặt trời

2 lớp bán dẫn silicon loại n ( bán dẫn âm-Nagative) và loại p ( bán dẫn dương-Positive) đặt cạnh nhau electron dẫn chính của loại n sẽ nhảy qua để lấp đầy những khoảng trống của loại p Điều này có nghĩa là silicon loại n tích điện dương và silicon loại p được tích điện âm, tạo ra một điện trường trên pin mặt trời

1.1.3 Các điều kiện ảnh hưởng đến pin mặt trời

Yếu tố thời tiết có tác động rất lớn đến pin mặt trời, trong đó nhiệt độ và cường độ chiếu sáng có ảnh hưởng lớn nhất Nó ảnh hưởng rất lớn đến đường đặc tính của pin mặt trời Kết quả là sẽ thay đổi điểm pin mặt trời có công suất cực đại (MPP)

Ảnh hưởng cường độ chiếu sáng tới đường đặc tính điên áp – dòng điện và điện áp công suất sẽ được thể hiện trên hình 1.1:

Trang 5

3

Hình 1.1 Đường đặc tính V-I khi cường độ bức xạ thay đổi từ 200 – 1000 W[12] Dựa vào đường đặc tính ta có thể dễ dang nhận thấy cường độ chiếu sáng càng cao công suất pin càng lớn

Ảnh hưởng của nhiệt độ chiếu tới đường đặc tính điên áp – dòng điện và điện áp công suất sẽ được thể hiện trên hình 1.2:

Hình 1.2 Đường đặc tính P-I (a) và P-V (b) khi

nhiệt độ thay đổi 0 – 1000C [12]

Trang 6

4

1.1.4 Ứng dụng của pin mặt trời

- Ứng dụng của pin mặt trời rất phổ biến ứng dụng rộng rãi trong đời sống hằng ngày cũng như trong công nghiệp tích hợp nguồn cho các thiết bị di động, đồng

hồ, robot,một số thiết bị dân dụng… tạo cho các thiết bị có tính hiệu quả ứng dụng và kinh tế cao, tiết kiệm năng lượng

- Nguồn điện di động bộ sạc năng lượng mặt trời, ứng dụng cung cấp điện cho các hộ gia đình và đặc biệt có ứng dụng rất cao ở ngoài khơi vùng biển đảo, các vùng núi cao khó kéo lưới điện quốc gia và có cường độ chiếu sáng cao

- Đặc biệt ứng dụng lớn hơn là ứng dụng trong nhà máy năng lượng mặt trời có thể hòa vào lưới điện quốc gia cung cấp điện cho mọi miền tổ quốc

Trang 7

5

1.3 Acquy và các phương pháp nạp acquy

Acquy là loại bình điện hóa học dùng để tích trữ năng lượng và làm nguồn điện cung cấp cho các thiết bị điện Các tính năng cơ bản của acqui:

- Sức điện động lớn, ít thay đổi khi phóng, nạp điện

- Sự tự phóng điện bé

- Năng lượng điện nạp vào bao giờ cũng bé hơn năng lượng điện mà acquy phóng

ra

- Điện trở trong của acquy nhỏ

Tuổi thọ của acquy phụ thuộc rất nhiều vào quá trình phóng và nạp của acquy Nếu không được phóng và nạp đúng cách acquy có thể sẽ bị hỏng rất nhanh.Một số yếu tố ảnh hưởng đến tuổi thọ của acquy trong quá trình sạc như là: dòng điện và điện áp sạc tối đa, thời gian sạc

Cần có một bộ điều khiển quá trình sạc acquy để tránh giảm tuổi thọ của acquy

Giai đoạn thứ hai (absorbtion charge) điện áp được giữ không đổi và dòng điện được tăng từ từ khi nội trở acquy tăng trong quá trình nạp Trong suốt giai đoạn này điện

áp ra của bộ nguồn nạp là cực đại là 24V

Giai đoạn thứ ba (float charge) Sau khi acquy được nạp no điện áp nạp được giảm xuống để giảm sự sinh khí và tăng tuổi thọ acquy, điện áp có thể tạo ra bằng kỹ thuật

“điều chế độ rộng xung”

Trang 8

6

Hình 1.4 Các chế độ sạc acquy[14]

1.4 Bài toán thiết kế

Thiết kế bộ sạc acquy từ năng lượng mặt trời thông qua một bộ biến đổi DC-DC

- Đầu vào: Pin mặt trời điện áp tại MPPT 20V

- Đầu ra: 2 acquy LEAD-ACID 12V mắc nối tiếp

- Công suất: 80W

Trang 9

7 Cấu trúc của bộ sạc acquy được sử dụng như trong hình 1.5

Hình 1.5: Cấu trúc bộ sạc acquy

Trang 10

Chương 2: Thuật toán điều khiển bám công suất cực đại (MPPT)

mở khoá điện tử dùng trong bộ DC/DC

Khi nối trực tiếp pin mặt trời với tải thì điểm làm việc của hệ thống chính là đường giao nhau của đường đặc tính tải và đường đặc tính của pin

Hình 2.1 Hệ thống pin mặt trời được mắc trực tiếp với điện trở

Hình 2.2 Đường đặc tính làm việc của pin và tải thuần trở có giá trị điện trở thay đổi

được. [15]

Điểm làm việc để có công suất lớn nhất điểm MPP Như vậy tải phải phù hợp để pin có thể làm việc ở đúng điểm đó Điều này là rất khó Vậy cần thuật toán để điều chỉnh điện trở vào pin cho phù hợp để pin làm việc điểm cực đại

2.2 Thuật toán MPPT

Thuật toán điển hình thường được sử dụng có thế bám công suất cực đại là :

- Thuật toán điều khiển tỉ lệ điện áp hở mạch (Open Circuit Voltage method)

Trang 11

9

- Thuật toán điện dẫn gia tăng (Incremental Conductance method)

- Thuật toán nhiễu loạn và quan sát (Perturb and Observe method)

2.2.1 Thuật toán điều khiển tỉ lệ điện áp hở mạch

Thuật toán này được thực hiện như sau: điện áp tại điểm công suất cực đại VMPP tỉ

lệ với điện áp hở mạch VOC theo phương trình dưới đây:

VMPP=k.VOC Với giá trị k là một hàm logarith của cường độ chiếu sáng, giá trị này thường khoảng từ 0.7 đến 0.8

Ưu điểm: chi phí thực hiện thấp, thuật toán đơn giản và dễ thực hiện

Nhược điểm: không hoạt động chính xác tại điểm công suất cực đại

2.2.2 Thuật toán nhiễu loạn và quan sát

Đây là một phương pháp đơn giản và được sử dụng thông dụng nhất nhờ sự đơn giản trong thuật toán và việc thực hiện dễ dàng Thuật toán này xét sự tăng, giảm điện áp theo chu kỳ để tìm được điểm làm việc có công suất cực đại Nếu sự biến thiên của điện

áp làmcông suất tăng lên thì sự biến thiên tiếp theo sẽ giữ nguyên chiều hướng tăng hoặc giảm Ngược lại, nếu sự biến thiên làm công suất giảm xuống thì sự biến thiên tiếp theo sẽ

có chiều hướng thay đổi ngược lại Khi điểm làm việc có công suất lớn nhất được xác định trênđường cong đặc tính thì sự biến thiên điện áp sẽ dao động xung quanh điểm làm việc có công suất lớn nhất (điểm MPP)

Hình 2.3 Lưu đồ thuật toán nhiễu loạn và quan sát

Trang 12

10

* Ưu điểm: dễ sử dụng thuật toán đơn giản

* Nhược điểm: khó ứng dụng trong điều kiện thời tiết thay đổi liên tục

2.2.3 Phương pháp điện dẫn gia tăng

Phương pháp này cơ bản dựa trên đặc điểm là: độ dốc của đường đặc tính pin bằng

0 tạiđiểm MPPT, độ dốc này là dương khi ở bên trái điểm MPP, là âm khi ở bên phải điểm MPP

Hình 2.4 Lưu đồ thuật toán sử dụng phương pháp gia tăng điện dẫn

* Ưu điểm:

* Nhược điểm:

Trang 13

Chương 3: Bộ biến đổi DC-DC

11

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC

3.1 Phân tích yêu cầu thiết kế

- Thông số đầu vào : Vin 20V, tần số đóng cắt fsw 100kHz

- Thông số đầu ra: Vout 24V, Pout 100W, độ dao động của dòng điện trên cuộn cảm  IL 10%IL

Các bước thực hiện như sau:

- Tìm hiểu cấu trúc và nguyên lý làm việc

- Tính toán các phần tử mạch lực và mô hình hóa tính toán bộ điều khiển:

 Tính toán các thông số của các phần tử

 Mô hình hóa và tổng hợp bộ điều khiển

3.2 Lựa chọn cấu trúc mạch và nguyên lý làm việc

Có nhiều bộ biến đổi tăng áp như boost converter, full bridge, flyback nhưng trong

đó bộ biến đổi boost converter có cấu trúc mạch đơn giản hơn cả, kích thước nhỏ gọn, hiệu suất cao hơn bộ biến đổi có sử dụng biến áp Từ những ưu điểm điểm trên và yêu cầu bài toán đặt ra cấu hình boost converter được chọn

Hình 3.1 Mô hình của bộ biến đổi tăng áp

Cấu trúc mạch gồm có điện áp đầu vào Vg với chiều quy định như hình vẽ, cuộn kháng L, van S thực hiện đóng cắt, tụ lọc C, trong thực tế ngoài thành phần chính là tụ C còn có điện trở nối tiếp tương đương RESR, tải trở R, điện áp đầu ra được lấy ở hai đầu tụ v(t), dòng điện qua cuộn cảm iL(t) và tụ điện iC(t) có chiều dương theo chiều mũi tên Do tần số chuyển mạch cao fsw 100kHznên khóa S có thể là các van như MOSFET Q1 và diode D

Xét một chu kỳ Ts: trong khoảng thời gian 0 t DTs, MOSFET Q1 ở trạng thái

on Sơ đồ mạch trong giai đoạn này được biểu diễn như hình 3.3 a Khi đó iL(t) sẽ chảy qua MOSFETQ tạo thành một mạch khép kín, còn i1 C(t) chảy qua điện trở R và tụ C, như vậy trong trường hợp này không có dòng điện chảy qua diode D

Trang 14

Hình 3.2 Sơ đồ mạch thay thế a) khi MOSFET Q1đóng, b) khi MOSFET Q1cắt Trong khoảng thời gian DTs  t Ts, MOSFET Q ở trạng thái off, D ở trạng thái 1

on như hình 3.3 b Do tại thời điểm MOSFET Q1 đóng, dòng qua cuộn cảm có giá trị khác

0 và được biểu diễn dưới một hàm liên tục trên miền thời gian do đó chúng ta có thể xem cuộn cảm hoạt động như 1 nguồn dòng và chính nó đã làm cho D dẫn Khi đó dòng điện qua MOSFET Q1 và điện áp trên đầu D coi như bằng 0

I-V/R

Hình 3.3 a) Dạng sóng điện áp trên cuộn cảm, b) Dạng sóng dòng điện trên tụ điện Quá trình trên được lặp lại đối với những chu kì tiếp theo

Trang 15

13

Do thời gian chuyển mạch ngắn nên các đại lượng biến thiên theo thời gian v (t) , gv(t) nên ta có thể xấp xỉ tuyến tính v (t)g Vgvà v(t)V Do vậy tổng hợp cả chu kỳ chuyển mạch, điện áp trên cuộn cảm được tính bằng:

gVV

D '

 (3.6)

3.3 Tính toán và chọn các tham số cơ bản

3.3.1 Tính toán tụ lọc đầu ra

Hình 3.4 Dạng sóng điện áp đầu ra [1] Trong khoảng thời gian 0 t DTs độ dốc của dạng sóng điện áp trên tụ là:

dv (t) i (t) V

dt  C  RC (3.7) còn trong khoảng DTs t Ts độ dốc của dạng sóng điện áp trên tụ:

dv (t) i (t) I V

dt  C  C RC (3.8) Như vậy trong giai đoạn thứ nhất sự thay đổi điện áp trong tụ điện được tính:

Trang 16

3.3.2 Tính toán điện trởRESR

Sau khi tính toán được tụ C, dựa vào datasheet ta có thể xác định được RESR

Hình 3.5 Mối quan hệ giữa RESRvà RESR0 [6]

Trang 17

g s L

   (3.18)

Trang 18

16

Như vậy ta phải chọn MOSFET chịu được dòng 5A và điện áp trên 24V

Xét các tiêu chí trên ta chọn MOSFET IRF540N có thể chịu được dòng tối đa là 110A, điện áp tối đa là 55V và điên trở trong nhỏ RDS(on) 8m

- Diode: tần số đóng cắt được chọn là 100kHz là lớn đối với diode bình thường nên ta phải chọn diode có thể đóng cắt với tần số lớn Dòng cực đại qua diode

là 3.3A Vậy diode Schottky chịu dòng 5A được chọn

Trang 19

Chương 4: Thuật toán ghép nối

17

CHƯƠNG 4: THUẬT TOÁN GHÉP NỐI

Thời gian cập nhật MPPT bị hạn chế bởi nhiều yếu tố (nhiệt độ,cường độ ánh sáng…) Điều quan trọng là tốc độ cập nhật của khối DC-DC, cần phải nhanh hơn so với tốc độ cập nhật MPPT R ràng, điều này rất quan trọng vì giữa MPPT cập nhật, các vòng lặp của khối DC-DC phải có đủ thời gian để có thể điều chỉnh điện áp đạt giá trị mới Tần số cập nhật MPPT từ 40Hz-100Hz sẽ đảm bảo các yêu cầu thiết kế

Dòng sạc acquy nhỏ nhất (Ibatmin) :C/100

Dòng sạc ác quy lớn nhất (Ibatmax) :C/10

Dòng Itricker (Itricker) 0.2A

Điện áp nhỏ nhất của acquy (Vbatmin) 25.4V

Điện áp lớn nhất của acquy (Vbatmax) : 28.8V

Trang 20

18 Hình 4.1 Lưu đồ thuật toán ghép nối

Trang 21

19

Giải thích lưu đồ thuật toán :

Nếu dòng acquy hiện tại lớn hơn dòng max (Ibat>Ibatmax) của acquy hiện tại lúc

đó Up =0 để giảm dòng điện sạc acquy

Nếu điện áp của acquy lớn hơn điện áp max của acquy(Vbat>Vbatmax và Ibat<Ibatmax) trong trạng thái quá áp, lúc đó dòng sạc acquy sẽ giảm đi Thuật toán này thực hiện để giảm dòng sạc acuy từ C/10 xuống C/100 khi đó thì acquy sẽ đầy 100% Nếu dòng sạc acquy đo về nhỏ hơn dòng min của acquy thì lúc đó đặt dòng max của acquy là

Khi công suất không đủ ta cắt acquy ra và thay vào đó là 1 tải trở để thực hiện thuật toán tìm điểm công suất cực đại Khi kiểm tra đủ công suất yêu cầu cấp để sạc acquy ta hệ thống sẽ ghép nối trở lại với tải acquy để tiếp tục quá trình sạc

Định dạng
Số trang	27
Dung lượng	1,28 MB