Bài toán chia công suất cho 2 nguồn pin mặt trời nối với tải

Bài toán chia công suất cho 2 nguồn pin mặt trời nối với tải để cho không có nguồn nào bị quá tải và non tải, thuật toán được sử dụng trong bài toán trên là thuật toán MPPT nhưng đc thay đổi sao cho phù hợp với yêu cầu đề bài, trong file rar đã bao gồm file mô phỏng trên matlab

LỜI NÓI ĐẦU Nhu cầu lượng thời đại khoa học kĩ thuật không ngừng gia tăng Tuy nhiên nguồn lượng truyền thống khai thác : than đá, dầu mỏ, khí đốt, thiên nhiên thủy điện … ngày cạn kiệt Khơng chúng cịn tác hại xấu môi trường : gây ô nhiễm môi trường, ô nhiễm tiếng ồn, mưa axit, trái đất nóng dần lên, thủng tầng ơ-zơn … Do đó, việc tìm khai thác nguồn lượng lượng hạt nhân, lượng địa nhiệt, lượng gió lượng mặt trời … cần thiết Việc nghiên cứu lượng mặt trời ngày thu hút quan tâm nhà nghiên cứu, giai đoạn thiếu hụt lượng nghiêm trọng Năng lượng mặt trời nguồn lượng sạch, dồi dào, hồn tồn miễn phí, khơng gây ô nhiễm môi trường không gây ô nhiễm tiếng ồn … Hiện lượng mặt trời dần vào sống người, chúng áp dụng rộng rãi công nghiệp dân dụng với nhiều hình thức khác Trong có Pin lượng mặt trời với nhiều ưu điểm ưu việt Tuy nhiên ứng dụng thực tế nhiều vấn đề cần giải để sử dụng hiệu nguồn lượng Do đó, nhóm em chọn đề tài nghiên cứu: “ Chia công suất cho hai nguồn Pin Mặt Trời ” Đề tài trình bày với chương: Chương 1: Tổng quan Pin Mặt Trời Chương 2: Bài toán đặt Chương 3: Mô kết Trong trình thực đề tài, nhóm em cố gắng tìm tịi, học hỏi nghiên cứu kiến thức để hồn thành Do kinh nghiệm kiến thức cịn nhiều hạn chế nên báo cáo nhiều nhứng thiếu xót Vì nhóm em mong nhận góp ý từ phía để chúng em hồn thiện thêm kiến thức cho thân MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU CHƯƠNG : TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI Năng lượng mặt trời Giới thiệu lượng mặt trời Khoảng nửa số lượng mặt trời đến bề mặt trái đất Trái đất nhận 174 petawatts (PW = 1015W) xạ mặt trời (sự tiếp nắng) tầng cao khí Khoảng 30% phản xạ trở lại vào khơng gian, phần cịn lại hấp thụ đám mây, đại dương vùng đất Quang phổ ánh sáng mặt trời bề mặt Trái Đất chủ yếu truyền qua tia nhìn thấy, sóng ngắn hồng ngoại phần nhỏ song ngắn tia cực tím 1.1 1.1.1 Hình 1: Năng lượng Mặt Trời xạ xuống Trái Đất Bề mặt trái đất, đại dương khí hấp thụ xạ mặt trời, điều làm tăng nhiệt độ chúng Hơi nước bốc từ đại dương tăng lên, nguyên nhân đối lưu tuần hịan khí Khi khơng khí bốc lên cao, nơi mà nhiệt độ thấp, nước ngưng tụ thành mây mưa bề mặt trái đất, hoàn thành chu trình nước Các nhiệt ẩn ngưng tụ nước đối lưu khuếch đại, tạo tượng khí gió, lốc xốy chống lốc xoáy Ánh sang mặt trời bị hấp thụ đại dương vùng đất giữ nhiệt độ trung bình bề mặt trái đất khỏang 14°C Bởi quang hợp, xanh chuyển đổi lượng mặt trời thành lượng hóa học, thành phần thực phẩm, gỗ sinh khối, từ có nguồn gốc nhiên liệu hóa thạch Hình 2: Bảng so sánh loại lượng phổ biến mà người dùng năm Tổng số lượng mặt trời hấp thụ năm bầu khí quyển, đại dương vùng đất khoảng 3.850.000 exajoules (EJ = 1018J), số liệu năm 2002 Mức lượng mặt trời tỏa xuống trái đất nhiều lượng giới sử dụng năm Năng lượng mặt trời đến bề mặt trái đất lớn gấp đôi so với tổng tất nguồn lượng hóa thạch trái đất : than, dầu, khí đốt tự nhiên, uranium khai thác Từ bảng nguồn tài nguyên thấy rằng, lượng mặt trời, gió hay sinh khối đủ để cung cấp tất nhu cầu lượng Tuy nhiên, tăng sử dụng lượng sinh khối có tác động tiêu cực nóng lên tồn cầu tăng đáng kể giá lương thực phải chuyển rừng trồng vào sản xuất nhiên liệu sinh học Nhưng tăng sử dụng nguồn lượng mặt trời gió tốt Năng lượng mặt trời khai thác mức độ khác giới, tùy thuộc vào vị trí địa lý, gần với đường xích đạo "tiềm năng" lượng mặt trời hiệu 1.2 Pin lượng Mặt Trời 1.2.1 : Cấu tạo nguyên lý hoạt động Pin lượng Mặt Trời a Chất liệu để tạo thành Pin lượng Mặt Trời Chất liệu để tạo Pin lượng mặt trời chất bán dẫn tinh khiết, tức silic cần đảm bảo bán dẫn ròng electron số hạt tải lỗ trống hole phải Để tạo Pin lượng mặt trời người ta cần phải chế tạo chất bán dẫn thành loại n p sau ghép chúng lại với để có tiếp xúc p – n b Nguyên lý hoạt động Pin mặt trời tạo điện Để tạo Pin mặt trời người ta phải thêm vào số phân tử loại khác gọi pha tạp Cấu trúc nguyên tử Si giống kim cương : gồm electron vành ngồi liên kết với ngun tử Si gần Do đó, pha them ngun tử phốt P vào có ngun tử vịng ngồi, thừa electron tự chuyển đơng dễ dàng bán dẫn loại n ( negative – âm ) Ngược lại pha tạp nguyên tử Bo có nguyên tố vành ngoài, dẫn đến thiếu electron tạo lỗ trống (hole), bán dẫn loại p ( positive – dương ) Hình 3: Cấu tạo pin lượng Mặt Trời Khi ghép bán dẫn loại n với bán dẫn loại p tạo lớp chuyển tiếp p – n điểm tiếp giáp có dịch chuyển để lấp đầy chỗ trống có electron thừa loại n chạy sang lấp đầy electron thiếu loại p tạo vùng nghèo Sự chuyển dịch trực tiếp tạo hiệu điện cỡ 0.6V đến 0.7V chỗ tiếp xúc p – n khơng tạo dịng điện Hình 4: Cấu tạo nguyên lý hoạt động pin Mặt Trời Tuy nhiên, mang Pin mặt trời cho ánh sáng mặt trời chiếu vào photon ánh sáng mặt trời kích thích làm cho nguyên tử bật ngồi, tạo nên khoảng trống thiếu electron hình thành cặp electron – lỗ trống nơi tiếp xúc p – n đẩy electron phía bán dẫn p đẩy lỗ trống phía bán dẫn n Cịn electron bị bật nhảy lên miền dẫn mức cao chuyển động tự Cứ thế, nhiều ánh sáng mặt trời nhiều electron nhảy lên miền dẫn Hình 5: Cấu tạo nguyên lý hoạt động pin Mặt Trời Chính để tạo điện mặt trời người ta dùng dây để nối bán dẫn p với bán dẫn n, electron từ bán dẫn n chuyển sang bán dẫn p để lấp đầy chỗ trống sinh dòng điện Việc sử dụng chất bán dẫn silic tạo tiếp xúc p – n từ sinh dòng điện mặt trời xem tiến lớn công biến lượng mặt trời thành dòng điện sử dụng c Sơ đồ tương đương Pin lượng Mặt Trời - Mô hình tốn học Pin Mặt Trời Hình 6: Mạch tương đương tế bào pin Mặt Trời Khi chiếu sáng Pin mặt trời phát dịng quang điện I ph Pin mặt trời xem nguồn dịng Lớp tiếp xúc p – n có tính chất chỉnh lưu tương đương diode D Tuy nhiên phân cực ngược, điện trở tiếp xúc có giới hạn nên có dịng điện rị qua Đặc trưng cho dòng điện rò qua lớp tiếp xúc p – n điện trở shunt Rsh Dòng quang điện chạy mạch phải qua lớp bán dẫn p n, điện cực, tiếp xúc… Đặc trưng cho tổng điện trở lớp điện trở RS mắc nối tiếp mạch Từ đó, xây dựng sơ đồ tương đương tổng quát Pin mặt trời hình Dịng điện qua diode : = Phương trình KCL : (1.1) =0 Phương trình KVL : = (1.2) (1.3) Trong : - : dịng qua diode, [A] - : dòng bão hòa diode, [A] - q : điện tích electron, q = 1,602 [C] - k : số Boltzman, k = 1,381 [J/K] - T : nhiệt độ lớp tiếp xúc, [K] - n : hệ số lý tưởng diode - : điện áp nhiệt, [V] - : dòng điện Pin mặt trời, [A] - : điện áp Pin mặt trời, [V] Từ (1.1), (1.2), (1.3) suy phương trình đặc tính I – V tế bào Pin mặt trời : (1.4) Để có cơng suất điện áp, dịng điện theo u cầu phải ghép tế bào Pin mặt trời lại thành module Pin mặt trời Giả sử ghép nối tiếp Ns tế bào Pin mặt trời ghép song song Np tế bào Pin Mặt Trời lại, phương trình đặc tính I – V tổng qt sau : (1.5) - Mơ hình hóa Pin mặt trời Simulink Xuất phát từ phương trình (1.1), (1.2), (1.3), (1.5) xây dựng mơ hình mơ Pin hình : Hình 7: Sơ đồ khối chi tiết bên pin Mặt Trời Tuy nhiên toán thực tế, xây dựng mơ hình mơ Pin gặp khó khăn với việc lắp ghép nhiều Pin Mặt Trời điều khiển chúng Vì tốn chúng em dùng cơng cụ Matlab – Simulink để sử dụng mơ có sẵn Pin Mặt Trời hình : Hình 8: Mơ pin Mặt Trời Matlab - Simulink 1.2.2 Các đường đặc tính Pin Mặt Trời Các đường đặc tính Pin Mặt Trời thể : Hình 9: Đường đặc tính P(V) Hình 10: Đường đặc tính P(I) Hình 11: Đường đặc tính I(V) 10 Hình 35: Đặc tính P-V pin Nhìn đồ thị đặc tính P-V pin, điểm làm việc mong muốn điểm cơng suất cực đại có điểm làm việc cho công suất nhỏ Chúng em lựa chọn điều khiển điểm làm việc bên trái điểm MPP (Maximum Power Point) đồ thị đặc tính P-V Bởi với điểm làm viêc bên trái điểm MPP có giá trị dịng điện ổn định điểm bên phải điểm MPP ∆P2 < nghĩa công suất phát lớn cơng suất đặt nên cần tăng hệ số góc đường đặc tính tải, cần tăng D ∆P2 > ∆P ∆V ∆P2 > ∆P ∆V , dấu nghĩa công suất phát nhỏ công suất đặt điểm làm việc bên trái điểm công suất cực đại (MPP) nên cần giảm hệ số góc đường đặc tính tải Do cần giảm D , trái dấu nghĩa công suất phát nhỏ công suất đặt điểm làm việc bên phải điểm công suất cực đại (MPP) nên cần tăng hệ số góc đường đặc tính tải Do cần tăng D 30 Hình 36: Lưu đồ thuật tốn + V1(k), I1(k): giá trị điện áp, dòng điện pin thời điểm đo + P1(k): giá trị công suất phát pin thời điểm đo + deltaP1: chênh lệch công suất phát pin thời điểm đo + Pref1: công suất đặt pin 31 + deltaP2: chêch lệch công suất công suất đặt công suất tai thời điểm đo pin + D1: hệ số Duty Cycle pin Việc điều khiển bám công suất pin giống lưu đồ thuật tốn pin1 32 CHƯƠNG 3: MƠ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 3.1 Các thành phần hệ thống 3.1.1 Pin Hình 37: Khối PV Array Lựa chọn khối PV Array để mơ pin mặt trời Với pin có cơng suất 1000W pin có cơng suất 2000W nên lựa chọn thông số pin sau: + Loại pin: 1Soltech 1STH-250-WH + Công suất cực đại: 250.205W + Điện áp hở mạch Voc : 37.3V + Dòng điện ngắn mạch I sc : 8.66A + Điện áp điểm cơng suất cực đại Vmp + Dịng điện điểm công suất cực đại : 30.7V I mp : 8.15A Với pin 1, lựa chọn số pin mắc nối tiếp số dãy song song Với pin 2, lựa chọn số pin mắc nối tiếp số dãy song song 33 3.1.2 Bộ biến đổi DC/DC Hình 38: Mơ biến đổi DC/DC – Boost Converter Các phần tử Tụ điện C1 Điện cảm L Tụ điện C Giá trị 1000e-6 F 50e-6 H 1000e-6 F Bảng 3: Thơng só DC/DC Hình 39: Bộ băm xung Xung vng phát có thơng số: Độ lớn Tần số Pulse Witdh 5000 Hz 50 % Bảng 4: Thông số xung vng 34 3.1.3 Bộ biến đổi DC/AC Hình 40: Mơ biến đổi DC/AC Tín hiệu điều khiển tín hiệu SinA, SinB, SinC Thơng số tín hiệu điều khiển: Độ lớn Tần số Góc ban đầu SinA 0.8 100 Hz SinB 0.8 100 Hz 2*pi/3 SinC 0.8 100 Hz 4*pi/3 Bảng 5: Thông số tín hiệu điều khiển Hình 41: Mơ tín hiệu sóng mang Tín hiệu sóng mang xung tam giác có tần số 5000 Hz 35 3.1.4 Tải Hình 42: Mô tải Tải tải pha cố thông số: Điện áp dây hiệu dụng Tần số Cống suất tác dụng Công suất phản kháng cảm ứng 220* V 50 Hz P 500 Var Bảng 6: Thông só tải 3.2 Mơ thuật tốn Hình 43: Mơ thuật tốn Giá trị cơng suất P giá trị đặt công suất tác dụng tải Giá trị V_PV1, V_PV2, I_PV1, I_PV2 giá trị điện áp, dòng điện đo pin pin Hệ số alpha hệ số để chia công suất đặt cho pin với tỷ lệ 1:2 Do đó, alpha = 1/3 Tín hiệu D1, D2 tín hiệu diều khiển đưa vào DC/DC 36 Phần lập trình thuật toaans P&O khối fcn: function [D1,D2] = PandO(V_PV_1,V_PV_2,I_PV_1,I_PV_2,P2,P4,Enabled) Dmax = 0.99; Dmin = 0.01; persistent V1old P1old D1old V2old P2old D2old; if isempty(V1old) V1old=0; P1old=0; D1old=0.2; V2old=0; P2old=0; D2old=0.2; end deltaD = 0.005; P1 = V_PV_1*I_PV_1; P3 = V_PV_2*I_PV_2; dV1 = V_PV_1-V1old; dV2 = V_PV_2-V2old; dP1 = P1 - P1old; dP2 = P2 - P1; dP3 = P3 - P2old; dP4 = P4 - P3; if dP1 ~= & Enabled ~=0 if dP1 < if dV1 < if dP2 < D1 = D1old + deltaD; else D1 = D1old - deltaD; end else D1 = D1old + deltaD; end else if dV1 < D1 = D1old + deltaD; else 37 if dP2 < D1 = D1old + deltaD; else D1 = D1old - deltaD; end end end else D1 = D1old; end if dP3 ~= & Enabled ~=0 if dP3 < if dV2 < if dP4 < D2 = D2old + deltaD; else D2 = D2old - deltaD; end else D2 = D2old + deltaD; end else if dV2 < D2 = D2old + deltaD; else if dP4 < D2 = D2old + deltaD; else D2 = D2old - deltaD; end end end else D2 = D2old; end if D1 >= Dmax | D1 = Dmax | D2