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 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
Bảng 4.1 Thông số mô hình động cơ Diezen phù hợp nhất[1].
K = 40
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)
4.1.2 Mô phỏng pin năng lượng mặt trời bằng phần mềm Matlab – Simulink
Sử dụng phần mềm Matlab – Simulink mô phỏng hệ thống pin năng lượng mặt trời như Hình 3.10 ở trên ta thu được kết quả như sau:
Hình 4.4: Dạng sóng dòng và áp hệ thống pin năng lượng mặt trời
Nhận xét: Ta thấy tín hiệu dòng áp của hệ thống pin năng lượng mặt trời liên tục nhưng không ổn định và đồng trục như mong đợi.
Hình 4.5: Dạng sóng công suất của pin năng lượng mặt trời.
Nhận xét: Do giá trị dòng áp nhỏ dẫn đến công suất thu được cũng nhỏ theo. Tín hiệu công suất cũng liên tục nhưng ổn định như mong đợi.
Hình 4.6: Tín hiệu điện áp, dòng điện một chiều thu được sau tấm pin mặt trời
Nhận xét: Ta thấy giá trị dòng điện giảm dần theo thời gian mô phỏng, trong khi điện áp tăng dần dẫn đến công suất cũng tăng dần theo điện áp. Chúng ta có thể sử dụng điện áp một chiều thu được này cho các thiết bị điện một chiều.
4.1.3 Mô phỏng hệ thống kết hợp năng lượng mặt trời và Diezen bằng phần mềm Matlab – Simulink
4.1.3.1 Hệ thống khi chưa có bộ khuếch đại
Sử dụng phần mềm Matlab – Simulink mô phỏng hệ thống kết hợp pin năng lượng mặt trời – Diezen như Hình 3.11 ở trên khi chưa có bộ khuếch đại trước khối hiển thị ta thu được kết quả như sau:
Hình 4.7: Dạng sóng mô phỏng dòng điện xoay chiều pin mặt trời khi chưa có bộ khuếch đại
Nhận xét: Ta thấy tín hiệu dòng điện thu được là xoay chiều gần sin, tuy nhiên giá trị dòng là rất lớn thiết bị điện sẽ không chịu được và sẽ gây cháy phá hủy cách điện cũng như dây dẫn. Cần có biện pháp giảm dòng nằm trong khoảng cho phép của thiết bị điện và dây dẫn điện.
Hình 4.8: Dạng sóng mô phỏng điện áp xoay chiều pin mặt trời khi chưa có bộ khuếch đại
Nhận xét: Cũng tương tự tín hiệu dòng thu được như trên, giá trị điện áp có dạng xoay chiều gần sin nhưng có giá trị rất lớn vượt quá giá trị làm việc của thiết bị điện.
Hình 4.9: Dạng sóng mô phỏng công suất khi chưa có bộ khuếch đại
Nhận xét: Công suất thu được có giá trị lớn nhưng nằm gần như toàn bộ phía dưới gốc tọa độ 0.
Hình 4.10: Tín hiệu mô phỏng tốc độ bộ Diezen
Nhận xét: Tốc độ bộ Diezen giảm dần theo thời gian.
4.1.3.2 Hệ thống khi có thêm bộ khuếch đại
Sử dụng phần mềm Matlab – Simulink mô phỏng hệ thống kết hợp pin năng lượng mặt trời – Diezen như Hình 3.11 ở trên khi có thêm bộ khuếch đại trước khối hiển thị ta thu được kết quả như sau:
Hình 4.11: Dạng sóng mô phỏng điện áp xoay chiều khi có thêm bộ khuếch đại
Nhận xét: Ta thấy tín hiệu điện áp thu được sau khi qua bộ khuếch đại ( bộ phận giảm áp trong thực tế) có dạng xoay chiều gần sin với giá trị khoảng U=220 V (khi tín hiệu ổn định) nằm trong khoảng làm việc cho phép của thiết bị điện xoay chiều trong thực tế.
Hình 4.12: Dạng sóng mô phỏng dòng điện xoay chiều khi có thêm bộ khuếch đại
Nhận xét: Tương tự tín hiệu điện áp khi có thêm bộ khuếch đại, dòng điện thu được có dạng xoay chiều gần sin với gía trị nằm trong khoảng làm việc cho phép của thiết bị điện.
Hình 4.13: Dạng sóng mô phỏng công suất khi có thêm bộ khuếch đại
Nhận xét: Do giá trị dòng áp nằm trong khoảng cho phép nên giá trị công suất cũng có giá trị trung bình nắm trong dải công suất cho phép của các thiết bị điện. Tuy nhiên tín hiệu công suất vẫn nằm dưới trục âm của đồ thị, cần điều chỉnh để có tín hiệu ổn định và phân bố đều về 2 phía âm dương của đồ thị.
Kết luận: Kết quả mô phỏng thu được cho thấy năng lượng điện sau khi qua
khối pin mặt trời là tín hiệu một chiều và sau khi đi qua bộ Inverter thì tín hiệu được chuyển thành dạng xoay chiều. Tin hiệu dòng , áp tương đối lớn so với mong muốn của thụ điện nhưng vẫn có thể xử lý được bằng nhiều cách khác nhau như cầu giảm áp, …ở đây sử dụng bộ khuếch đại với hệ số khuếch đại là k=0,1 cho kết quả tương đối phù hợp với thực tế. Khi có sự kết hợp giữa hệ năng lượng mặt trời và Diezen thì tín hiệu thu được có dạng hình sin, tín hiệu ổn định và đảm bảo hơn so với không kết hợp với hệ Diezen do ngoài vai trò như một nguồn dự phòng thì máy phát Diezen còn có tác dụng bù công suát phản kháng cho hệ thống hệ thống không bị sụt áp, ổn định và liển tục hơn…
4.2 Thảo luận
-Giá trị tín hiệu thu được lớn hơn so với yêu cầu khi không sử dụng thiết bị giảm áp. -Tín hiệu không ổn định và không đồng trục khi mô phỏng hệ năng lượng mặt trời mà không kết hợp với hệ Diezen.
-Khả năng xuống cấp của hệ thống thực tế trong thời gian hoạt động.
-Sử dụng chuyển mạch tự động cho hệ thống : thiết bị này dùng để chuyển mạch giữa máy phát Diezen và điện từ năng lượng mặt trời tuỳ trạng thái khi dùng phối hợp giữa chúng.
Kết luận và kiến nghị 1. Kết luận
Đồ án “Sử dụng phần mềm Matlab Simulink mô phỏng hệ Diezen - năng
lượng mặt trời ”đã hoàn thành và cho được kết quả như sau:
- Thiết kế và chạy mô phỏng thành công hệ thống pin năng lượng mặt trời bằng phần mềm Matlab Simulink.
- Thiết kế và chạy mô phỏng thành công hệ thống máy phát Diezen bằng phần mềm Matlab Simulink.
- Thiết kế và chạy mô phỏng thành công hệ thống kết hợp Diezen - năng lượng mặt trời, tín hiệu thu được có dạng hình sin liên tục tương đối khả quan bằng phần mềm Matlab Simulink.
- Sử dụng khá thành thạo phần mềm Matlab Simulink.
Hình 4.14: Hình ảnh chạy mô phỏng phần mềm Simulink
hạn chế như sau:
-Tín hiệu khi không có sự kết hợp với hệ Diezen vẫn chưa cho ra kết quả ổn định như mong đợi.
-Giá trị các tín hiệu lớn nhỏ khác nhau chưa có tính toán và thiết kế được bộ điều tiết tín hiệu.
-Hệ thống thiết kế còn phức tạp, chưa có sự sắp xếp và bố trí hợp lý.
5.2 Kiến nghị
-Dùng phần mềm hoặc công cụ khác để mô phỏng và kiểm tra hệ thống.
- Nghiên cứu để có hệ thống tự động điều chỉnh dàn pin theo hướng ánh sáng để nâng cao hiệu suất của hệ thống.
- Cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển đề tài ở quy mô lớn hơn nữa để kết quả đem lại có ý nghĩa về mặt thực tiễn, có khả năng ứng dụng cao.
- Nhân rộng mô hình lai giữa hệ Diezen – năng lượng mặt trời với quy mô, số lượng, công suất lớn hơn.
- Xây dựng các mô hình hệ thống phát điện kết hợp khác như: Gió- Mặt trời- Diezen: + Đối với các huyện đảo ở khu vực Biển Đông có tiềm năng gió tốt, dân cư thường sống tập trung thì hệ thống kết hợp tua bin gió + pin mặt trời + máy phát diezen.
+ Đối với các đảo nhỏ, số dân ít, dân cư sống tập trung, không có tiềm năng phát triển sản xuất, thì hệ thống kết hợp tua bin gió + pin mặt trời + máy phát diezen.
+ Đối với khu vực miền núi thường có tiềm năng về thuỷ điện nhỏ kết hợp pin mặt trời + TĐN + ắc quy + máy phát diezen.
+ Pin mặt trời + TĐN + ắc quy cung cấp điện tập trung và chỉ cung cấp một số giờ cao đỉểm trong ngày.
+ Đối với một số khu vực đặc biệt ở miền núi có tiềm năng gió địa hình thì có thể khai thác hệ thống kết hợp tua bin gió + pin mặt trời.