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 HỆ THỐNG 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 i LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực công trình nghiên cứu tơi, chưa cơng bố cơng trình khác Hà Nội, ngày tháng năm 2014 Tác giả luận văn Bùi Thị Thu Hường i MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i MỤC LỤC ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC BẢNG vii MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Ý nghĩa khoa học thực tiễn Mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu Cấu trúc luận văn Chương TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ CHIẾU SÁNG BẰNG ĐÈN LED 1.1 Khái quát lượng mặt trời [10] 1.2 Pin mặt trời[2] 1.2.1 Loại đơn tinh thể 1.2.2 Loại đa tinh thể 1.2.3 Loại bán dẫn 1.3 Các dạng hệ thống quang điện [10] 1.3.1 Hệ thống quang điện hòa lưới[10] 1.3.2 Hệ thống quang điện độc lập[10] 1.4 Sử dụng đèn Led chiếu sáng lượng mặt trời 10 1.4.1 Sử dụng đèn Led chiếu sáng 10 1.4.2 Sử dụng Led chiếu sáng đường 11 1.5 Ưu, nhược điểm lượng mặt trời so với dạng lượng khác 14 ii 1.5.1 Ưu điểm 14 1.5.2 Nhược điểm 15 1.6 Tính thực tiễn đề tài 15 Chương NGHIÊN CỨU BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC 17 2.1 Khái quát biến đổi DC/DC 17 2.2 Các biến đổi DC/DC điển hình 18 2.2.1.Bộ biến đổi Buck [1] 18 2.2.2 Bộ biến đổi Boost[1] 20 2.2.3 Bộ biến đổi Fly – Back[1] 22 2.2.4 Bộ biến đổi Push – Pull (Đẩy – kéo)[1] 24 2.2.5 Bộ SEPIC (single-ended primary inductor converter) - nguồn Fly-back cải tiến [3] 26 2.3 Lựa chọn cấu trúc 28 2.4 Lựa chọn thiết bị động lực 29 2.4.1 Tính hệ số D 31 2.4.2 Tính chọn cuộn dây L1, L2 31 2.4.3 Tính chọn MOSFET 32 2.4.4 Chọn Diode đầu 32 2.4.5 Chọn tụ cách ly 32 2.4.6 Chọn tụ đầu ra: 33 2.4.7 Chọn tụ đầu vào 33 Chương 3.NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG BẰNG ĐÈN LED SỬ DỤNG PIN MẶT TRỜI DÙNG BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC 34 3.1 Sơ đồ khối hệ thống 34 iii 3.2 Bộ điều khiển nạp acquy [4] 35 3.3 Bộ điều khiển đèn Led 40 3.4 Điện trở quang (Light Dependence Resistor) [5] 41 3.5 Cảm biến âm (Ping sensor) [5] 42 3.6 Xây dựng thuật toán điều khiển hệ thống [4] 43 CHƯƠNG 4: MƠ HÌNH HĨA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 45 4.1 Mơ hình hóa pin mặt trời 45 4.1.1 Sơ đồ tương đương pin mặt trời [9] 45 4.1.2 Mô pin mặt trời Matlab [8] 47 4.2 Mô hệ thống phần mềm Matlab [5] 51 4.2.1 Mục đích 51 4.2.2 Kết mô 51 Đáp ứng hệ thống sạc acquy theo công suất dàn pin 51 Đáp ứng hệ thống bật, tắt tự động đèn Led 54 4.2.3 Kết luận 57 Chương KẾT LUẬN 58 5.1 Kết luận chung 58 5.2 Hướng phát triển đề tài 59 iv 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 vịng dây cuộn thứ cấp 13 P Cơng suất 14 H Hiệu suất 15 Fsw Tần số chuyển mạch 16 UV, Vin 17 Dmax Điện áp đầu vào Độ mở lớn van v Ghi 18 Eng Năng lượng tích cuộn cảm 19 Ipk Dịng điện đỉnh 20 ∆𝐼 Giá trị dao động dòng điện 21 J Mật độ dòng điện 22 Irms Dòng điện hiệu dụng 23 VOC Điện áp hở mạch 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 vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Các thông số sạc acquy 30 Bảng 1Trạng thái sạc acquy tương ứng với điện áp [3] 37 Bảng Bảng logic điều khiển đóng cắt tải [3] 38 Bảng 3 Các đặc điểm điều khiển đèn Led 40 vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1 Pin mặt trời loại đơn tinh thể (trái) đa tinh thể (phải)[10] Hình Các bước chế tạo pin mặt trời Hình Sơ đồ hệ thống quang điện hòa lưới Hình Sơ đồ hệ thống quang điện độc lập 10 Hình Đèn đường dùng pin mặt trời 12 Hình Đèn LED cầu Thuận Phước áp dụng công nghệ điều khiển không dây 13 Hình Sơ đồ nguyên lý biến đổi Buck 18 Hình 2 Dòng điện dạng tam giác biến đổi Buck 19 Hình Sơ đồ nguyên lý biến đổi Boost 20 Hình Giản đồ dòng điện biến đổi Boost (chế độ liên tục) 22 Hình Sơ đồ nguyên lý biến đổi Fly - Back 23 Hình Sơ đồ nguyên lý hoạt động biến đổi Push – Pull 24 Hình Sơ đồ nguyên lý biến đổi sepic 26 Hình Mạch Sepic Q1 đóng 27 Hình Mạch Sepic Q1 mở 27 Hình 10 Đặc tính dịng điện đóng ngắt mạch Sepic 28 Hình Sơ đồ cấu trúc hệ thống đèn Led 34 Hình Đặc tính I-V pin mặt trời Kyocera KC50 [3] 37 Hình 3 Điện áp sạc acquy theo nhiệt độ [3] 38 Hình Ba trạng thái sạc acquy 40 Hình Cảm biến LDR [7] (a) cách mắc LDR mạch (b) 42 Hình Cảm biến âm (ping-sensor) 43 Hình Sơ đồ thuật toán điều khiển 44 Hình Sơ đồ tương đương pin mặt trời 45 viii Hình Cấu trúc mơ pin mặt trời matlab 48 Hình Đặc tính I-V pin mặt trời kiểu SL120CE-24M 250 C 1000W/m2 48 Hình 4 Đặc tính PV pin mặt trời kiểu SL120CE-24M 250 C 1000W/m2 49 Hình Ảnh hưởng nhiệt độ đến đặc tính I-V pin mặt trời 50 Hình Ảnh hưởng nhiệt độ đến đặc tính P-V pin mặt trời 50 Hình Các giai đoạn sạc acquy 52 Hình Sơ đồ thuật tốn mơ hệ thống Simulink 53 Hình Đáp ứng thuật tốn theo cơng suất dàn pin mặt trời 53 Hình 10 Đáp ứng công suất sau giây 54 Hình 11 Đáp ứng điện áp sau giây 54 Hình 12 Cấu trúc hệ thống Simulink 55 Hình 13 Đáp ứng đèn Led cảm biến ánh sáng tác động (đèn sáng trời tối) 56 Hình 14 Đáp ứng đèn Led cảm biến ánh sáng tác động (tắt đèn trời sáng) 56 ix Is - Dòng bão hòa diode (A/m2) q - Điện tích electron, q = 1,602.10-19 (C) k - Hằng số Bolzman, k = 1,381.10-23 (J/K) T - Nhiệt độ lớp tiếp xúc (0K) n - Hệ số lí tưởng diode, phụ thuộc vào công nghệ chế tạo pin mặt trời, gần lấy n = Phương trình đặc trưng V-A pin mặt trời: 𝐼 = 𝐼𝑝ℎ − 𝐼𝑑 − 𝐼𝑠 = 𝐼𝑝ℎ − 𝐼𝑠 [(𝑒 𝑞(𝑉+𝐼.𝑅𝑠) 𝑛.𝑘.𝑇 − 1) − 𝑉+𝐼.𝑅𝑠 𝑅𝑠ℎ ] (4.2) Trong đó: Rs – Nội trở pin mặt trời (Ω) Rsh – Điện trở Shunt (Ω) Dòng điện ngắn mạch Isc: dòng điện làm ngắn mạch mạch ngồi (chập cửa pin) Lúc điện pin V = Suy ra: 𝐼𝑠𝑐 = 𝐼𝑝ℎ − 𝐼𝑠 [𝑒 𝑞.𝑅𝑠.𝐼𝑠𝑐 𝑛.𝑘.𝑇 − 1] − 𝑅𝑠 𝐼𝑠𝑐 𝑅𝑠ℎ (4.3) Ở điều kiện chiếu sáng bình thường, khơng có hội tụ điện trở nối tiếp Rs bỏ qua, Id = Do suy ra: Isc = Iph = α.E (4.4) Trong đó: E – Cường độ sáng α- Hệ số tỉ lệ 46 Ở điều kiện bình thường, dịng điện ngắn mạch pin mặt trời tỉ lệ với cường độ xạ ánh sáng Phương trình (4.2) phương trình dãy pin mặt trời sử dụng để xây dựng đặc tính I-V dãy pin mặt trời thực Ở Iph Is dòng điện quang học dòng điện bão hòa dãy pin Ish phụ thuộc vào cường độ xạ nhiệt độ theo phương trình: 𝐼𝑝ℎ = (𝐼𝑠𝑐 + 𝐾𝐼 ∆𝑇) 𝐺 (4.5) 1000 Trong đó: ∆𝑇 = 𝑇 − 𝑇𝑛 với T nhiệt độ điểm xét, Tn – nhiệt độ tiêu chuẩn (0K) G: xạ nhiệt bề mặt pin Dòng điện bão hòa ngược diode là: 𝑇 𝐸𝑔 𝑇𝑛 𝑉𝑡 𝐼𝑠 (𝑇) = 𝐼𝑠 ( ) 𝑒𝑥𝑝 [ 𝑇 ( − 1)] (4.6) 𝑇𝑛 Eg mức lượng vật liệu bán dẫn Vt = kT/q điện áp nhiệt pin 4.1.2 Mô pin mặt trời Matlab [8] Từ sơ đồ tương đương phương trình đặc tính pin mặt trời trên, ta mô pin mặt trời phần mềm matlab hình 4.2 47 Hình Cấu trúc mô pin mặt trời matlab Trước tiên, ta xem xét đặc tính pin mặt trời điều kiện thí nghiệm tiêu chuẩn (nhiệt độ 250C xạ nhiệt đạt 1000W/m2) xét thời điểm trưa – thời điểm nóng ngày Nếu trời khơng mưa quang mây pin mặt trời phát cơng suất lớn Đặc tính I-V P-V pin mặt trời điều kiện tiêu chuẩn hình 4.3 4.4 Hình Đặc tính I-V pin mặt trời kiểu SL120CE-24M 250 C 1000W/m2 48 Hình 4 Đặc tính PV pin mặt trời kiểu SL120CE-24M 250 C 1000W/m2 Mặc dù nhiệt độ môi trường không ảnh hưởng đến khối lượng lượng mà pin mặt trời nhận ảnh hưởng đến cơng suất pin phát Cụ thể, pin mặt trời phát công suất thấp lượng nắng chúng trở nên nóng Bởi nhiệt độ tăng, khoảng cách điện tử giảm xuống làm tăng lượng cần thiết để giải phóng điện tử Sự chênh lệch trạng thái lượng nghỉ lượng kích thích điện tử tạo điện áp cho pin mặt trời Khi nhiệt độ tăng lên, điện áp hở mạch giảm xuống dịng điện ngắn mạch tăng lên Vì độ giảm điện áp nhanh độ tăng dòng điện dẫn đến hiệu suất pin giảm xuống 49 Hình Ảnh hưởng nhiệt độ đến đặc tính I-V pin mặt trời Hình Ảnh hưởng nhiệt độ đến đặc tính P-V pin mặt trời 50 4.2 Mô hệ thống phần mềm Matlab [5] 4.2.1 Mục đích Việc mơ hệ thống nhằm kiểm tra đáp ứng biến đổi theo công suất dàn pin để cung cấp cho acquy, đáp ứng cảm biến cho việc vận hành bật, tắt tự động đèn Led Dưới đây, ta mô hệ thống theo chức riêng biệt, cụ thể mô đáp ứng hệ thống sạc acquy theo công suất dàn pin đáp ứng tự động bật, tắt đèn Led theo tác động cảm biến LDR 4.2.2 Kết mô Đáp ứng hệ thống sạc acquy theo cơng suất dàn pin Hình 4.7 mơ tả giai đoạn trình sạc acquy: Float, Absorbtion Bulk Trong đó, giai đoạn sạc Bulk giai đoạn trình sạc với giả thiết lúc điện áp acquy cạn Trong giai đoạn này, dịng điện giữ mức cao để trì việc sạc, cịn điện áp tăng nhanh Giai đoạn sạc đầy (absorbtion) giai đoạn điện áp acquy sạc đạt tới 90% điện áp định mức, dịng điện trì mức cao thời gian, sau giảm nhanh Giai đoạn thường chiếm khoảng (tùy thuộc vào điều kiện ánh sáng nhanh chậm kéo dài kéo dài tới giờ) Giai đoạn sạc chậm giai đoạn điện áp acquy đạt ngưỡng 100% Đây giai đoạn cuối cùng, kết thúc trình sạc cho acquy Ở đây, ngưỡng điện áp cho giai đoạn sạc Float 13,2V ngưỡng điện áp cho giai đoạn sạc đầy phần cuối giai đoạn sạc Bulk 14,4V 51 Sạc Bulk dòng điện Sạc đầy g.hạn dòng dòng ổn định Sạc chậm 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 52 Hình Sơ đồ thuật tốn mơ hệ thống Simulink Hình Đáp ứng thuật tốn theo cơng suất dàn pin mặt trời 53 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 54 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 55 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) 56 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 cho acquy mặt điện áp cơng 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 57 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 thơng 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 58 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 - 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 59 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 60 ... độc lập[ 10] 1.4 Sử dụng đèn Led chiếu sáng lượng mặt trời 10 1.4.1 Sử dụng đèn Led chiếu sáng 10 1.4.2 Sử dụng Led chiếu sáng đường 11 1.5 Ưu, nhược điểm lượng mặt trời. .. điện độc lập Bộ biến đổi DC/DC Hệ thống pin mặt trời Hệ thống acquy Bộ biến đổi DC/AC Tải 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 Led. .. 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