3. Mục đích nghiên cứu đề tài
1.3.5 Một số dự án xây dựng hệ thống Dieze n năng lượng
-Dự án Hệ thống phát điện hỗn hợp Pin mặt trời – Diezen ở Bãi Hương, Xã Đảo Cù Lao Chàm là một trong những dự án đầu tiên tại Việt Nam sử dụng Điện
mặt trời để phục vụ nhu cầu sinh hoạt của toàn bộ người dân ở Thôn Bãi Hương, Xã Tân Hiệp, Cù Lao Chàm, Thị xã Hội An, Tỉnh Quảng Nam.
Quy mô công suất : PV 28,8 kWp + diezen 5,5kW và 15kW
Tháng 01/2010, hệ thống đưa vào vận hành,được 3 tháng thì ắc quy bị trục trặc và được thay thế những bình hỏng và hệ thống lại vận hành. Sau một thời gian ngắn, hệ ắc quy bị hỏng hoàn toàn, vì vậy ban ngày hệ thống cấp điện bằng PV không có ắc quy tích trữ, buổi tối chạy máy phát diezen. Tháng 8/2012, hệ thống ngừng hoạt động hoàn toàn.
Hình 1.13:Một số hình ảnh lắp đặt hệ thống pin mặt trời và Diezen Bãi Hương
Hình 1.14:Hình ảnh lắp đặt hệ thống pin mặt trời và Diezen Hòa Bình
Quy mô công suất:
-Trạm 1: PV 6,48kWp + diezen 8,5kVA -Trạm 2: PV 2,16kWp + diezen 2,0kVA
Bắt đầu vận hành từ ngày 01/09/2011 đến cuối năm 2012 bắt đầu hỏng bộ Inverter, sau đó đến ắc quy. Đến tháng 3/2013 thì ngừng hoạt động.
Chương II:PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU 2.1 Phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm
Kết hợp nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm, thừa kế các kết quả nghiên cứu trước đó, dựa trên các thành tựu khoa học công nghệ, khảo sát tiềm năng năng lượng mặt trời tại Việt Nam để lựa chọn mô hình, công cụ hỗ trợ mô phỏng hệ thống kết hợp năng lượng mặt trời và Diezen.
Các công việc cần làm: -Tổng quan về hệ Diezen.
-Tổng quan về tình hình nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời ở Việt Nam và trên thế giới.
-Xây dựng mô hình và mô phỏng hệ thống bằng phần mềm Matlab Simulink. -Nhận xét, đánh giá hệ thống xây dựng.
2.2 Phương tiện nghiên cứu
Sử dụng máy tính và phần mềm Matlab Simulink.
MATLAB là phần mềm cung cấp môi trường tính toán số và lập trình, do công ty MathWorks thiết kế. MATLAB cho phép tính toán số với ma trận, vẽ đồ thị hàm số hay biểu đồ thông tin, thực hiện thuật toán, tạo các giao diện người dùng và liên kết với những chương trình máy tính viết trên nhiều ngôn ngữ lập trình khác nhau.
Hình 2.1:Công ty MathWorks[3].
Matlab là viết tắt của từ "MATrix LABoratory ", được Cleve Moler phát minh vào cuối thập niên 1970. Matlab hỗ trợ các công cụ tính toán, thiết kế, lập trình cũng như công cụ Simulink giúp mô phỏng hệ thống hệ thống thực tế.
Hình 2.2: Phần mềm Matlab-Simulink
Matlab là một ngôn ngữ lập trình thực hành bậc cao được sử dụng để giải các bài toán về kỹ thuật.matlab tích hợp được việc tính toán, thể hiện kết quả, cho phép lập trình, giao diện làm việc rất dễ dàng cho người sử dụng. Dữ liệu cùng với thư viện được lập trình sẵn cho phép người sử dụng có thể có được những ứng dụng sau đây:
Sử dụng các hàm có sẵn trong thư viện, các phép tính toán học thông thường. Cho phép lập trình tạo ra những ứng dụng mới.
Cho phép mô phỏng các mô hình thực tế. Phân tích, khảo sát và hiển thị dữ liệu. Với phần mềm đồ họa cực mạnh.
Chính vì vậy Matlab là phần mềm hết sức thuận tiện và hiệu quả đối với nhiều ngành nghề, lĩnh vực trọng cuộc sống.
Đối với ứng dụng mô phỏng của điện gió Matlab giúp thể hiện các phương trình mạng bằng các hình vẽ đồ họa , việc mô phỏng bằng các hình vẽ sẽ được tiến hành một cách chính xác nhất thay vì tính toán bằng các phương pháp trước đây giúp thuận tiện hơn, nhanh hơn và kết quả cũng chính xác cao hơn. Từ đó giảm được thời gian tính toán và chi phí liên quan, đem lại hiệu quả kinh tế cao.
Simulink
Hình 2.3: Cửa sổ các khối chức năng phần mềm Simulink
Simulink là một công cụ trong Matlab dùng để mô hình, mô phỏng và phân tích các hệ thống động với môi trường giao diện sử dụng bằng đồ họa. Việc xây dựng mô
hình được đơn giản hóa bằng các hoạt động nhấp chuột và kéo thả. Simulink bao gồm một bộ thư viện khối với các hộp công cụ toàn diện cho cả việc phân tích tuyến tính và phi tuyến. Simulink là một phần quan trọng của Matlab và có thể dễ dàng chuyển đổi qua lại trong quá trình phân tích, và vì vậy người dùng có thể tận dụng được ưu thế của cả hai môi trường.
Chương III: CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN 3.1 Khái quát về các thiết bị trong hệ thống.
3.1.1 Tấm pin mặt trời (SolarPanel)
Hình 3.1 Pin mặt trời
Là các tấm pin mặt trời. Biến đổi quang năng hấp thụ từ mặt trời để biến thành điện năng. Pin mặt trời được cấu tạo bởi những phân tử, phân tử được gắn nối tiếp hay song song với nhau, với vật liệu bán dẫn .
Trong một ngày nắng, mặt trời cung cấp khoảng 1kW/1m2 đến mặt đất. Công suất và điện áp của một hệ thống sẽ phụ thuộc vào cách ghép nối các tấm pin mặt trời lại với nhau. Các tấm pin mặt trời được lắp đặt ở ngoài trời để có thể hứng được ánh nắng tốt nhất từ mặt trời nên được thiết kế với những tính năng và chất liệu đặc biệt, có thể chịu được sự khắc nhiệt của thời tiết, khí hậu, nhiệt độ,…
3.1.2 Bộ điều khiển sạc cho pin mặt trời (Solar Charger Controller)
Đây là thiết bị có chức năng điều khiển việc sạc điện từ tấm pin NLMT cho ắc- quy, ổn áp cho dòng điện nạp, bảo vệ cho ắc-quy chống nạp quá tải và xả quá sâu
nhằm nâng cao tuổi thọ của bình ắc-quy, và giúp hệ thống pin mặt trời sử dụng hiệu quả và lâu dài.
Hình 3.2 Bộ điều khiển sạc cho hệ thống năng lượng mặt trời[4].
Bộ điều khiển còn cho biết tình trạng nạp điện của pin mặt trời vào ắc-quy giúp cho người sử dụng kiểm soát được các phụ tải.
Bộ điều khiển sạc dùng trong hệ thống năng lượng mặt trời được dùng để điều hành và kiểm soát dòng điện một chiều từ tấm pin mặt trời, cung cấp cho ắc-quy..
Nếu hệ thống năng lượng mặt trời được thiết kế từ tấm pin năng lượng mặt trời cho đến ắc-quy không có bộ điều khiển sạc cho dòng điện một chiều (12V DC), ắc- quy sẽ bị hỏng do quá tải hay điện thế quá thấp.
Bộ điều khiển sạc hay còn gọi là bộ điều hòa dòng điện một chiều. Nếu bộ điều khiển sạc có cường độ là 20 A, chỉ được thiết kế cho tấm pin năng lượng mặt trời cung cấp 20 A không hơn không kém.
Nếu cho dòng điện một chiều xuống quá thấp hay lên quá cao, bộ điều khiển sạc sẽ ngưng hoạt động ngay tức khắc để bảo vệ ắc-quy không bị hư hao.
Nhiệt độ cũng là một yếu tố cần thiết cho ắc-quy được hoạt động lâu dài, không thay đổi nhiều ở nhiệt độ 24oC (75oF).
Bộ điều khiển sạc còn thực hiện bảo vệ nạp quá điện thế(> 13,8 V) hoặc điện thế thấp (< 10,5 V). Mạch bảo vệ của bộ điều khiển sẽ thực hiện việc ngắt mạch khi bộ điều khiển xác nhận bình ắc-quy đã được nạp đầy hoặc điện áp bình quá thấp.
Bộ kích điện là một thiết bị biến đổi điện áp một chiều (DC) của bình ắcquy (12V – 24V - 48V hoặc lên đến 240V) thành điện áp xoay chiều (AC) có tần số phù hợp với lưới điện Việt Nam đang sử dụng là 220V, 50Hz.
Phần lớn hệ thống năng lượng mặt trời cung cấp dòng điện một chiều đều chứa trong ắc-quy (battery). Hầu hết các thiết bị đồ dùng trong nhà như neon, tủ lạnh, máy lạnh, ti vi,…đều dùng điện xoay chiều, do đó cần một bộ biến điện để chuyển dòng điện một chiều (12V) trong ắc-quy ra dòng điện xoay chiều sử dụng theo tiêu chuẩn thông thường (120V, 60Hz hoặc 220V, 50Hz). Thông thường bộ biến điện có công suất đủ cung cấp cho các ứng dụng tiêu dùng và không phí phạm công suất. Bộ phận này là bộ phận có cấu tạo điện tử, nhận dòng điện một chiều (12V DC) trong ắc-quy (battery) ra dòng điện xoay chiều (120V/240V - AC).
Hình 3.3 Inverter cho hệ thống năng lượng mặt trời
Phần lớn bộ biến điện (Inverter) cung cấp dòng điện xoay chiều 120V AC, nhưng tùy theo vùng điện thế đòi hỏi, bộ biến điện (Inverter) được sắp đặt nối tiếp hay song song để cung cấp dòng điện xoay chiều cho cả 120VAC/ 220VAC. Nếu là dòng điện xoay chiều 120V AC cũng có thể dùng bộ biến đổi (transformer) để cung cấp 220V AC.
3.1.3 Batery (ắc-quy)
Hình 3.4.Battery
Là thiết bị lưu trữ điện để sử dụng vào ban đêm hay lúc trời ít hoặc không có nắng.
Được dùng để chứa điện năng một chiều thông thường là 12V DC. Ắc-quy được thiết kế nhận điện năng và cung cấp điện năng nhiều lần trong hệ thống năng lượng mặt trời. Ắc-quy có đơn vị là ampe giờ (Amp hour hay Ah), thường là 20 giờ hay 100 giờ. Ampe giờ (Ah) của ắc-quy được cung cấp bởi ắc-quy trong một thời gian hạn định. Ví dụ, cường độ 350 (Ah) của bình tụ điện cung cấp liên tục cường độ 17.5 ah trong 20 giờ hay cung cấp liên tục cường độ 35 Ah trong 10 giờ. Theo công thức P=V.I, với ắc-quy điện thế 6V, cường độ 360 Ah, sẽ cho công suất là 6.360=2160 Watts hay 2,16 KWh. Cũng như pin mặt trời ắc-quy được ghép nối tiếp hay song song để cung cấp nhu cầu điện thế đòi hỏi. Ắc-quy phải có đủ độ để cung cấp hiệu quả điện thế trong thời gian không có nắng cho hệ thống năng lượng mặt trời hay cho những ngày nhiều mây. Ắc-quy là vật liệu dễ tiêu hao nên được chế tạo sử dụng lâu dài cho hệ thống năng lượng mặt trời và không cần bảo trì.
Ắc-quy có nhiều loại, kích thước và dung lượng khác nhau, tùy thuộc vào công suất và đặc điểm của hệ thống pin mặt trời. Hệ thống có công suất càng lớn thì cần sử dụng ắc-quy có dung lượng lớn hoặc dùng nhiều bình ắc-quy kết nối lại với nhau.
3.1.4 Khung giá và dây cáp
Để đảm bảo cho hệ thống pin mặt trời đặt đúng vị trí tốt nhất (nắng nhiều nhất và lâu nhất) và hiệu suất sử dụng hệ thống luôn được ổn định lâu dài, chúng ta cần đến bộ khung giá và dây cáp chuyên dụng.
Để tối đa hóa hiệu suất của hệ thống, các tấm pin mặt trời cần được lắp đặt theo một góc nghiêng và một hướng nhất định (tùy thuộc từng vị trí lắp đặt cụ thể). Lưu ý rằng khi lắp đặt tránh những vùng có khả năng bị che, khuất nắng, nên lựa chọn những vị trí có thể hứng được nắng tốt nhất cho cả ngày.
3.2 Thiết lập mô hình mô phỏng máy phát Diezen
Ta có động cơ Diezen là đối tượng cấp 2 khi mô tả toán học:
(3.1)
Trong đó:
- hằng số thời gian cấp 1
-Kd là số truyền động cơ
- , đặc trưng cho quán tính và khả năng khuếch đại của thiết bị cung cấp nhiên liệu; - x,y lần lượt là sự thay đổi tương ứng của lượng cấp nhiên liệu và vòng quay động cơ.
Chia cả hai vế của (3.1) cho Kd ta có mô tả ở dạng toán tử:
Y(s)(T2s2 + T1s + 1) = K(1+ T3s)X(s) (3.2)
Với K= , T1 = , T2 = , T3 = Ta được hàm truyền điều khiển :
(3.3)
Hàm truyền bộ truyền động (actuator):
(3.4) TF1, TF2 có hàm truyền tương ứng dạng và Động cơ Diezen và hàm truyền như sau:
Hình 3.5: Hệ thống động cơ Diezen và hàm truyền[5].
Trong đó:
- wref, w là tốc độ đáp ứng và tốc độ thực tế
Sử dụng phần mềmMatlab-Simulink mô phỏng động cơ Diezen như Hình 3.6 dưới đây:
Hình 3.6: Sơ đồ mô phỏng động cơ Diezen
3.3 Mô hình toán học pin quang điện
3.3.1 Khái quát chung
Pin mặt trời PV (Photovoltaic cell) gồm các lớp bán dẫn chịu tác dụng của quang học để biến đổi các năng lượng phôton bức xạ mặt trời thành năng lượng điện. Theo quan điểm năng lượng điện tử, pin mặt trời có thể được coi là những nguồn dòng biểu diễn mối quan hệ phi tuyến I-V như ở Hình 3.7.
Hình 3.7. Đặc tính làm việc của pin mặt trời
Điện năng được sản suất ra bởi pin quang điện phụ thuộc vào cường độ bức xạ mà bề mặt tấm pin nhận được, đường đặc tính điện áp – dòng điện của pin có được từ định luật Kirchhoff một như sau:
(3.5)
Đối với hệ thống pin quang điện bao gồm Np dãy mắc song song, mỗi dãy gồm Ns tế bào nối tiếp, công thức (1) chuyển hóa thành
(3.6)
V, I: điện áp [V] và dòng điện [A] đầu ra của pin quang điện. Iph: dòng photon [A]; Rs: điện trở nối tiếp [Ω]
q: điện tích, q=1,602.10-19 C;
k: hằng số Boltzman, k=1,381.10-23 J/K n: hệ số lý tưởng của diode
Điện trở Rsh thường có giá trị rất lớn nên dòng điện Ish có giá trị nhỏ, có thể bỏ qua, như vậy phương trình (3.4) biến đổi thành:
(3.7)
(3.8)
Trường hợp hệ thống quang điện bao gồm nhiều đơn vị tế bào ghép lại, ta có:
(3.9)
Nguồn dòng điện phụ thuộc chủ yếu vào cường độ bức xạ mặt trời và nhiệt độ làm việccủa pin.
(3.10)
Trong đó:
Isc: dòng điện ngắn mạch của pin ở điều kiện 25oC và cường độ bức xạ là 1000 W/m2.
λ: cường độ bức xạ mặt trời, kW/m2
3.3.2 Sơ đồ thay thế
Hình 3.9: Sơ đồ thay thế pin mặt trời
Trong đó: G : Cường độ bức xạ mặt trời. Iph : Dòng điện pin.
Is : Dòng điện bão hòa ngược. Rsh : Điện trở shunt.
Rs : Điện trở pin
3.3.3 Sơ đồ mô phỏng pin mặt trời bằng phần mềm simulink
Sử dụng phần mềm Simulink mô phỏng hệ thống pin năng lượng mặt trời như Hình 3.10.
Hình 3.10: Sơ đồ mô phỏng năng lượng mặt trời bằng phần mềm Simulink
Kết hợp hai sơ đồ mô phỏng pin năng lượng mặt trời Hình 3.10 và hệ thống Diezen Hình 3.9, ta có sơ đồ mô phỏng hệ thống kết hợp giữa pin năng lượng mặt trời – Diezen như Hình 3.11 dưới đây:
Hình 3.11: Sơ đồ mô phỏng hệ thống năng lượng mặt trời-Diezen bằng phần mềm Simulink
4.1 Kết quả
4.1.1 Kết quả mô phỏng hệ Diezen bằng phần mềm Matlab – Simulink
Sử dụng phần mềm Matlab – Simulink mô phỏng hệ thống Diezen như Hình 3.6 ở trên ta được:
Khi ta để hệ số khuếch đại K = 20 và các thông số khác như hình3.7:
Hình 4.1 Các thông số điều khiển động cơ Diezen trong phần mềm Matlab - Simulink
Ta sẽ nhận được dạng đồ thị tốc độ của bộ diezen như sau: Dạng đồ thị tốc độ của bộ Diezen khi K = 20
Hình 4.2: Dạng đồ thị tốc độ của bộ Diezen khi K = 20
K =20
T1 =0.01(s) T2 =0.02(s) T3 =0.2(s)
T4 =0.25(s) T5 =0.009(s) T6=0.0384(s)
Td = 0.024(s)
Tmin = 0.1pu Tmax = 1pu
Ta nhận được các giá trị cho bộ Diezen khi K = 20 như sau: >> Độ quá điều chỉnh ∆hmax = 2%
>> Thời gian đáp ứng Tr = 0.1s >> Thời gian quá độ T2% = 0.7 s
Khi ta thay K = 40 ta được giá trị của bộ Diezen như sau:
Hình 4.3: Dạng đồ thị tốc độ của bộ Diezen khi K =40
Ta nhận được các giá trị cho bộ Diezen khi K = 40 như sau: >> Độ quá điều chỉnh ∆hmax = 1%
>> Thời gian đáp ứng Tr = 0.1s >> Thời gian quá độ T2% = 0.5s
Ta nhận thấy thời gian quá độ của bộ Diezen khi K = 40 (t = 0.5s) là nhanh hơn
so với K = 20 (t = 0.7s). Cùng với đó độ quá điều chỉnh khi K = 40 (1%) nhỏ hơn so với khi K = 20 (2%). Qua đó ta thấy K = 40 cho chất lượng tốt hơn khi K = 20. Làm tiếp nhận thấy K nằm trong khoảng (15; 75) thì chất lượng tốt hơn cả.
Kết luận: Qua quá trình mô phỏng, ta lựa chọn được thông số mô hình Diezen