Thiết kế nguồn phát pin mặt trời cấp điện cho chiếu sáng tại nhà chờ xe buýt Thiết kế nguồn phát pin mặt trời cấp điện cho chiếu sáng tại nhà chờ xe buýt Thiết kế nguồn phát pin mặt trời cấp điện cho chiếu sáng tại nhà chờ xe buýt
Trường đại học công nghiệp Hà Nội MỤC LỤC Đ án t ốt nghi ệp Trường đại học công nghiệp Hà Nội MỤC LỤC HÌNH MỤC LỤC BẢNG Đ án t ốt nghi ệp Trường đại học công nghiệp Hà Nội Đ án t ốt nghi ệp LỜI MỞ ĐẦU Lời đầu tiên, chúng em xin chân thành cảm ơn đến Thầy Nguyễn Văn Đoài tận tình hường dẫn giúp đỡ chúng em suốt trình thực đồ án Chúng em xin gửi lời cảm ơn đến tồn thể thầy khoa Điện tận tình giảng dạy, bảo, truyền đạt nguồn kiên thức sâu rộng kinh nghiệm quý báu cho chúng em suốt trình học tập trường Xin cảm ơn đến tất bạn bè, người giúp đỡ suốt thời gian học tập thực đồ án Và cuối chúng em xin cảm ơn đến gia đình giúp đỡ, ủng hộ tạo điều kiện cho chúng em thực hoàn thành đồ án Mặc dù cố gắng nỗ lực hết mình, khả năng, kiến thức thời gian có hạn nên khơng thể tránh sai sót lúc thực đồ án, chúng em kính mong thầy quý dẫn để chúng em hồn thiện kiên thức để tự tin bước vào sống với vốn kiến thức học Nhóm sinh viên thực Trần Văn Triều Mạc Đức Quảng Đỗ Văn Tám Ngơ Hồng Thắng GVHD: Th s.Nguyễn Văn Đồi Trang Trường đại học công nghiệp Hà Nội Đ án t ốt nghi ệp NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN GVHD: Th s.Nguyễn Văn Đồi Trang Trường đại học cơng nghiệp Hà Nội Chương 1: 1.1 Đ án t ốt nghi ệp PIN MẶT TRỜI VÀ ỨNG DỤNG Mở đầu Năng lượng mặt trời nguồn lượng vô hạn nguồn lượng mà biết Bức xạ mặt trời sức nóng, ánh sáng dạng chùm tia mặt trời phát trình tự đốt cháy Bức xạ mặt trời chứa đựng nguồn lượng khổng lồ nguồn gốc trình tự nhiên trái đất Năng lượng mặt trời dù việc khai thác hiệu nguồn lượng câu chuyện dài Năng lượng mặt trời chia làm loại bản: Nhiệt Quang Các tế bào quang điện (Photovoltaic cells - PV) sử dụng công nghệ bán dẫn để chuyển hóa trực tiếp lượng quang học thành dòng điện, tích trữ vào pin, ắc quy để sử dụng sau Các tế bào quang điện hay gọi pin mặt trời sử dụng rộng rãi chúng dễ chuyển đổi dễ dàng lắp đặt tòa nhà cấu trúc khác Pin mặt trời cung cấp nguồn lượng tái tạo, nguồn bổ sung cho nguồn cung cấp điện Tại vùng chưa có điện lưới cộng đồng dân cư xa, nông thôn, hải đảo, trường hợp khẩn cấp, pin mặt trời cung cấp nguồn điện đáng tin cậy Điều bất cập giá thành Pin mặt trời đến cao tỷ lệ chuyển đổi lượng chưa thật cao (13-15%) Trái lại sức nóng mặt trời có hiệu suất chuyển đổi lớn gấp 4-5 lần hiệu suất quang điện đơn giá đơn vị lượng tạo rẻ nhiều Nhiệt sử dụng để sưởi nóng tòa nhà cách thụ động thơng quan việc sử dụng số vật liệu thiết kế kiến trúc sử dụng trực tiếp để đun nóng nước phục vụ cho sinh hoạt Ở nhiều khu vực khác giới thiết bị đun nước nóng dùng lượng mặt trời (bình nước nóng lượng mặt trời) bổ sung quan trọng hay lựa thay cho thiết bị cung cấp nước nóng thơng thường dùng điện gaz GVHD: Th s.Nguyễn Văn Đoài Trang Trường đại học công nghiệp Hà Nội 1.2 Đ án t ốt nghi ệp Giới thiệu pin lượng mặt trời 1.2.1 Pin lượng mặt trời gì? Làm tạo điện Pin mặt trời (solar cell) cấu tạo chất bán dẫn (semiconductor), thông thường Silicon (Si) Trước tiên lớp bán dẫn làm nhiễm thừa điện tích dương (gọi p-conducting semiconductor layer) có thưa lỗ làm nhiễm thiếu điện tích dương (gọi n-conducting semiconductor layer) có thừa electron Nếu ta kẹp lớp p có dư điện tích dương có thừa lỗ với lớp n bị thiếu điện tích dương có nhiều electron rõ ràng electron lớp n chực chờ muốn nhảy sang lớp p để chiếm lỗ Electron từ lớp n di chuyển đến gần lớp tiếp giáp n-p function để nhảy sang lớp p Biên giới bị thăng điện tích nên phản ứng lại cách tạo điện trường dọc theo nó, đẩy electron sang tận mép bên lớp n đẩy lỗ sang tận mép bên lớp p Ngăn cách xảy Các electron từ lớp n khơng qua lỗ bên lớp p Bây ta bắt cầu nối dây dẫn từ lớp n sang lớp p để electron từ lớp n nhảy sang lớp p? Chúng yếu để di chuyển Dưới xạ ánh nắng mặt trời, photon chạm vào lớp silicon mang lượng đến cho chúng: photon cung cấp lượng để electron thoát khỏi nhân tạo thành electron di chuyển tự do, từ mặt lớp n, chúng theo dây dẫn chạy sang lớp p bên để gặp lỗ, tạo thành dòng điện Và ánh nắng mặt trời mang photon đến trình lại xảy ra, tạo dòng điện liên tục để ta sử dụng Hình 1.1: Cấu tạo bên lớp pin lượng mặt trời GVHD: Th s.Nguyễn Văn Đoài Trang Trường đại học công nghiệp Hà Nội Đ án t ốt nghi ệp 1.2.2 Cấu tạo pin mặt trời Hiện nguyên liệu chủ yếu cho pin mặt trời silic tinh thể Pin mặt trời từ tinh thể silic chia thành loại: Hình 1.2: Hình ảnh tế bào quang điện • Đơn tinh thể module sản xuất dựa trình Crochralski Đơn tinh thể loại có hiệu suất lên tới 16% Chúng thường đắt tiền cắt từ thỏi hình ống, đơn thể có mặt trống góc nối module • Đa tinh thể làm từ thỏi đúc – đúc từ silic nung chảy cẩn thận làm nguội làm rắn Các pin thường rẻ pin đơn tinh thể, nhiên hiệu suất Nhưng chúng tạo thành vuông che phủ bề mặt nhiều loại đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp • Dãy silic tạo từ phim mỏng từ silic nóng chảy có cấu trúc đa tinh thể Loại thường có hiệu suất thấp nhất, nhiên rẻ loại không cần phải cắt từ thỏi silicon Một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả biến đổi trực tiếp lượng xạ lượng mặt trời nhờ hiệu ứng quang điện bên gọi pin mặt trời Pin mặt trời sản xuất ứng dụng phổ biến pin mặt trời chế tạo từ vật liệu tinh thể bán dẫn Silicon (Si) có hóa trị Tinh thể Si tinh khiết, để có vật liệu tinh thể bán dẫn Si loại n, người ta pha tạp chất donor photpho có hóa trị Còn vật liệu tinh thể bán dẫn loại p tạp chất acceptor dùng để pha vào Si Bo có hóa trị Đối với Pin mặt trời từ tinh thể Si, xạ mặt trời chiếu đến hiệu điện hở mạch GVHD: Th s.Nguyễn Văn Đoài Trang Trường đại học công nghiệp Hà Nội Đ án t ốt nghi ệp cực khoảng 0.55V dòng ngắn mạch xạ mặt trời có cường độ 1000W/m2 vào khoảng 25-30mA/cm2 Hiện người ta chế tạo Pin mặt trời Si vơ định hình (a-Si) So với Pin mặt trời tinh thể Si Pin mặt trời a-Si giá thành rẻ hiệu suất thấp ổn định Công nghệ chế tạo Pin mặt trời gồm nhiều cơng đoạn khác nhau, ví dụ để chế tạo Pin mặt trời từ Si đa tinh thể cần qua cơng đoạn hình 1.3 cuối ta module Hình 1.3: Quá trình tạo Module GVHD: Th s.Nguyễn Văn Đoài Trang Trường đại học công nghiệp Hà Nội Đ án t ốt nghi ệp Hình 1.4: Cấu tạo Module 1.2.3 Tấm pin mặt trời Hình 1.5: Tấm pin mặt trời Các pin mặt trời ghép từ cell pin có công suất khác nhau, phổ biến 3w; 6w, 10w, 15w, 30w, 50w, 80w, 100w, 150w, 200w có tới 300w Điện áp 12V; 24V; 48V hay 60V chiều Tùy vào nhu cầu sử dụng ghép song song nối tiếp pin với tạo thành hệ thống pin có cơng suất điện áp theo nhu cầu người sử dụng 1.2.4 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời Pin mặt trời làm việc theo nguyên lý biến đổi trực tiếp lượng xạ mặt trời thành điện nhờ biến đổi quang điện GVHD: Th s.Nguyễn Văn Đồi Trang Trường đại học cơng nghiệp Hà Nội Đ án t ốt nghi ệp Hiệu ứng quang điện: Hiệu ứng quang điện phát vào năm 1839 nhà vật lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel Tuy nhiên năm 1883 pin lượng tạo thành, Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối Thiết bị có hiệu suất 1%, Russell Ohl xem người tạo pin lượng mặt trời năm 1946 Sau Sven Ason Berglund có phương pháp liên quan tới việc tăng khả cảm nhận ánh sáng pin Xét hệ mức lượng điện tử (hình 1.6) E < E2, bình thường điện tử chiếm mức lượng thấp E1 Khi nhận xạ mặt trời, lượng tử ánh sáng photon có lượng hv (trong h số Planck,v tần số ánh sáng) bị điện tử hấp thụ chuyển lên mức lượng E2 Ta có phương trình cân lượng: Hv = E2 – E1 Hình 1.6: Hệ mức lượng Trong vật thể rắn, tương tác rất, mạnh mạng tinh thể lên điện tử vòng ngồi, nên mức lượng bị tách nhiều mức lượng sát tạo thành vùng lượng (hình 1.7) Vùng lượng thấp bị điện tử chiếm đầy trạng thái cân gọi vùng hóa trị, mà mặt mức lượng Ev Vùng lượng phía tiếp hồn tồn trống bị chiếm phần gọi vùng dẫn, mặt vùng có lượng Ec Cách ly hai vùng hóa trị vùng dẫn vùng cấp có độ rộng với lượng Eg, khơng có mức lượng cho phép điện tử Khi nhận xạ mặt trời, photon có lượng hv tới hệ thống bị điện tử vùng có hóa trị thấp hấp thu trở thành điện tử tự e -, để lại vùng hóa trị lỗ GVHD: Th s.Nguyễn Văn Đoài Trang 10 Chương MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 4.1 Bộ biến đổi DC-DC kiểu boost Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời có nối lưới sử dụng biến đổi nguồn áp không cách ly Bộ biến đổi điện tử cơng suất gồm hai khâu khâu biến đổi DC/DC tăng áp khâu biến đổi DC-AC Trong khâu biến đổi DC-DC có nhiệm vụ điều khiển PMT làm việc điểm công suất cực đại tạo điện áp đầu VDC cao điện áp đầu vào Vpv Khâu biến đổi DC-AC đảm nhiệm vai trò biến đổi nguồn điện chiều thành xoay chiều nối lưới đồng thời trao đổi công suất hệ Pin mặt trời lưới 4.2 Cấu trúc DC-DC Hình 4.1 Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời nối lưới sử dụng biến đổi nguồn áp khơng cách ly Hình 4.2 Bộ biến đổi DC- DC tăng áp Quan hệ điện áp điện áp vào biến đổi cho ìï ïï D = t x ïï Ts í ïï Vout = ïï M ( D ) = V pv 1- D ïïỵ 11\* MERGEFORMAT () Với Ts chu kỳ đóng cắt tx thời gian đóng van Q1 Dòng điện DC-DC Iout có quan hệ với dòng điện từ PMT (IL) theo I out = (1- D).I L 22\* MERGEFORMAT () Từ ta có quan hệ3, rõ ràng muốn thay đổi giá trị điện áp Pin mặt trời nhằm thực thuật tốn bám cơng suất cực đại ta thay đổi hệ số điều chế D V pv = (1- D )Vout 33\* MERGEFORMAT () 4.3 Cấu trúc điều khiển DC-DC Cấu trúc điều khiển DC-DC cho hình 4.3 Thuật tốn bám cơng suất cực đại cho giá trị D, đầu vào khối PWM nhằm tạo xung điều khiển DCDC Hình 4.3 Cấu trúc điều khiển DC/DC Boost 4.4 Mơ phần mềm Matlab&Simulink Hình 4.4 Sơ đồ mô DC-DC tăng áp Sơ đồ mô biến đổi DC-DC cho Với tham số mô sau: Đánh giá kết quả: Sau mơ phần mềm Matlab&Simulink phù hợp với lý thuyết đưa Các điện áp đến thời điểm 0.09s ổn định Dòng PV Công suất đến thời điểm 0.09s chạy ổn định KẾT LUẬN Trên chúng em trình bày tất sở lỳ thuyết xoay quanh đề tài “Thiết kế nguồn phát pin mặt trời cấp điện cho chiếu sáng nhà chờ xe buýt” mà chúng em thu thập được, từ vận dụng tính tốn thiết kế hệ thống nguồn điện mặt trời Sau hoàn thành đề tài giúp em đạt vấn đề sau: Tìm hiểu ứng dụng lượng mặt trời o Nguyên lý cấu tạo pin lượng mặt trời o Những ứng dụng cụ thể pin lượng mặt trời Tìm hiểu cấu tạo nguyên lý hoạt động hệ thống nguồn điện mặt trời mặt trời o Tìm hiểu thành phần cấu tạo lên hệ thống lưới điện mặt trời Tài liệu tham khảo Samer Said, Ahmed Massoud, Mohieddine Benammar and Shehab Ahmed, ”A Matlab/Simulink-Based Photovoltaic Array Model Employing SimPowerSystems Toolbox”, Journal of Energy and Power Engineering, 6- 2012 Huan-Liang Tsai, Ci-Siang Tu, and Yi-Jie Su, “Development of Generalized Photovoltaic Model Using MATLAB/SIMULINK”, Proceedings of the World Congress on Engineering and Computer Science, 2008 Subarto Kumar Ghosh, Mohammad Hasanuzzaman Shawon, Ashifur Rahman, Rifat Abdullah “Modeling of PV Array and Analysis of Different Parameters”, International Journal of Advancements in Research & Technology, Volume 2, Issue 5, May-2013 Aryuanto Soetedjo, Abraham Lomi, Yusuf Ismail Nakhoda, Awan Uji Krismanto, “Modeling of Maximum Power Point Tracking Controller for Solar Power System”, TELKOMNIKA, Vol.10, No.3, July 2012 Fu Qiang, Tong Nan, “A Strategy Research on MPPT Technique in Photovoltaic Power Generation System”, TELKOMNIKA, Vol 11, No 12, December-2013 ... cấp điên cho tòa nhà Hình 1.13: Pin mặt trời nắp đặt mái nhà - Nhà máy điện sửa dụng pin mặt trời Bằng cách kết nối với nhiều nguồn điện lượng mặt tr ời với tạo tổ hợp nguồn điện mặt trời có đủ... cần lưu ý: điện áp dòng pin mặt trời điện áp dòng module pin mặt trời kết nối với charge controller pin mặt trời Module pin mặt trời pin mặt trời ghép nối tiếp song song hay ghép kết hợp cách... trạm pin mặt trời phát điện sử dụng để thắp sáng, nghe đài, xem vô tuyến Trong ngành giao thông đường bộ, trạm pin mặt trời phát điện dần sử dụng làm nguồn cấp điện cho cột đèn đường chiếu sáng