NGHIÊN cứu THIẾT kế CHIẾU SÁNG đèn LED sử DỤNG NGUỒN PIN mặt TRỜI độc lập

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - BÙI THỊ THU HƯỜNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHIẾU SÁNG ĐÈN LED SỬ DỤNG NGUỒN PIN MẶT TRỜI ĐỘC LẬP Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT ĐIỆN HƯỚNG THIẾT BỊ ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS NGUYỄN THẾ CÔNG Hà Nội – Năm 2014 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực cơng trình nghiên cứu tôi, chưa công bố cơng trình khác Hà Nội, ngày tháng năm 2014 Tác giả luận văn Bùi Thị Thu Hường MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT TT Ký hiệu, chữ Ý nghĩa viết tắt MPPT Xác định điểm công suất cực đại AC/DC Biến đổi từ xoay chiều sang chiều DC/DC Biến đổi từ chiều thành chiều DC/AC Biến đổi từ chiều sang xoay chiều D Diot C Tụ điện T Van bán dẫn L Cuộn cảm R Tải đầu 10 d Tỉ lệ mở van 11 N1 Số vòng dây cuộn sơ cấp 12 N2 Số vòng dây cuộn thứ cấp 13 P Công suất 14 H Hiệu suất 15 Fsw Tần số chuyển mạch 16 UV, Vin 17 Dmax Độ mở lớn van 18 Eng Năng lượng tích cuộn cảm 19 Ipk Dịng điện đỉnh 20 Điện áp đầu vào Giá trị dao động dòng điện 21 J Mật độ dòng điện 22 Irms Dòng điện hiệu dụng 23 VOC Điện áp hở mạch Ghi 24 ISC Dòng điện ngắn mạch 25 t Thời gian 26 q Điện tích điện tử 27 G Bức xạ mặt trời 28 Rs, Rp 29 I-V Đặc tính dịng điện, điện áp 30 P- V Đặc tính cơng suất, điện áp Điện trở nội song song nối tiếp pin mặt trời DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Với việc trái đất ngày nóng lên việc nhiên liệu hóa thạch trở nên khan thời gian gần dẫn đến ý vào việc sử dụng nguồn lượng tái tạo Các nguồn lượng tái tạo trở thành thay tối ưu cho nguồn lượng hóa thạch truyền thống Các nghiên cứu hệ thống lượng mặt trời ngày nhiều nguồn lượng sẵn có chỗ xem nguồn lượng tái tạo chủ yếu cho tương lai Việc ứng dụng lượng pin mặt trời vào thực tế sản xuất sinh hoạt ngày mở rộng Sử dụng hệ thống pin mặt trời độc lập cho thấy tính tiện dụng làm gánh nặng cho lưới điện quốc gia cho hệ thống đèn tín hiệu giao thơng, đèn đường Bên cạnh đó, việc sử dụng đèn Led thay cho loại đèn truyền thống xu hướng tính tiện dụng, cơng suất tiêu thụ nhỏ đảm bảo tính thẩm mỹ cho môi trường xung quanh Ý nghĩa khoa học thực tiễn Việc nghiên cứu “điều khiển thông minh hệ thống chiếu sáng đèn Led sử dụng lượng mặt trời” giúp cho việc sử dụng lượng mặt trời cách hiệu quả, nâng cao tính ổn định, tin cậy vận hành hệ thống chiếu sáng Mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu - Mục đích đề tài: Nghiên cứu điều khiển thông minh hệ thống chiếu sáng đèn Led sử dụng lượng mặt trời - Đối tượng phạm vi nghiên cứu đề tài: + Tìm hiểu chi tiết nguyên lý hoạt động, xây dựng thuật toán điều khiển tối ưu cho hệ thống chiếu sáng + Mơ hình hóa mơ hệ thống phần mềm Matlab + Đưa kết luận, đề xuất hướng phát triển Cấu trúc luận văn Luận văn bao gồm chương: Chương 1: Tổng quan lượng mặt trời chiếu sáng đèn Led Chương 2: Nghiên cứu biến đổi DC/DC Chương 3: Nghiên cứu điều khiển thông minh hệ thống chiếu sáng đèn Led sử dụng pin mặt trời dùng biến đổi DC/DC Chương 4: Mô hình hóa mơ hệ thống Chương 5: Kết luận hướng phát triển đề tài Luận văn mang ý nghĩa thực tiễn cao hi vọng tài liệu hữu ích cho sinh viên, kỹ sư quan tâm đến vấn đề Mặc dù có nhiều cố gắng trình độ cịn hạn chế nên luận văn khơng tránh khỏi thiếu sót, mong góp ý để luận văn hồn thiện Tôi xin chân thành cảm ơn thầy TS Nguyễn Thế Công, thầy cô môn Thiết bị điện - Điện tử trường Đại học Bách khoa Hà Nội đồng nghiệp giúp đỡ tơi hồn thành luận văn Chương TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ CHIẾU SÁNG BẰNG ĐÈN LED 1.1 Khái quát lượng mặt trời [10] Hiện nguồn lượng phổ biến thủy điện, nhiệt điện ngày cạn kiệt, việc sản xuất điện nhà máy thủy điện, nhiệt điện gây ô nhiễm môi trường thay đổi môi trường sinh thái Cùng với phát triển kinh tế xã hội, nhu cầu điện ngày tăng, người cần phải tìm nguồn lượng để đáp ứng nhu cầu Năng lượng mặt trời giải pháp thay Với ưu điểm nguồn lượng sạch, lâu dài, tái tạo thân thiện với môi trường Mặt Trời nguồn lượng lớn mà người tận dụng được: sạch, mạnh mẽ, dồi dào, đáng tin cậy, gần vơ tận, có khắp nơi dù hay nhiều Việc thu giữ lượng Mặt Trời gần khơng có ảnh hưởng tiêu cực đến mơi trường Việc sử dụng khơng thải khí nước độc hại, khơng góp phần vào vấn đề ô nhiễm môi trường hiệu ứng nhà kính Mặt Trời khối cầu có đường kính khống 1,4 triệu km với thành phần gồm khí có nhiệt độ cao Nhiệt độ bên Mặt Trời đạt đến gần 15 triệu độ, với áp suất gấp 70 tỷ lần áp suất khí Trái Đất Đây điều kiện lý tưởng cho phản ứng phân hạch nguyên tử hydro Bức xạ gamma từ phản ứng phân hạch này, trình truyền từ tâm Mặt Trời ngoài, tương tác với nguyên tố khác bên Mặt Trời chuyển thành xạ có mức lượng thấp hơn, chủ yếu ánh sáng phần nhiệt phổ lượng Bức xạ điện từ này, với phổ lượng trải dài từ tia cực tím đến hồng ngoại, phát không gian hướng khác Quá trình xạ Mặt Trời diễn từ tỷ năm nay, tiếp tục vài tỷ năm Mỗi giây, Mặt Trời phát khối lượng khổng lồ vào Thái Dương Hệ, nhiên phần nhỏ tổng lượng xạ đến Trái Đất Tuy nhiên, phần lượng xem lớn, vào khoảng 1.367 MW/m ngoại tầng khí Trái Đất Một phần lớn xạ Mặt Trời phản xạ lại không gian bề mặt đám mây Còn lại 99% xạ Mặt Trời chiếu xuống bề mặt Trái Đất chuyển thành nhiệt sau tỏa nhiệt lại khơng gian Chỉ cần phần nhỏ lượng Mặt Trời sử dụng đáp ứng nhu cầu lượng giới Việc chuyển hóa lượng mặt trời thực thông qua pin quang điện hay gọi pin Mặt Trời Các pin Mặt Trời chuyển đổi trực tiếp ánh sáng thành điện năng, thường thấy máy tính cầm tay hay đồng hồ đeo tay Chúng làm từ vật liệu bán dẫn tương tự chíp điện tử máy tính Một ánh sáng Mặt Trời hấp thụ vật liệu này, lượng Mặt Trời đánh bật hạt điện tích (electron) lượng thấp nguyên tử vật liệu bán dẫn, cho phép hạt tích điện di chuyển vật liệu tạo thành điện Quá trình chuyển đổi photon thành điện gọi hiệu ứng quang điện Cho dù phát từ 200 năm trước, kỹ thuật quang điện phát triển rộng rãi ứng dụng dân kể từ khủng hoảng dầu mỏ vào năm 1973 Các pin Mặt Trời thông thường lắp thành module khoảng 40 phiến pin, 10 module lắp gộp lại thành chuỗi Quang điện dài vài mét Các chuỗi Pin Mặt Trời dạng phẳng lắp góc cố định hướng phía Nam, lắp hệ thống hiệu chỉnh hướng nắng để bắt nắng theo thay đổi quĩ đạo nắng Mặt Trời Qui mô hệ thống quang điện từ mức 10-20 chuỗi quang điện cho ứng dụng dân sự, hệ thống lớn bao gồm hàng trăm chuỗi quang điện kết nối với để cung cấp cho sở sản xuất điện hay ứng dụng công nghiệp Một số dạng pin Mặt Trời thiết kế để vận hành điều kiện ánh sáng Mặt Trời hội tụ Các Pin Mặt Trời lắp đặt thành collector tập trung ánh sáng Mặt Trời sử dụng lăng kính hội tụ ánh sáng Phương pháp có mặt thuật lợi bất lợi so với mạng Pin Mặt Trời dạng phẳng (flat-plate PV) Thuận lợi điểm sử dụng vật liệu Pin Mặt Trời bán dẫn đắt tiền hấp tối đa ánh sáng Mặt Trời Mặt bất lợi lăng kính hội tụ phải hướng thẳng đến Mặt Trời, việc sử dụng hệ hấp thụ tập trung khai triển khu vực có nắng nhiều nhất, đa số địi hỏi việc sử dụng thiết bị hiệu chỉnh hướng nắng tối tân, kỹ thuật cao Hiệu Pin Mặt Trời phụ thuộc trực tiếp vào hiệu suất chuyển đổi ánh sáng thành điện phiến pin Mặt Trời Chỉ có ánh sáng Mặt Trời với mức lượng định chuyển đổi cách hiệu thành điện năng, chưa kể đến phần lớn lượng ánh sáng bị phản chiếu lại hấp thụ vật liệu cấu thành phiến pin Do đó, hiệu suất tiêu biểu cho loại pin Mặt Trời thương mại tương đối thấp, khoảng 15% (tương đương với 1/6 xạ Mặt Trời chiếu đến pin chuyển thành điện) Hiệu suất thấp dẫn đến việc đòi hỏi tăng diện tích lắp đặt để đạt cơng suất đưa ra, tức tăng giá thành sản xuất Do đó, mục tiêu hành đầu ngành công nghiệp điện mặt trời tăng hiệu Pin giảm giá thành đơn vị phiến pin Mỹ, Áo, Tây Ban Nha, Nhật Bản Pháp quốc gia dẫn đầu khai thác nhiệt Mặt Trời, lượng điện tạo thông qua hệ thống tập trung ánh sáng có cơng suất lắp đặt lên đến hàng trăm MW Chỉ riêng vào năm 1995, Cộng Đồng Châu Âu có 6,5 triệu m2 diện tích lắp đặt gương tập trung ánh sáng Mặt Trời với tốc độ phát triển 15% năm trước Việt Nam có xạ Mặt Trời vào loại cao giới, với số nắng dao động từ 1.600-2.600 giờ/năm, đặc biệt khu vực phía Nam Việt Nam có 100 trạm quan trắc toàn quốc để theo dõi liệu lượng mặt trời Tính trung bình tồn quốc xạ Mặt Trời dao động từ 3,8-5,2 kWh/m 2/ngày Tiềm điện Mặt Trời tốt vùng từ Thừa Thiên Huế trở vào miền Nam (bức xạ dao động từ 4,0-5,9 kWh/m2/ngày) Cho đến nay, Việt Nam lắp đặt 1000 kW hệ thống Pin mặt trời Hầu hết hệ quang điện lắp đặt có cơng suất tương đối nhỏ, từ 50-1000 Wp Các ứng dụng chủ yếu lượng mặt trời gồm hai lĩnh vực: lượng mặt trời biến đổi thành điện nhờ tế bào quang điện bán dẫn gọi pin mặt trời sử dụng lượng mặt trời dạng điện – dùng thiết bị thu xạ nhiệt mặt trời tích dạng nhiệt 1.2 Pin mặt trời[2] Hệ thống pin mặt trời sử dụng nhằm mục đích sản xuất điện trực tiếp từ lượng mặt trời thông qua pin mặt trời tế bào quang điện Pin mặt trời có ưu điểm gọn nhẹ lắp đâu có ánh sáng mặt trời, đặc biệt lĩnh vực tàu vũ trụ Ứng dụng lượng mặt trời dạng phát triển với tốc độ nhanh, nước phát triển Ngày người ứng dụng pin mặt trời lĩnh vực hàng không vũ trụ, để chạy xe sinh hoạt thay dần nguồn lượng truyền thống Pin mặt trời làm việc theo nguyên lý biến đổi trực tiếp lượng xạ mặt trời thành điện nhờ hiệu ứng quang điện 10 Sạc Bulk dòng điện Sạc chậm Sạc đầy g.hạn dòng dòng ổn định điện áp ổn định Ngưỡng dòng điện Thời gian điện áp điện áp sạc Bulk/đầy điện áp Float Ngưỡng điện áp Float Ngưỡng điện áp sạc lại thời gian sạc đầy tối đa 3h (2-6h) Thời gian thời gian sạc tối đa 8h Hình Các giai đoạn sạc acquy Sơ đồ mô hệ thống sạc pin Simulink đưa hình 4.8 Đáp ứng thuật tốn MPPT với cơng suất dàn pin mơ hình 4.9 Ngồi đáp ứng cịn so sánh cơng suất đầu vào cơng suất đầu (hình 4.10 4.11) Theo đó, ta cho ánh sáng thay đổi từ 500 đến 1000 sau giây ghi lại giá trị sau giây biến đổi 50 Hình Sơ đồ thuật tốn mơ hệ thống Simulink Hình Đáp ứng thuật tốn theo cơng suất dàn pin mặt trời 51 Hình 10 Đáp ứng cơng suất sau giây Hình 11 Đáp ứng điện áp sau giây Đáp ứng hệ thống bật, tắt tự động đèn Led Cấu trúc tồn hệ thống hình 4.12 52 Hình 12 Cấu trúc hệ thống Simulink Việc bật, tắt đèn Led tự động hệ thống vận hành dựa vai trò cảm biến LDR Ta mô tác dụng cảm biến ánh sáng LDR cho việc thắp đèn Cụ thể, điện áp ngưỡng VL LDR lớn điện áp ngưỡng (tương đương với trời tối) đèn nối với acquy, lúc acquy cung cấp điện áp cho đèn sáng (hình 4.13) Kết mơ lấy thời gian tác động sau giây, điện áp đèn tương đương điện áp acquy (giả thiết ban đầu acquy sạc đầy) Ngược lại, trời sáng acquy ngắt kết nối tới đèn Led (hình 4.14), điện áp đặt vào đèn từ 14V trở 53 Hình 13 Đáp ứng đèn Led cảm biến ánh sáng tác động (đèn sáng trời tối) Hình 14 Đáp ứng đèn Led cảm biến ánh sáng tác động (tắt đèn trời sáng) 4.2.3 Kết luận Dựa kết mơ ta nhận thấy hệ thống chiếu sáng đèn Led dùng nguồn pin mặt trời độc lập sử dụng biến đổi Sepic với thông số tính tốn theo u cầu định trước đáp ứng yêu cầu cung cấp lượng 54 cho acquy mặt điện áp công suất Bên cạnh đó, với việc sử dụng cảm biến ánh sáng LDR giúp hệ thống vận hành tự động, bật đèn trời tối sạc acquy trời sáng Dựa vào giá trị LDR thị cho hệ thống biết trời sáng hay tối acquy sạc lượng từ pin mặt trời hay nối tới tải cấp điện cho đèn Led Theo đó, đèn Led tắt, bật tương ứng 55 Chương KẾT LUẬN 5.1 Kết luận chung Việc sử dụng nguồn lượng mang ý nghĩa quan trọng thời đại ngày mà nguồn lượng hóa thạch cạn kiệt dần Trong lượng mặt trời nguồn lượng dồi dễ sử dụng Việc phát triển hệ thống lượng mặt trời giải nhiều vấn đề lượng cho người thời đại ngày tương lai Với tiến cơng nghệ giá thành pin mặt trời ngày giảm hiệu suất, tuổi thọ pin ngày nâng cao Bên cạnh đó, việc sử dụng đèn Led thay loại đèn truyền thống góp phần tiết kiệm điện mà đảm bảo yêu cầu kỹ thuật Do vấn đề thay thế, lắp đặt hệ thống đèn đường đèn Led dùng pin mặt trời lựa chọn tất yếu đảm bảo tính kinh tế, mỹ thuật kỹ thuật Luận văn giải quyết: - Đưa cấu trúc thông dụng lựa chọn cấu trúc phù hợp với yêu cầu thực tế (chương 2) - Từ cấu trúc lựa chọn, tính tốn thông số cần thiết cho mạch lực xây dựng phương án điều khiển cho hệ thống Cụ thể, với hai cảm biến: cảm biến LDR cảm biến âm đèn Led điều khiển đóng ngắt nguồn cấp acquy Ngược lại, acquy nhận lượng từ pin mặt trời cách hiệu thông qua điều khiển PWM Acquy đáp ứng tín hiệu từ LDR trạng thái sạc đèn Led đáp ứng tín hiệu từ LDR cảm biến âm Dựa vào giá trị mà LDR nhận được, acquy xả sạc đèn Led bật tắt tương ứng Acquy sạc lại điện áp thấp mức điện áp ngưỡng Cảm biến âm làm cho đèn Led tiết kiệm lượng vận hành cách hiệu thông qua cấu cảm biến giao thơng Khi khơng có xe cộ, đèn Led mờ có xe qua lại đèn sáng 56 - Mô hệ thống Qua chương luận văn, thấy việc sử dụng đèn Led lượng mặt trời chiếu sáng đèn đường nói riêng nơi cơng cộng nói chung giải pháp thực tiễn: tiết kiệm chi phí, thân thiện với mơi trường Do đó, giải pháp triển khai phổ biến tương lai 5.2 Hướng phát triển đề tài Do giới hạn thời gian nhận thức nên luận văn giới hạn phạm vi nghiên cứu mô hệ thống Để đưa vào sử dụng thực tế, cần phải giải thêm vấn đề: - Nghiên cứu, nâng cao hiệu suất pin mặt trời, hạ giá thành pin mặt trời - Nghiên cứu, nâng cao hiệu suất biến đổi điều khiển sạc pin mặt trời - Nghiên cứu ảnh hưởng góc nghiêng đặt giàn pin lên hiệu suất pin mặt trời Từ vấn đề trên, thấy để hệ thống vận hành cách hiệu sớm mở rộng thực tế nhiều vấn đề cần giải Qua đưa lượng mặt trời vào sử dụng cách hiệu quả, góp phần làm giảm vấn đề mơi trường lượng 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Văn Thịnh, Tính Tốn Thiết Kế Thiết Bị Điều Khiển, NXB Giáo Dục Việt Nam [2] Hoàng Dương Hùng – Năng lượng mặt trời-Lý thuyết ứng dụng [3] AN-1484 Designing a SEPIC converter – Aplication Report – Texas Instruments [4] Robert Kollman & John Betten – Designing a solar - cell – driven LED outdoor Lighting system – 2010 Texas Instrument Power Supply Design Senimar – SEM 1900, Topic [5] BRAC University – Solar Powered Traffic Sensitive Automated Led Street Lighting System [6] Ma Hao – Universita Delgi Studi Di Padova – The solar Led street light [7] Abdul Ghafar Bin Mat Husin – Solar Street light using Led lighting [8] Telkomnika Indonesian journal of Electrical Engineering – Simulink Based multi variable solar panel modelling [9] http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_street_light [10] http://dhsptn.edu.vn/ [11] http://pcphuyen.cpc.vn/?show=group&groupid=7&catid=10&contentid=676 58 ... dạng pin Mặt Trời thiết kế để vận hành điều kiện ánh sáng Mặt Trời hội tụ Các Pin Mặt Trời lắp đặt thành collector tập trung ánh sáng Mặt Trời sử dụng lăng kính hội tụ ánh sáng Phương pháp có mặt. .. quang điện bán dẫn gọi pin mặt trời sử dụng lượng mặt trời dạng điện – dùng thiết bị thu xạ nhiệt mặt trời tích dạng nhiệt 1.2 Pin mặt trời[ 2] Hệ thống pin mặt trời sử dụng nhằm mục đích sản... điện độc lập Hệ thống pin mặt trời Bộ biến đổi DC/DC Hệ thống acquy Bộ biến đổi DC/AC Tải 13 Hình Sơ đồ hệ thống quang điện độc lập 1.4 Sử dụng đèn Led chiếu sáng lượng mặt trời 1.4.1 Sử dụng đèn