Tối ưu công suất hệ thống pin mặt trời

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHAN THANH NHI TỐI ƯU CÔNG SUẤT HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270 Tp.

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ PHAN THANH NHI

TỐI ƯU CÔNG SUẤT HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270

Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2012

S K C0 0 3 7 1 7

Trang 2

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

MÃ NGÀNH: 605270

Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2012

Trang 3

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

MÃ NGÀNH: 605270

Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2012

Trang 4

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC

Họ & tên: Phan Thanh Nhi; Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 1979; Nơi sinh: Tiền Giang

Quê quán: Tiền Giang; Dân tộc: Kinh

Chức vụ, đơn vị công tác trước khi học tập, nghiên cứu: Giảng viên, Trường Cao Đẳng Nghề Tiền Giang, Tiền Giang

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 227 Phan Thanh Giản, Phường 2, Thành phố Mỹ Tho, Tiền Giang

Điện thoại cơ quan: 0733.851.588; Điện thoại nhà riêng: 0972.736.246 Fax: E-mail: thanhnhicdn@gmail.com

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO

1 Cao đẳng:

Hệ đào tạo: Chính quy; Thời gian đào tạo từ 10/1998 đến 03/2001 Nơi học (trường, thành phố): Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM

Ngành học: Kỹ thuật điện - điện tử

Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Thi tốt nghiệp

2 Đại học:

Hệ đào tạo: Chính quy; Thời gian đào tạo từ 08/2006 đến 08/2008 Nơi học (trường, thành phố): Đại học Công Nghệ Sài Gòn

Ngành học: Kỹ thuật điện - điện tử

Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Thiết kế và thi công mô hình bãi đậu xe

Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 07/2008 tại Đại học Công Nghệ Sài Gòn

Người hướng dẫn: Th.s Trần Quang Đạo

2 Thạc sĩ:

Trang 5

ii

Hệ đào tạo: Chính quy; Thời gian đào tạo từ 03/2010 đến 03/2012 Nơi học (trường, thành phố): Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM

Ngành học: Kỹ thuật điện tử

Tên luận văn: Tối ưu công suất hệ thống pin mặt trời

Ngày & nơi bảo vệ luận văn: Tháng 10 năm 2012 tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM

Người hướng dẫn: TS Nguyễn Thanh Phương

3 Trình độ ngoại ngữ : Tiếng Anh-mức độ:B

4 Học vị, học hàm, chức vụ kỹ thuật được chính thức cấp; số bằng, ngày & nơi cấp: Bằng Kỹ sư Điện tử, cấp tại Trường Đại Học Công Nghệ Sài Gòn

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm

03/08 – nay Trường Cao Đẳng Nghề Tiền

Giang

Giảng viên, Khoa Điện-Điện

tử

Trang 6

CHÂN THÀNH CẢM TẠ

Tác giả xin gửi lời tri ân chân thành nhất đến:

- Ban Giám Hiệu, Khoa Điện – Điện tử, các Phòng ban liên quan thuộc Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã tạo mọi điều kiện học tập

và nghiên cứu tốt nhất cho toàn thể Học viên

- Toàn thể Cán bộ giảng dạy đã truyền đạt kiến thức cũng như trang bị cho Học viên nhiều kỹ năng làm việc quý giá

- Ban Giám Hiệu, Khoa Điện-Điện tử Trường Cao Đẳng Nghề Tiền Giang đã tạo mọi điều kiện tốt nhất giúp bản thân hoàn thành khóa học

- Tiến sĩ Nguyễn Thanh Phương – nguyên Trưởng khoa Cơ - Điện - Điện tử

Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghệ Thành phố Hồ Chí Minh đã tận tâm trong quá trình truyền đạt cũng như hướng dẫn sâu rộng nhiệt tình, đầy trách nhiệm trong suốt thời gian thực thi Luận văn tốt nghiệp

- Tất cả những người thân yêu trong Gia đình, cùng những thân hữu gần xa đã động viên tinh thần, giúp đỡ về mọi mặt trong suốt hai năm học tập và nghiên cứu

- Tất cả các bạn Học viên cùng khóa đã có nhiều ý kiến đóng góp đúng lúc, kịp thời giúp Luận văn hoàn thành

Trân trọng Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 10/2012

Học viên thực hiện

Phan Thanh Nhi

Trang 7

iv

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

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 Hồ Chí Minh, ngày …tháng … năm 2012

( Ký tên và ghi rõ họ tên )

Phan Thanh Nhi

Trang 8

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn nghiên cứu một phương pháp điều khiển tốt để tối ưu công suất hệ thống quang điện, dưới điều kiện nhiệt độ và cường độ sáng thay đổi Phương pháp này sử dụng một bộ điều khiển logic mờ ứng dụng cho một thiết bị chuyển đổi DC-

DC Trình tự các bước thiết kế của bộ điều khiển mờ được trình bày cùng với các

mô phỏng của nó Kết quả mô phỏng thu được của bộ điều khiển mờ được so sánh với bộ điều khiển quan sát nhiễu loạn (P&O) Kết quả cho thấy bộ điều khiển mờ làm việc với hiệu suất cao và chắc chắn

Thi công hệ thống Solar Tracking hướng tới các ứng dụng cho những tấm pano pin cố định có thể xoay theo hướng mặt trời, nhằm giảm thiểu góc tới giữa tia nắng

và pháp tuyến của tấm pin Điều này làm tăng khả năng chuyển đổi quang – điện so với tấm pin đặt cố định

Một hệ tracking 2 trục được thực hiện bởi 2 động cơ bước kiểu lưỡng cực thông qua cơ cấu truyền lực trục vít, bánh răng Tín hiệu điều khiển được thực hiện bởi vi điều khiển AVR Atmelga16L nhằm xử lý các dữ liệu điện áp được gửi từ các cảm biến ánh sáng (LDR) và từ tấm pin

Kết quả cho thấy công suất đạt được tối ưu hơn so với các tấm pano pin năng lượng mặt trời đặt cố định

Tác giả Phan Thanh Nhi

Trang 9

The construction of solar tracking systems aims at the application of solar panels in the direction of the sun in order to decrease the angle between the light ray and the normal of solar panel It increases the ability of photo-electric transformation of tracking solar system in comparison with that of static solar panel

The two-axes solar tracking system was operated by the two bipolar step motor with the mechanism of transfer force of screws and begel gears

The control signals were done by the micro processor of AVR Atmelga16L to analyze the voltage levels obtained by light dependent resistors (LDR) and solar cell panels

The results showed that the achieved performance is higher than that of the normal solar panel

Author Phan Thanh Nhi

Trang 10

MỤC LỤC

Quyết định giao đề tài

Lý lịch khoa học i

Lời cảm tạ iii

Lời cam đoan iv

Tóm tắt v

Abstract vi

Mục lục vii

Danh sách các hình xi

Danh sách các bảng xvi

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Các thuật toán 3

1.2.1 Phương pháp P&O 4

1.2.2 Phương pháp INCond : 4

1.3 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu: 6

1.4 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài 6

Trang 11

viii

1.4.1.Nhiệm vụ của đề tài 6

1.4.2.Giới hạn đề tài 6

1.5.Dự kiến kết quả đạt được 7

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1.Tình hình năng lượng mặt trời: 8

2.1.1.Tình hình chung: 8

2.1.2 Ứng dụng năng lượng mặt trời ở Việt nam: 8

2.2.Năng lượng mặt trời : 10

2.2.1 Phổ Của Mặt Trời : 10

2.2.2 Định nghĩa tỷ số AM : 13

2.2.3 Hiệu suất của vật liệu quang điện: 14

2.3.Pin quang điện PV: 15

2.3.1 Sơ đồ mạch đơn giản của pin PV: 16

2.3.2 Sơ đồ mạch PV khi có tính đến các tổn hao: 17

2.3.3 Array PV và các ảnh hưởng tác động: 19

2.4 Điểm làm việc có công suất cực đại (MPP) và điều khiển MPPT 24

2.4.1 Điểm làm việc có công suất cực đại (MPP) 24

2.4.2 Các thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT) 26

2.4.2.1 Thuật toán quan sát và nhiễu loạn P&O 26

2.4.2.2 Thuật toán độ dẫn (Incremental Conductance): 29

Trang 12

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG XOAY THEO HƯỚNG MẶT TRỜI

3.1.Giới thiệu và sơ đồ khối 31

3.2 Hệ thống cơ khí 32

3.3 Hệ solar tracking 34

3.3.1 Thiết kế bộ cảm biến ánh sáng 34

3.3.2 Điều khiển động cơ 36

3.3.3 Mạch điều khiển trung tâm 37

3.4 Giải thuật và chương trình điều khiển 38

3.4.1 Giải thuật chương trình 39

3.4.2 Chương trình điều khiển 39

CHƯƠNG 4 SỬ DỤNG LOGIC MỜ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT 4.1 Thuật toán logic mờ 40

4.1.1 Phương pháp điều khiển 40

4.1.2 Giải thuật: 41

4.1.3 Biến mờ……… 42

4.3 4 Qui tắc điều khiển mờ……… 46

4.4 4.1.5 Giải mờ……… 49

4.2 Mô hình hóa và kết quả mô phỏng các thành phần của hệ thống: 50

4.2.1 Pin qunag điện:……… 50

Trang 13

x

4.2.2 Bộ chuyển đổi DC – DC:……… 54

4.2.2.1 Bộ chuyển đổi buck:……… 54

4.2.2.2 Bộ chuyển đổi Boost:……… 55

4.2.2.3 Bộ chuyển đổi Buck Boost 56

4.2.3 Mô hình hóa bộ điều khiển MPPT: 58

4.2.3.1 Phương pháp P&O: 58

4.2.3.2 Phương pháp FLC: 61

4.2.3.3 So sánh phương pháp P&O và FLC: 64

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 5.1 Khảo sát chuyển động và hoạt động tracking 70

5.1.1 Chế độ hoạt động bằng tay (manual) 70

5.1.2 Đo điện áp tấm pin với vị trí khác nhau 70

5.1.3 Chế độ tự động (automatic) 73

5.2 Nạp điện từ solar cell 75

5.2.1 Nạp điện từ tấm pin cố định (chưa tracking) 76

5.2.2 Nạp điện từ tấm pin có tracking 79

5.2.3 Phân tích kết quả 79

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ PHÁT TRIỂN 6.1 Kết luận 81

Trang 14

6.2 Hạn chế 81

6.3 Hướng phát triển 82

TÀI LIỆU THAM KHẢO 83

PHỤ LỤC 85

Trang 15

xii

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Đặc tính pin PV 2

Hình 1.2 Sơ đồ khối của bộ điều khiển MPPT 3

Hình 1 Hình 1.1 11 1 Lưu đồ giải thuật P&O 4

Hình 1.2 Lưu đồ giải thuật cho phương pháp IncCond 5

Hình 2.1 Phổ của vật thể đen 11

Hình 2.2 Phổ của mặt trời ngoài khí quyển 12

Hình 2.3 Tỷ số AM 13

Hình 2 4 Phổ của mặt trời theo AM khác nhau 14

Hình 2.5 Phổ năng lượng mặt trời có ích và hao phí 15

Hình 2.6 Nguyên lý hoạt động pin quang điện 16

Hình 2.7 Sơ đồ mạch đơn giản của pin PV 16

Hình 2.8 Dòng điện ngắn mạch và điện áp hở mạch của pin quang điện 16

Hình 2 9 Mô hình pin PV thực tế 17

Hình 2 10 P-V ảnh hưởng bởi Rs 17

Hình 2 11 P-V ảnh hưởng bởi cả Rs và Rp 17

Hình 2 12 Module PV 18

Hình 2 13 Đường đặc tính của Module PV 18

Hình 2.14 Nối nối tiếp nhiều module PV để tăng điện áp 19

Trang 16

xiii

Hình 2.15 Nối song song nhiều module PV để tăng dòng điện 19

Hình 2.16 Kết nối hỗn hợp để tăng áp và dòng 20

Hình 2.17 Đặc tính PV phụ thuộc cường độ sáng và nhiệt độ 20

Hình 2.18 Hiện tượng một pin PV bị bóng râm 21

Hình 2.19 Đặc tính PV khi một pin bị bóng râm 21

Hình 2.20 Đặc tính PV khi nhiều pin bị bóng râm 22

Hình 2 21 Bảo vệ pin PV khi bị bóng râm 22

Hình 2 22 Đặc tính PV khi không có và có diode bypass bảo vệ 23

Hình 2 23 Một Array PV dùng sạc cho bộ ắc qui 65 V, khi không có và có Diode bypass bảo vệ 23

Hình 2.24 Những điểm công suất cực đại theo chiếu độ 24

Hình 2.25 Điểm làm việc phụ thuộc vào thông số của R 25

Hình 2.26 Điểm MPP của PV 25

Hình 2.27 Các điểm làm việc của tải thuần trở 26

Hình 2.28 Lưu đồ thuật toán P&O 27

Hình 2.29 Khi chiếu độ thay đổi điểm MPP sẽ sai theo thuật toán P&O 28

Hình 2.30 Đặc tính PV 29

Hình 2.31 Lưu đồ giải thuật cho phương pháp IncCond 30

Hình 3.1 Sơ đồ khối Hệ pin mặt trời tự xoay (solar tracking system) 32

Hình 3.2 Động cơ 2 32

Trang 17

xiv

Hình 3.3 Động cơ 1 33

Hình 3.4 Hệ thống cơ khí hoàn chỉnh 33

Hình 3.5 Quang trở 34

Hình 3.6 Vị trí cảm biến khi hướng ánh sáng thay đổi 34

Hình 3.7 Mạch quang trở 35

Hình 3.8 Bộ cảm biến hoàn chỉnh 35

Hình 3.9 Động cơ hỗn hơpf 36

Hình 3.10 Mạch điều khiển động cơ transistor 36

Hình 3.11 Mạch hệ tracking hoàn chỉnh 37

Hình 3.12 Lưu đồ giải thuật điều khiển động cơ 39

Hình 4 1 Sơ đồ khối của bộ MPPT 40

Hình 4 2 Sơ đồ khối của bộ FLC 41

Hình 4 3 Lưu đồ giải thuật thuật toán FLC 42

Hình 4 4 Mô tả các giá trị ngôn ngữ của sai số ngõ vào E, thay đổi của sai số CE và ngõ ra tỷ số độ rộng xung D bằng các tập mờ 43

Hình 4 5 Hoạt động của luật điều khiển mờ 49

Hình 4 6 Sơ đồ hệ thống FLC 50

Hình 4.7 Mạch điện tương của PV 51

Hình 4.8 Đặc tính của PV 52

Hình 4.9 Đặc tính của PV khi cường độ bức xạ thay đổi 53

Trang 18

xv

Hình 4.10 Bộ chuyển đổi Buck trong simulik 54

Hình 4.111 Điện áp và dòng điện ngõ ra bộ chuyển đổi Buck 55

Hình 4.1212 Bộ chuyển đổi Boost trong simulik 55

Hình 4.133 Kết quả mô phỏng bộ chuyển đổi Boost 56

Hình 4.14 Bộ chuyển đổi Buck Boost trong simulik 56

Hình 4.15 Kết quả mô phỏng bô chuyển đổi Buck Boost 57

Hình 4.146 Mô hình bộ MPPT dùng phương pháp P&O trong simulink 58

Hình 4 17 Cường độ bức xạ của năng lượng mặt trời 58

Hình 4.18 Dòng điện, điện áp và và công suất của PV 59

Hình 4.19 Đáp ứng điện áp, dòng điện và công suất theo phương pháp PO 60

Hình 4.20 Mô hình bộ MPPT dùng phương pháp FLC trong simulink 61

Hình 4.22 Đáp ứng điện áp,dòng điện và công suất theo phương pháp FLC 63 Hình 4.23 Mô hình bộ MPPT dùng phương pháp P&O và FLC trong simulink 64

Hình 4.24 Cường độ bức xạ của năng lượng mặt trời 64

Hình 4.26 Đáp ứng dòng điện 66

Hình 4 27 Đáp ứng điện áp 67

Hình 4.28 Đáp ứng công suất 68

Trang 19

xvi

Hình 5.1 Biến trở chỉnh chế độ bằng tay 70

Hình 5.2 Mạch đo điện áp pin 70

Hình 5.3 Đồ thị dòng điện, điện áp khi xoay trục 1 71

Hình 5.4 Đồ thị dòng điện, điện áp khi xoay trục 1 72

Hình 5.5 Nút nhấn chọn chế độ tự động 73

Hình 5.6 Bốn cảm biến 74

Hình 5.7 Vị trí tấm pin lúc 9h00 74

Hình 5.10 Mạch nạp cho accu từ solar cell 76

Hình 5.11 Đo dòng điện, điện áp 77

Trang 20

xvii

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 2 1 Tiềm năng năng lượng mặt trời khu vực phía Nam 9

Bảng 2 2 Lượng tổng bức xạ mặt trời trung bình ngày của các tháng trong năm ở một số địa phương Việt Nam 9

Bảng 4.1 Bảng chọn tỷ số D của FLC 47

Bảng 5.1 Dòng điện, điện áp khi xoay trục 1 71

Bảng 5.2 Dòng điện, điện áp khi xoay trục 2 72

Bảng 5.3 Độ nhạy của tấm pin 73

Bảng 5.4 Cường độ dòng điện và điện thế nạp vào accu từ tấm pin khi đo ngày 17/08/2012 77

Bảng 5.5 Cường độ dòng và điện thế nạp vào accu từ tấm pin khi đo ngày 20/08/2012 78

Bảng 5.6 Cường độ dòng và điện thế nạp vào accu từ tấm pin khi đo ngày 23/08/2012 79

Trang 21

Luận văn thạc sĩ Chương 1: Tổng quan

GVHD:T.S Nguyễn Thanh Phương 1 HVTH: Phan Thanh Nhi

đó đã thỏa mãn được nhu cầu năng lượng của con người và đưa nền văn minh của nhân loại tiến một bước dài như ngày nay

Tuy nhiên, các nguồn năng lượng hóa thạch là có hạn, con người khai thác đến một lúc nào đó sẽ hết, hơn nữa khi khai thác và sử dụng các nguồn nhiên liệu hóa thạch, thủy điện và điện nguyên tử… đã để lại cho loài người những hậu quả về tác động môi trường là vô cùng lớn lao Một trong những hậu quả đó là khi sử dụng các nguồn nhiên liệu này đã thải ra môi trường các loại khí độc làm ô nhiễm bầu khí quyển bao quanh Trái Đất, mà hậu quả tai hại của hiện tượng này đã làm thay đổi khí hậu, tác động xấu đối với cuộc sống hiện nay và tương lai của loài người

Hiện nay, nhu cầu về năng lượng ngày càng tăng, trong khi các nguồn nhiên liệu hóa thạch như than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên và ngay cả thủy điện là có hạn khiến nhân loại đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng trong tương lai không xa

Do đó, vấn đề tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng mới như năng lượng hạt nhân, năng lượng địa nhiệt, năng lượng gió và năng lượng mặt trời

Định dạng
Số trang	22
Dung lượng	6,59 MB