nk Top Tref qEg e Tref Top Irs Is 1 1 ( 4.4 Rp rs V Ish 1 4.5
Iph = Gk [Isc + k1(Top –Tref )] 4.6
I=Iph-Id - Ish
4.7
4.8
4.3 Mơ hình Pin mặt trời
Pin mặt trời (PV) là thiết bị chuyển năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng. Đặc tuyến cơng suất, dịng điện của pin mặt trời phụ thuộc vào bức xạ mặt trời, nhiệt độ của pin và điện áp ra của PV. Vì đặc tuyến của PV khơng tuyến tính
52
nên rất cần thiết phải xây dựng mơ hình PV phục vụ cho việc nghiên cứu thiết kế MPPT cho các ứng dụng của PV. Mơ hình tốn học của pin mặt trời được xây dựng và phát triển trong nhiều thập kỷ qua. Hầu hết chúng mơ tả chi tiết được các đặc tuyến của PV dưới các điều kiện mơi trường. Tuy nhiên chúng được xây dựng trong các phần mềm điện tử như PSIM, SPICE hay sử dụng chương trình dạng “script file” để mơ tả pin mặt trời trong Matlab. Việc này gây khĩ khăn trong việc nghiên cứu và mơ phỏng các ứng dụng liên quan đến PV, cũng như việc khảo sát các đặc tính khác của PV. Hơn nữa trong phần mềm Simulink/Matlab cũng khơng cĩ các thư viện về mơ hình PV. Như vậy cần thiết phải xây dựng mơ hình PV sử dụng các khối hàm sẵn cĩ trong thư viện Simulink/Matlab.
Mơ hình pin mặt trời được xây dựng trong Matlab/Simulink, trong đĩ các biểu thức f(u) được xây dựng dựa trên các biểu thức I-V của pin mặt trời từ các cơng thức từ (4.1-4.8).
53
Hình 4.2: Mơ hình Pin mặt trời thu gọn
54
Hình 4.4: Mơ hình Pin mặt trời dạng vật lý nối tải
Để thực hiện mơ phỏng, tác giả sử dụng pin mặt trời thương mại MSX 60, cĩ thơng số như sau:
Bảng 4.1. Thơng số của pin mặt trời thương mại MSX 60 tại 1 kW/m2 , 25 oC
Đặc tính Thơng số Đặc tính Thơng số
Cơng suất đỉnh (PP) 60 W Hệ số nhiệt độ của VOC 80-90 mV/oC Điện áp đỉnh (VPP) 17.1 V Hệ số nhiệt độ của ISC (KI) 3 mA/oC
Dịng điện đỉnh (IPP) 3.5 A Ảnh hưởng nhiệt độ lên
cơng suất -0.38 W/ o C Dịng ngắn mạch (ISC ) 3.8 A Nhiệt độ vận hành bình thường (NOCT) 49 o C Điện áp hở mạch (VOC) 21.1 V
55
Hình 4.5. Các thơng số đầu vào của pin mặt trời 4.4 Mơ hình mơ phỏng hệ thống pin năng lượng mặt trời. 4.4 Mơ hình mơ phỏng hệ thống pin năng lượng mặt trời.
56
Hình 4.6: Mơ hình hệ thống pin năng lượng mặt trời cĩ bộ điều khiển PID
Pin mặt trời nhận năng lượng bức xạ, tạo ra nguồn điện 12V, 7.5A trên một sell. Tín hiệu dịng và áp được đo lường đưa vào giải thuật MPPT & PO kết hợp PID dị tìm điểm cĩ cơng suất lớn nhất với điện áp 20,1V, qua mạch Buck - Boost tạo điện áp ổn định 20V và nạp vào bình ắc quy để lưu trữ sử dụng cho tải một chiều hay làm nguồn nghịch lưu thành điện xoay chiều trong điều kiện thời tiết xấu. Tín hiệu dịng điện lý thuyết được đưa qua khối chuyển SPS đổi tạo ra nguồn dịng điện một chiều vật lý. Diode làm phẳng nguồn điện một chiều đưa vào biến trở nhằm tạo ra điện áp một chiều. Biến trở này thay đổi được bởi hàm dốc. Tín hiệu điện áp được hồi tiếp về kết hợp với hàm dốc để điều khiển biến trở nhằm tìm nhanh chống điểm cực đại điện áp và ổn định điện áp, việc này sẽ dẫn đến cơng suất phát ra của pin năng lượng mặt trời cực đại.
Thơng số của bộ PID trong mơ hình: P= 1; I=100; D=0.0005; N=100
57
4.5 Phương pháp điều khiển tìm điểm cực đại 4.5.1 Lưu đồ giải thuật tìm điểm cực đại 4.5.1 Lưu đồ giải thuật tìm điểm cực đại
Hình 4.7: Lưu đồ giải thuật tìm điểm cực đại bằng PID
Phương pháp này dựa trên việc phân tích đạo hàm của cơng suất theo điện áp. Ở bên trái điểm cực đại, đạo hàm cĩ giá trị dương. Ở bên phải điểm cực đại đạo hàm cĩ giá trị âm.
Giải thuật này dựa trên việc so sánh những biểu thức trên để xác định điểm cực đại. Tỷ số độ thay đổi dịng điện và điện áp được so sánh với tỷ số dịng điện và
0 0 0 V I V I V I Tại điểm MPP
Bên trái điểm MPP Bên phải điểm MPPP
58
điện áp tức thời để biết được PV đang vận hành ở bên trái hay bên phải so với điểm cưc đại. Khi điểm vận hành của PV đến được điểm cực đại, giá trị đặt sẽ được giữ khơng đổi. Khi cĩ sự thay đổi về điều kiện mơi trường và tải, giải thuật sẽ so sánh tiếp để điều chỉnh giá trị đặt nhằm bắt cơng suất cực đại mới.
4.5.2 Khi điện trở nối tiếp Rs thay đổi
Cơng suất cực đại ngõ ra hay đổi khi điện trở Rs của pin thay đổi (Rs=0.01, 0.02, 0.03, 0.04, 0.05). Các tham số mơ phỏng:
- Bức xa Ir (Irradiance)= 476.84 W/m2 - Nhiệt độ T=25oC.
- Hệ số lý tưởng N = 1.1; Dịng điện ngược bão hịa Is = 0.1 nA
Hình 4.8: Đặc tuyến I-V, P-V khi thay đổi Rs
Bảng 4.2: Giá trị Vm, Pm khi Rs thay đổi.
Rs () 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05
Vm (V) 0.573 0.543 0.514 0.490 0.467
Pm (W) 1.902 1.7925 1.68 1.575 1.474
Cĩ thể thấy được cơng suất cực đại đạt được khi Rs nhỏ nhất, Rs càng tăng thì cơng suất cực đại giảm.
4.5.3 Khi Is thay đổi
Tiến hành khảo sát đặc tuyến và đo giá trị Pm khi thay đổi Is = 0.1; 1; 10nA. Các tham số mơ phỏng:
59 - Điện trở Rs = 0.01.
- Bức xa Ir (Irradiance)= 476.84 W/m2 - Nhiệt độ T=25oC.
- Hệ số lý tưởng N = 1.1
Hình 4.9: Đặc tuyến I-V và P-V khi Is thay đổi
Bảng 4.3: Giá trị Vm, Pm khi Is thay đổi.
Is (nA) 0.1 1 10
Vm (V) 0.581 0.512 0.463
Pm (W) 1.902 1.688 1.475
Từ đường đặc tuyến 4.9 và và bảng 4.3 cho thấy cơng suất cực đại giảm khi tăng Is
4.5.4 Khi thay đổi nhiệt độ T
Khảo sát đặc tuyến khi thay đổi T=25, 45, 65, 85oC. Các tham số khác - Điện trở Rs = 0.01.
- Bức xa Ir (Irradiance)= 476.84 W/m2 - Is = 0.1nA.
60
Hình 4.10: Đặc tuyến I-V và P-V khi T thay đổi
Bảng 4.4: Giá trị Vm, Pm khi T thay đổi.
T oC 25 45 65 85
Vm (V) 0.632 0.592 0.551 0.515
Pm (W) 1.891 1.751 1.64 1.507
Cơng suất đạt giá trị cao khi nhiệt độ càng tăng cao, như vậy muốn thu được cơng suất cao, nhiệt độ ( bức xạ) luơn phải ở mức độ cao ( nắng nhiều) vì vậy sẽ khơng phù hợp với điều kiện thời tiết, hơn nữa tuổi thọ của tấm Pin năng lượng cũng sẽ kém bền, vì vậy với Bộ điều điều khiển PID, điều chỉnh dị tìm điện áp cực đại đảm bảo nạp cho Ắc-quy, nếu nhiệt độ yếu bộ điều khiển PID sẽ điều chỉnh để cĩ được điện áp quanh điểm cực đại hoặc nếu quá cao sẽ ngắt khơng hấp thụ năng lượng để bảo vệ tấm Pin Năng lượng.
61
Hình 4.11: Độ rọi thay đổi ngẫu nhiên trong thời gian 1s
62
Hình 4.13: Điện áp PV so sánh với giải thuật P&O
63
Hình 4.15: Điện áp MPP của PV tương ứng với cơng suất thu được
Khi độ rọi thay đổi ngẫu nhiên như trong hình sau.
Hình 4.16:Độ rọi thay đổi ngẫu nhiên, hoặc khá ổn định trong một khoảng thời gian So sánh điện áp ra của Pin mặt trời khi chưa sử dụng bộ PID ( V2) và khi cĩ So sánh điện áp ra của Pin mặt trời khi chưa sử dụng bộ PID ( V2) và khi cĩ bộ PID (V).
64
Hình 4.17: Đường đặc tính điện áp ra của Pin năng lượng mặt trời khi sử dụng
PID và khơng cĩ PID
Điện áp ngõ ra như thể hiện trong hình 4.9 đường nét đứt ( V2) thể hiện sự vọt lố điện áp theo bức xạ mặt trời, đường nét liền ( V) thể hiện cho thấy rằng khi sử dụng thuật tốn PID cho khâu MPPT cĩ giá trị ổn định, vì vậy nguồn nạp vào Ắc-quy sẽ ổn định và luơn đạt xung quanh giá trị cực đại làm cho Ắc-quy cĩ tuổi thọ cao hơn. So sánh giá trị của điện áp khi cĩ PID ( V) và khơng sử dụng bộ điều khiển PID ( V2) thấy độ vọt lố của điên áp tăng theo thời gian, điều này sẽ gây ảnh hưởng đến việc mất ổn định nguồn nạp vào Ắc-quy.
65
Hình 4.18: Đường đặc tính dịng điện ra của Pin mặt trời khi sử dụng PID và
khơng cĩ PID
Khi sử dụng bộ điều khiển PID thay đổi nhiệt độ từ 25oC nhiệt độ thơng thường của buổi sáng lên 35oC nhiệt độ trung bình của buổi trưa nhận được đường đặc tính điện áp như sau:
Hình 4.19: Điện áp ra của Pin khi thay đổi nhiệt độ
66
Hình 4.20: Dịng điện thu được từ PV
67
Hình 4.22: Dịng điện nạp vào Ắc - quy
Hình 4.23 Cơng suất phát ra từ PV và cơng suất thu được trên tải
Nhận xét: Khi sử dụng bộ MPPT với giải thuật đề xuất, ta thấy điện áp làm việc của pin mặt trời luơn giao động tại điểm MPP (Hình 4.21) nhờ bộ MPPT điều khiển độ rộng xung cho mạch boost và cơng suất thu được từ pin mặt trời đạt cực đại (Hình 4.23).
68
Từ hình 4.19 ta thấy rằng điện áp ngõ ra luơn đạt được giá trị cực đại khi cĩ thuật tốn PID. Vì vậy, hiệu suất nạp vào Ắc-qui của bộ sạc sẽ được nâng cao. Hình 4.22 cho thấy dịng điện nạp Ắc-qui sẽ giảm về 0 khi được nạp đầy. Mặc dù trong thực tế thời gian nạp sẽ lâu hơn nhiều nhưng trong phần mơ phỏng này tác giả đã cho Ắc- qui nạp từ giá trị là 90% thời gian biểu thị trong khoảng 0,2s. Bên cạnh đĩ, với đặc tính V-I cĩ được trong hình 4.22, ta nhận thấy đặc tính này phù hợp với đặc tính làm việc ở chế độ bình thường của Ắc-qui ta nhận thấy đặc tính này phù hợp với đặc tính làm việc ở chế độ bình thường của Ắc- qui.
69
CHƯƠNG 5
TÍNH TỐN THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Xác định tính hiệu quả kinh tế của hệ thống Pin năng lượng mặt trời cần phải nghiên cứu xem giá trị kinh tế, giá trị lợi ích về yếu tố mơi trường thì việc đầu tiên cần tìm hiểu là liệu sử dụng hệ thống điện mặt trời cĩ mang lại lợi ích kinh tế khơng, hay chỉ đơn thuần là cĩ lợi cho mơi trường. Trên cơ sở đĩ nghiên cứu mơ phỏng thử nghiệm như sau:
5.1 Thực nghiệm mơ hình hệ thống Pin năng lượng mặt trời Bảng 5.1: Các thơng số thiết kế mơ hình Bảng 5.1: Các thơng số thiết kế mơ hình Thành phần Thơng số kỹ thuật Ghi chú Đèn đường LED Cơng suất: 100W Thơng số sản phẩm nhà sản xuất Quang thơng: 110-130Lm
Điện áp đầu vào: 219 -223 V
Nhiệt độ màu: Trắng :5500K~6500K Gĩc chiếu:120°
Nhiệt độ làm việc:-30°C~+50°C
Vật liệu vỏ: Nhơm màu bạc, kính chịu lực Nhiệt độ làm việc ngồi trời: ≤55°
Tiêu chuẩn chống nước:IP65 Trọng lượng: 1,4 kg
Kích thước: L682*W308*H110mm
Tấm pin mặt trời
Cơng suất: Poly solar panel 110W/17.5V x 2 tấm Thơng số sản phẩm nhà Độ bền: 20-25 năm
70
Trọng lượng: 14,5 kg/tấm sản xuất
Kích thước: 52x126x6 cm
Ắc - qui
Pin chì dung dịch axit: 100AH/12V
Thơng số sản phẩm nhà
sản xuất Ắc-quy chuyên dùng trong hệ thống NLMT
Độ bền: 3-5 năm Kích thước: 35x20x25 cm Trọng lượng: 36kg Bộ sạc và cảm biến ánh sáng 12V/10A
Tắt mở tự động, điều khiển ánh sáng, điều khiển tay
Nguyên lý thiết kế Bảo vệ pin, tự ngắt sạc
Khi Pin đang được sạc, hệ thống sẽ điều chỉnh điến áp vào và tự sạc
Chức năng xả năng lượng tự động và tự sạc pin Chức năng điều chỉnh nhiệt độ
Ngăn chặn sạc pin khi đang sử dụng tấm pin mặt trời Chống tắt tự động và quá tải Inverter Áp vào 12 – 18VDC Nguyên lý thiết kế Điện áp ngõ ra 12 – 15VAC Dạng sĩng: sin chuẩn
Biến áp Điện áp/ dịng điện sơ cấp 12VAC/10A Nguyên lý thiết kế Điện áp/ dịng điện thứ cấp 215 – 223V/2A
Cột đèn thép
Chiều cao cột: 5,5m , cĩ tay vươn đèn
Thiết kế theo yêu cầu Gía đỡ tấm pin Năng lượng mặt trời
Cáp điện 7 lõi trịn 3,5mm
Thời gian làm việc
8-12 giờ/ngày, 4 giờ sạc đầy năng lượng,
Bình Ắc quy sạc đầy điện, sử dụng được 2-3 ngày mưa
Dự kiến thực nghiệm
71
5.1.1 Sơ đồ thiết kế
Hình 5.1: Sơ đồ thiết kế của mơ hình
5.1.2 Mạch Inverter
Bộ nghịch lưu (Inverter) Là bộ biến đổi từ điện một chiều (DC) thành điện xoay chiều (AC) - 220V/50Hz. Với cơng nghệ Switching tiên tiến. Nguồn một chiều thường là từ Ắc - quy 12V, 24V, 48V… Cĩ hai dịng sản phẩm chính với nhiều mức cơng suất theo yêu cầu sử dụng:
- Dạng sĩng Sin mơ phỏng (modified sine wave): Với đặc điểm là giá rẻ, nhỏ gọn. Thường được dùng cho các thiết bị như: Máy vi tính, đèn compact, TV, đầu máy DVD, CD, MP3… tuy nhiên khơng dùng được với các thiết bị cĩ tính cảm kháng như quạt, motor…
- Dạng sĩng Sin thực(True/Pure sine wave): Với đặc điểm dạng sĩng ra hồn tồn giống như điện lưới. Dịng sản phẩm này cho phép sử dụng tốt với tất cả mọi thiết bị điện.Tuy nhiên giá thành cao hơn so với dạng Sin mơ phỏng.
72
Hình 5.2 : Sơ đồ nguyên lý mạch Inverter Linh kiện trong mạch: Linh kiện trong mạch:
IC PIC16F684, IC 4081, IC IR2101,
Transitor hiệu ứng trường (mosfet) IRF3205 Đi ốt 1N4007
Điện trở: 100 Ohm
Tụ khơng phân cực 225/400VAC Tụ hĩa 10u/35VDC
73
5.1.3 Hình ảnh mơ phỏng của mạch Inverter (hình 3D)
5.1.4 Mạch sạc Ắc - quy và cảm biến ánh sáng
Hình 5.4: Sơ đồ nguyên lý mạch nạp ắc-qui và cảm biến ánh sáng Hình 5.3: Hình ảnh mơ phỏng mạch inverter Hình 5.3: Hình ảnh mơ phỏng mạch inverter
74
Khi trời sáng LDR dẫn làm cho Q1 dẫn kép áp phân cực Q2 xuống mức thấp làm Q2 ngưng dẫn, lúc này relay RL1 khơng hút tiếp điểm thường đĩng của RL1 cấp nguồn cho mạch sạc.
Khi trời tối LDR ngưng dẫn làm Q1 ngưng, nhưng vậy Q2 được phân cực thuận và dẫn làm RL1 hút tiếp điểm cấp nguồn cho mạch sạt ngắt và tiếp điểm cấp nguồn điều khiển Inverter đĩng lại.
Nguyên lý hoạt động: đầu tiên khi dược cấp nguồn cho mạch PIC 12F857 sẽ dị áp của Ắc - quy qua cầu phân áp gồm điện trở 47K và 8K2, nếu áp Ắc - quy dưới 20V, PIC12F857 sẽ phát ra mức cao làm Q3 dẫn, lúc này Relay đĩng lại dẫn nuồn nạp từ Pin vào Ắc - quy.
Do điện áp từ pin NLMT khơng ổn định nên khi cĩ bộ điều khiển PID điều khiển cho dị áp MPP nếu áp sau khi đĩng relay điện áp chênh lệch nhỏ dưới 1V thì relay sẽ ngắt, khi áp lệch lớn hơn 1V thì IC sẽ giữ cố định relay để tận dụng dịng nạp tối đa.
Khi Ắc - quy đầy, IC dị được áp dao động khoảng 21 V thì relay RL1 ngắt quá trình nạp.
Các đèn led D2,D3,D4 hiển thị trạng thái của Ắc – quy, D1 sáng báo Ắc - quy đang cạn, D2 sáng báo Ắc - quy đang ở mức trung bình cho phép tải sử dụng hoặc nạp tiếp. D3 sáng báo Ắc - quy đầy, và ngưng nạp.
75
Hình ảnh mơ phỏng mạch (hình 3D).
Hình 5.5: Mạch sạc ắc-qui và cảm biến ánh sáng
5.1.5 Tải đèn đường (tải AC)
Nghiên cứu chọn đèn đường led để sử dụng hệ thống vì: