5 LỰA CHỌN, TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI
6.11 Sơ đồ mạch thực nghiệm bộ biến đổi sạc ắc quy
6.2.1 Kết quả thực nghiệm bộ sạc ắc quy sử dụng năng lượng mặt trời
Hình 6.11 là hình ảnh thực nghiệm của bộ biến đổi sạc ắc quy. Trong đó:
1) Tụ đầu ra.
2) Diode.
3) MOSFET.
4) Cuộn kháng.
5) Nguồn cho mạch điều khiển.
6) Hiển thị dòng điện và điện áp trên LCD 16x2.
7) Tụ đầu vào và cầu chì bảo vệ.
8) Vi điều khiển Tiva TM4C1230H6PM.
Bộ điều khiển được rời rạc hóa, sau đó được lập trình bằng vi điều khiển, tần số trích mẫu là 10kHz. Trong khoảng thời gian 10kHz, vi điều khiển cần đảm bảo đủ nhanh để thực hiện các thuận toán, tính toán các bộ điều khiển.
Đối với bộ sạc, một kênh PWM được sử dụng để cung cấp tín hiệu điều khiển, các linh kiện điện tử opto để cách ly và IR2103 được sử dụng để đệm tín hiệu điều khiển từ đó đóng mở van MOSTFET.
Nguồn điện để cung cấp cho mạch điều khiển và LCD được lấy từ ắc quy, sau đó qua IC7805, IC7815 để tạo mức điện áp phù hợp.
Các thông số của bộ sạc được hiển thị bằng LCD với các giá trị: • Ir là dòng điện trên cuộn cảm.
• Vg là điện áp dầu vào. • Vb là điện áp đầu ra.
• Ib là dòng điện sạc cho ắc quy.
Kết quả thực nghiệm ở chế độ 1 với việc dò và bám công suất cực đại
Trong quá trình thực nghiệm đối với việc dò và bám công suất cực đại, việc so sánh giữa điện áp hở mạch và điện áp sau khi đã bám công suất cực đại là cần thiết, nó sẽ giúp việc đánh giá chất lượng của thuật toán. Cụ thể là khi thuật toán và bộ điều khiển bắt đầu làm việc, điện áp của pin mặt trời sẽ giảm từ giá trị hở mạchVoccho đến khoảng 80%-90% giá trị hở mạch đó và ổn định quanh điểm công suất cực đại này thì coi như đảm bảo yêu cầu.
Dưới đây sẽ đi phân tích từng quá trình làm việc của bộ biến đổi và kiểm tra chất lượng hệ thống. Thông số được đo đạc vào ngày 27/4/2015.
• Bắt đầu thực hiện dò tìm điểm làm việc lớn nhất của pin mặt trời.
Trong Hình 6.13 và 6.14 , hệ thống bắt đầu dò tìm điểm làm việc lớn nhất của pin mặt trời tại thời điểm đó. Điện áp dò tìm bắt đầu giảm dần từ 19,7V xuống 18,3V và dòng điện tăng dần dần dần đến 0.98A.
Hình 6.13: Bắt đầu dò tìm điểm công suất cực đại của pin mặt trời.
• Đang dò tìm điểm làm việc lớn nhất của pin mặt trời.
Hình 6.14: Điện áp và dòng điện bắt đầu tăng lên đến khi tìm được điểm làm việc lớn nhất của pinmặt trời. mặt trời.
• Sau 5 giây, hệ thống đã dò tìm được điểm làm việc lớn nhất của pin mặt trời.
Trong Hình 6.15, khi hệ thống đã tìm được điểm làm việc cực đại. Điện áp đầu vào là 17,6 xấp xỉ 80% điện áp hở mạch. Dòng điện sạc cho ắc quy lên đến 1,24A và điện áp ra lên tới 27V. Thời tiết tại thời điểm đó, công suất lớn nhất có thể lấy từ pin mặt trời làPmax = 27.1,24 = 33,48W.
Hình 6.15: Điện áp và dòng điện tại điểm làm việc lớn nhất của pin mặt trời.
Một số kết quả khác thu được trong ngày được ghi lại trong Bảng 6.1 dưới đây:
Bảng 6.1:Kết quả thực nghiệm ngày 24/5/2015.
Thời gian Điện áp PMT Điện áp ắc quy Dòng điện ra Công suất
12h45 18V 27,5V 1.33A 36W
14h00 17.3V 26,3V 0.97A 25.95W
14h30 16.7V 26V 0.95A 24.2W
16h00 13.9V 25,8V 0.41A 10W
Kết quả cho thấy ứng với mỗi điều kiện về thời tiết, hệ thống vẫn thực hiện MPPT và sạc ắc quy cho dù công suất đạt được có 10W, bộ biến đổi vẫn sạc với dòng điện 0,41A.
Kết quả thực nghiệm ở chế độ 2
Khi điện áp đầu ra tăng đến giá trị quá nạp, bộ biến đổi sẽ giữ áp không đổi tại 27,9V (Hình 6.16) và dòng điện sẽ giảm dần. Trong hình biểu thị giá trị dòng điện 0.32A. Khi giảm xuống 0.13 A, hệ thống làm việc ở chế độ 2.
Hình 6.16: Dòng điện sạc ắc quy giảm dần.
Kết quả thực nghiệm ở chế độ 3
Trên Hình 6.17 thể hiện điện áp sạc ở chế độ 3 được giữ ổn định ở 28V. Dòng sạc giảm dần và được duy trì với dòng sạc nhỏ 0,13A.
6.2.2 Kết quả thực nghiệm bộ chiếu sáng LED
a) Mạch chiếu sáng LED
Hình 6.18: Mạch chiếu sáng cho LED.
Trong đó:
1) Nguồn đầu vào.
2) Nguồn cung cấp cho IC driver.
3) Cầu chì 2A. 4) Cuộn cảm. 5) IR2103. 6) MOSFET. 7) Diode xung. 8) opto.
9) Đầu ra cho LED.
b) Kết quả dòng điện và điện áp đầu ra bộ biến đổi
Hình 6.19: Dòng điện đầu ra cấp cho LED khi chạy 75% tải.
6.3 Kết luận
Kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm được đánh giá và nghiệm thu chương 6 đã cho thấy hệ thống làm việc đáp ứng tốt các yêu cầu thiết kế:
• Thuật toán P&O cho đáp ứng công suất cực đại nhanh đồng thời cũng khắc phục được nhược điểm của thuật toán này với độ giao động tại điểm cực đại thấp
• Thực hiện được 3 chế độ sạc cho ắc quy, bảo vệ ắc quy quá áp, quá dòng.
• Bộ chiếu sáng LED đã thực hiện ổn dòng đầu ra cho LED đảm bảo các yêu cầu về thiết kế.
KẾT LUẬN
Thông qua đồ án tốt nghiệp:“Thiết kế bộ sạc ắc quy sử dụng năng lượng mặt trời và ứng dụng cho tải đèn đường sử dụng LED”, em được tiếp cận với một hướng đi khá mới đó là hệ thống năng lượng mặt trời, bên cạnh vận dụng khá sáng tạo kiến thức được học trong giảng đường, kết hợp với tìm hiểu sách và các bài báo khoa học quốc tế, em đã hoàn thành đồ án của mình với các bước: phân tích hệ thống, phân tích thiết kế, mô hình hóa, thiết các bộ điều khiển, mô phỏng, lập trình, thiết kế mạch thực, kiểm nghiệm và đánh giá.
Một số kết quả quan trọng thu được:
• Tìm hiểu hoạt động của hệ thống PMT
• Triển khai nghiên cứu, thiết kế bộ sạc ắc quy với thuật toán MPPT, cụ thể sử dụng thuật toán P&O, các bộ điều khiển được kết hợp để nâng cao hiệu quả của thuật toán.
• Hệ thống sạc ắc quy lead acid với 3 chế độ, bên cạnh đó bảo vệ dòng, bảo vệ quá áp, và bảo vệ xả sâu nhằm nâng cao tuổi thọ ắc quy.
• Thiết kế bộ biến đổi cho tải LED (40W)với bộ điều khiển dòng.
• Hệ thống tự chiếu sáng khi trời tối và chuyển sang sạc ắc quy khi trời sáng
Hạn chế chưa được giải quyết:
• Hệ thống hoạt động ở công suất còn thấp.
• Van hoạt động còn nóng .
Phương án khắc phục:
• Cải tiến mạch lực, các bộ biến đổi giúp hệ thống hoạt động ổn định hơn với công suất lớn hơn,
• Tính toán và cải tiến tản nhiệt.
• Thực hiện ghép nối hệ thống với lưới điện khi năng lượng trong ắc quy hết.
Trong quá trình thực hiện đồ án, em đã rất cố gắng nhưng chắc cũng không thể tránh khỏi thiếu sót do bị giới hạn về thời gian. Em rất mong nhận được sự nhận xét, bổ xung để đồ án của em được hoàn thiện hơn, em xin chân thành cảm ơn. Em xin chân thành cảm ơn.
Hà Nội, ngày 12 tháng 6 năm 2015 Sinh viên thực hiện
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] P. Hersch, K. Zweibel, “Basic Photovoltaic Principles and Methods,”Technical Infor- mation Office, 1982.
[2] Silje Odland Simonsen, “Development of a Grid connected PV System for laboratory Use,”Norwegian University of Science and Technology, 2009.
[3] M. C. Mira, A. Knott, O. C. Thomsen, M. A. E. Andersen, “Maximum Power Point Tracking Algorithms for Photovoltaic Applications,”Faculty of Electronics, Commu- nications and Automation, 2010.
[4] Diamila Rekioua,Ernest Matagne, “Optimization of Photovoltaic Power systems,”Sp- inger London Dordrecht Heidelberg New York, 2012.
[5] M. G. Villalva, J. R. Gazoli, E. R. Filho, “Analysis and simulation of the P&O MPPT algorithm using a linearized PV array model,”10th Brazillian Power Electronics Con- ference (COBEP), 2009.
[6] R. F. Coelho, F. M. Concer, D. C. Martins, “Analytical and Experimental Analysis of DC-DC Converters in Photovoltaic Maximum Power Point Tracking Applications,”
Federal University of Santa Catarina-Brazil, 2010.
[7] R. W. Erickson, Fundermentals of Power Electronics. Kluwer Academic Publishers,
2001.
[8] QuadTech, “Equivalent Series Resistance of Capacitors,” 2003.
[9] D. S. Morales, “Boost Converter with Combined Control Loop for a Stand-Alone Photovoltaic Battery Charge System,”Power Electronics, IEEE Transactions, 2007.
[10] V. H. Phương, “Thiết kế điều khiển cho các bộ biến đổi điện tử công suất.” 2014.
[11] S. Winder,Power Supplies for LED Driving. Newnes, 2008.
PHỤ LỤC
P1. Mạch nguyên lý bộ sạc ắc quy.
P2. Mạch nguyên lý bộ chiếu sáng LED.
P3. Lưu đồ thuật toán hệ thống .