Nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển nạp acquy từ nguồn năng lượng mặt trời

Đồ án “Nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển nạp acquy từ nguồn năng lượng mặt trời ” nằm trong đề tài lớn : “ Nghiên cứu và thiết kế thiết bị biến đổi nguồn điện một chiều sang xoay ch

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

VŨ TIẾN DŨNG

“Nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển nạp acquy từ

nguồn năng lượng mặt trời ”

TS Lưu Hồng Việt

Hà Nội – Năm 2011

Mục lục 

Danh mục hình vẽ 3 

LỜI MỞ ĐẦU 5 

Chương 1 : Giới thiệu chung 7 

1 Năng lượng mặt trời và vai trò trong phân bố năng lượng hiện nay 7 

2 Mục đích và yêu cầu của đề tài: 8 

Chương 2 : Cơ sở lý thuyết 11 

1 Năng lượng mặt trời và hệ thống pin năng lượng mặt trời 11 

2 Acquy và các phương pháp nạp 16 

3 Nguyên lý bộ nạp năng lượng mặt trời thực hiện 25 

3.1 Sơ đồ biến đổi DC-DC không cách ly 25 

3.2 Sơ đồ biến đổi DC-DC có cách ly 26 

3.3 Lựa chọn sơ đồ nguyên lý cho bộ biến đổi DC-DC 27 

3.4 Sơ đồ biến đổi DC-DC không cách ly Cuk 28 

Chương 3 : Triển khai thực hiện 31 

1 Phương thức điều khiển dòng công suất từ pin mặt trời sang acquy 31 

2 Tính toán thiết kế mạch nạp theo nguyên lý Cuk 34 

3 Xây dựng mô hình bộ biến đổi (DC-DC Cuk converter) 43 

4 Mô hình khâu đo dòng 49 

5 Xây dựng bộ điều khiển 49 

6 Thiết kế mạch điều khiển 53 

7 Thiết kế mạch lực 55 

8 Thuật toán điều khiển 59 

9 Lập trình cài đặt trên vi điều khiển 61 

Chương 4 Kết quả và đánh giá 67 

Kết luận 69 

TÀI LIỆU THAM KHẢO 70   

Danh mục hình vẽ

Hình 1.1: Bảng thống kê các nguồn năng lượng sử dụng năm 2008 7 

Hình 1.2: Lượng khí thải CO2 sinh ra trên tạo ra 1KWh của các nguồn 8 

Hình 1.3: Sơ đồ khối hệ thống năng lượng mặt trời 9 

Hình 2.1: Cách bố trí góc ghiêng β của hệ thống pin 14 

Hình 2.2: Sơ đồ khối hệ thống năng lượng mặt trời 15 

Hình 2.3: Đặc tính điện thế và tỷ trọng khi phóng và nạp với dòng không đổi 17 

Hình 2.4: Đặc tuyến phóng điện thế với Điện thế cuối cùng 18 

Hình 2.5: Dung lượng định mức dựa trên mức 8 giờ 18 

Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý mạch DC-DC Cuk 29 

Hình 2.8: Giản đồ xung mạch của sơ đồ biến đổi Cuk ở chế độ liên tục .30 

Hình 2.9: Giản đồ xung mạch của sơ đồ biến đổi Cuk ở chế độ gián đoạn 30 

Hình 3.1: Bộ MPPT và bộ DC-DC Cuk converter 31 

Hình 3.2: Đặc tuyến dòng-áp với cường độ ánh sáng 1000w/m2, nhiệt độ thay đổi 33  Hình 3.3: Đặc tuyến dòng-áp với cường độ ánh sáng thay đổi 200÷1000w/m2, nhiệt độ PV 25°C 33 

Hình 3.5: Sơ đồ khối DC-DC Cuk trong bộ nạp năng lượng mặt trời 34 

Hình 3.6: Mạch so sánh bảo vệ điện áp 40 

Hình 3.7: Khối so sánh bảo vệ cứng 41 

Hình 3.8: Mạch hỗ trợ mở van snubber RDC 42 

Hình 3.9: Mạch DC-DC Cuk ở hai chế độ đóng/mở van 43 

Hình 3.10: Mạch DC-DC Cuk ở chế độ van đóng D=1 43 

Hình 3.10: Mạch DC-DC Cuk ở chế độ van mở D=0 44 

Hình 3.11: Đáp ứng với tín hiệu step của hàm truyền và hàm xấp xỉ 48 

Hình 3.13: Mô phỏng bộ điều khiển PI số 52 

Hình 3.14: Đáp ứng hệ thống khi sử dụng bộ điều khiển PI số 52 

Hình 3.16: Đáp ứng hệ thống khi sử dụng bộ điều khiển PI số 53 

Hình 3.16: Khối vi điều khiển dsPic30F2020 54 

Hình 3.17: Tín hiệu PWM ra từ RE0, tần số 50kHz, Duty 70% 55 

Hình 3.18: Mạch thực tế được chế tạo 55 

Hình 3.19: Đo áp sử dụng mạch phân áp 56 

Hình 3.20: Đo dòng sử dụng LEM LA-25NP 56 

Hình 3.21: Tín hiệu điều khiển vào Driver 57 

Hình 3.22: Tín hiệu đưa vào driver 57 

Hình 3.23: Tín hiệu vào chân gate của Mosfet 58 

Hình 3.24: Hệ mạch lực và khối cuộn dây và tụ 58 

Hình 3.25: Lưu đồ thuật toán điều khiển 60 

Hình 4.1: Thử nghiệm tải LED cho bộ biến đổi 67   

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, cuộc sống con người ngày càng phát triển, nhu cầu sử dụng năng lượng, đặc biệt là điện năng ngày càng cao Mặt khác các dạng năng lượng hóa thạch dùng để phát điện ngày càng cạn kiện, ngoài ra chúng còn gây ra rất nhiều những ô nhiễm môi trường Năng lượng hạt nhân cũng gây những nguy hiểm tiềm ẩn bởi sự không an toàn Vì thế việc tìm và sử dụng các nguồn năng lượng sạch đang là mối quan tâm của những nhà chiến lược hàng đầu Trong các nguồn năng lượng con người đã và đang sử dụng, những nguồn năng lượng về sức gió, thủy triều, năng lượng mặt trời là những nguồn năng lượng sạch đáng lưu tâm nhất Các nguồn năng lượng sức gió hay thủy triều thường có yêu cầu vị trí lắp đặt và công suất lớn Ngược lại, năng lượng mặt trời có thể lắp đặt hầu hết tất cả các nơi và các dải công suất Chính vì điều này việc phát triển các hệ thống năng lượng mặt trời là một trong những hướng phát triển của khoa học kỹ thuật ngày nay

  Đồ án “Nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển nạp acquy từ nguồn

năng lượng mặt trời ” nằm trong đề tài lớn : “ Nghiên cứu và thiết kế thiết

bị biến đổi nguồn điện một chiều sang xoay chiều (DC-AC) một pha công suất 2kW ứng dụng trong hệ thống biến đổi năng lượng mặt trời ” nhằm

nghiên cứu và sử dụng năng lượng mặt trời chuyển về dạng điện năng một cách hiệu quả nhất sử dụng trong sinh hoạt và sản xuất

Đồ án đi sâu vào nghiêm cứu phương pháp biến đổi năng lượng mặt trời nạp cho hệ acquy, áp dụng cho một phương pháp biến đổi để đưa vào thực tế Sử dụng năng lượng mặt trời không còn là mới nhưng hầu hết ở Việt Nam đều sử dụng với công suất nhỏ và tải thường là 12V hoặc xoay chiều 1

pha Việc nghiên cứu để đưa năng lượng mặt trời sử dụng trực tiếp trong sản xuất cũng là một hướng đi mới, nhằm tăng cường sử dụng các nguồn năng lượng xanh, sạch ở Việt Nam

Tôi xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn chu đáo tận tình của thầy TS Lưu Hồng Việt đã giúp đỡ tôi hoàn thành đồ án này

Đề tài còn nhiều vấn đề cần được chỉnh sửa và cải thiện, tôi cũng hy vọng sẽ tiếp tục thực hiện theo hướng đề tài trong quá trình học tập và công tác sau này

Người thực hiện

Vũ Tiến Dũng

Chương 1 : Giới thiệu chung

1 Năng lượng mặt trời và vai trò trong phân bố năng lượng hiện nay

Trong các nguồn điện năng ngày nay thì năng lượng mặt trời vẫn đang chiếm

tỷ lệ thấp

Hình 1.1: Bảng thống kê các nguồn năng lượng sử dụng năm 2008

Tuy nhiên một trong những đánh giá cao về năng lượng mặt trời là khả năng lắp đặt ở nhiều nơi cũng như công suất cho một hệ thống có thể từ hộ gia đình đến

cả nhà máy điện công suất lớn Bên cạnh đó nguồn nguyên liệu của năng lượng mặt trời là vô tận, cũng như chất thải ra môi trường gần như không có

Lượng khí thải CO2 trên 1KWh điện năng theo các dạng nguồn được thống

kê theo biểu đồ dưới đây

Hình 1.2: Lượng khí thải CO 2 sinh ra trên tạo ra 1KWh của các nguồn

Đây có thể coi là những ưu thế lớn cho các hệ thống năng lượng mặt trời ngày nay, bên cạnh nhược điểm về công suất và giá thành

2 Mục đích và yêu cầu của đề tài:

Năng lượng mặt trời (NLMT) là nguồn năng lượng mà con người biết sử dụng từ rất sớm Từ sau cuộc khủng hoảng năng lượng thế giới năm 1968-1973, năng lượng mặt trời càng được đặc biệt quan tâm Hướng khai thác NLMT được quan chủ yếu hiện nay là biến đổi trực tiếp thành điện năng nhờ các tế bào quang điện, hay gọi là Pin mặt trời Một trong những nhiệm vụ cơ bản được đặt ra trong khai thác nguồn NLMT là lưu trữ bởi lý do chính như sau: (1) Nguồn NLMT không

ổn định hoặc yếu vì vậy không đảm bảo cung cấp đủ công suất để được biến đổi

trực tiếp thành điện theo nhu cầu tiêu thụ, (2) Nguồn NLMT dư thừa có thể được tích trữ để sử dụng khi có nhu cầu

Hệ thống nạp NLMT thường được tích hợp vào hệ biến đổi năng lượng mặt trời có cấu trúc như sau:

Hình 1.3: Sơ đồ khối hệ thống năng lượng mặt trời

Bộ nạp NLMT thực hiện quá trình điều tiết luồng năng lượng từ pin mặt trời dẫn vào acqui để tích trữ Bộ nạp NLMT tối ưu hóa quá trình nạp nhằm đảm bảo tích trữ năng lượng mặt trời với hiệu suất cao nhất

Trong nghiên cứu thiết kế hệ thống nạp các vấn đề được quan tâm bao gồm:

ƒ Mức điện áp của hệ acqui (thường ở các mức 12V, 24V, 48V), đầu vào là điện áp ra của pin mặt trời có dòng và áp thay đổi theo điều kiện chiếu sáng của mặt trời

ƒ Acqui và các phương pháp phóng nạp theo nguyên tắc hoạt động của công nghệ

ƒ Cải thiện nâng cao hiệu suất thu NLMT như thay đổi hướng của pin mặt trời nhằm bám theo mặt trời để thu được hiệu suất cao nhất

Trong nghiên cứu thiết kế trình bày ở đây, giải pháp sử dụng bộ biến đổi

DC-DC theo cấu trúc mạch Cuk đã được sử dụng cho hệ thống nạp Nội dung nghiên cứu được trình bày bao gồm các phần chính như sau:

ƒ Nguyên lý điều khiển quá trình nạp NLMT vào acqui

ƒ Thiết kế phần mạch lực thực thi bộ nạp theo cấu trúc Cuk

Chương 2 : Cơ sở lý thuyết

1 Năng lượng mặt trời và hệ thống pin năng lượng mặt trời

Việt Nam nằm trong khu vực nhiệt đới, vì vậy có nhiều tiềm năng về các nguồn năng lượng xanh như năng lượng sức gió, năng lượng mặt trời hay cả năng lượng thủy triều, sóng biển Do vậy việc sử dụng NLMT ở nước ta sẽ đem lại hiệu quả kinh tế lớn đồng thời giảm ảnh hướng đến môi trường

Trong đồ án này tôi quan tâm đến việc biến đổi năng lượng mặt trời thành điện năng sử dụng Pin mặt trời (Photovoltaic : PV) và lưu trữ bằng acquy

Trước hết ta đi tổng quan về các hệ thống điện năng lượng mặt trời nói chung

Hệ thống năng lượng mặt trời:

Hệ thống điện mặt trời là một hệ thống bao gồm một số các thành phần như: các tấm pin mặt trời (máy phát điện), các tải tiêu thụ điện, các thiết bị tích trữ năng lượng và các thiết bị điều phối năng lượng,…

Thiết kế một hệ thống điện mặt trời là xây dựng một quan hệ tương thích giữa các thành phần của hệ về mặt định tính và định lượng, để đảm bảo một sự truyển tải năng lượng hiệt quả cao từ máy phát – pin mặt trời đến các tải tiêu thụ

Không như các hệ năng lượng khác, “nhiên liệu” của máy phát điện là bức

xạ mặt trời, nó luôn thay đổi phức tạp theo thời gian, theo địa phương và phụ thuộc vào các điều kiện khí hậu, thời tiết,… nên với cùng một tải điện yêu cầu, có thể có một số thiết kế khác nhau tuỳ theo các thông số riêng của hệ Vì vậy, nói chung không nên áp dụng các hệ thiết kế “mẫu” dùng cho tất cả hệ thống điện mặt trời

Thiết kế một hệ thống điện mặt trời bao gồm nhiều công đoạn, từ việc lựa chọn sơ đồ khối, tính toán dung lượng dàn pin mặt trời và bộ acquy, thiết kế các thiết bị điện tử điều phối như các bộ điều khiển, đổi điện… đến việc tính toán lắp đặt các hệ giá đỡ pin mặt trời, hệ định hướng dàn pin mặt trời theo vị trí mặt trời, nhà xưởng đặt thiết bị, acquy,…

Trong hai thành phần được quan tâm ở đây – dàn pin mặt trời và bộ acquy –

là hay thành phần chính của hệ thống và chiếm một tỉ trọng lớn nhất trong chi phí cho một hệ thống điện mặt trời Cùng một phụ tải tiêu thụ, có nhiều phương án lựa chọn hệ thống điện mặt trời trong đó giữa dung lượng dàn pin mặt trời và bộ acquy

có quan hệ tương hỗ sau:

- Tăng dung lượng acquy thì giảm được dung lượng dàn pin mặt trời;

- Tăng dung lượng dàn pin mặt trời thì giảm được dung lượng acquy

Tuy nhiên, nếu lựa chọn dung lượng dàn pin mặt trời quá nhỏ thì acquy sẽ bị phóng kiệt hoặc luôn luôn bị “đói”, dẫn đến hư hỏng Ngược lại, nếu dung lượng dàn pin mặt trời quá lớn sẽ gây ra lãng phí lớn Do vậy phải lựa chọn thích hợp để

hệ thống hoạt động có hiệu quả nhất

Trong thực tế có những hệ thống điện mặt trời nằm trong những tổ hợp hệ thống năng lượng, gồm hệ thống điện mặt trời, máy phát điện gió, máy phát diezen,… Trong hệ thống đó, điện năng từ hệ thống điện mặt trời được “hoà” vào lưới điện chung của tổ hợp hệ thống

Các thông số cần thiết để thiết kế hệ thống điện mặt trời

Để thiết kế, tính toán một hệ thống điện mặt trời trước hết cần một số thông

Đối với các phụ tải, cần phải biết các thông số sau:

- Gồm bao nhiêu thiết bị, các đặc trưng điện của mỗi thiết bị như công suất tiêu thụ, hiệu điện thế và tần số làm việc, hiệu suất của các thiết bị điện,…

- Thời gian làm việc của mỗi thiết bị bao gồm thời gian biểu và quãng thời gian trong ngày, trong tuần, trong tháng,…

- Thứ tự ưu tiên của các thiết bị Thiết bị nào cần phải hoạt động liên tục và yêu cầu độ ổn định cao, thiết bị nào có thể ngừng tạm thời

Các thông số trên trước hết cần thiết cho việc lựa chọn sơ đồ khối Ví dụ nếu tải làm việc vào ban đêm thì hệ cần phải có thành phần tích trữ năng lượng, tải làm việc với điện xoay chiều hiệu điện thế cao thì cần dùng các bộ đổi điện Ngoài ra các thông số này cũng chính là cơ sở để tính toán định lượng dung lượng của hệ thống

Vị trí lắp đặt hệ thống

Yêu cầu này xuất phát từ việc thu thập các số liệu về bức xạ mặt trời và các

số liệu thời tiết khí hậu khác Như đã trình bày, bức xạ mặt trời phụ thuộc vào từng địa điểm trên mặt đất và các điều kiện tự nhiên của địa điểm đó Các số liệu về bức

xạ mặt trời và khí hậu, thời tiết được các trạm khí tượng ghi lại và xử lý trong các khoảng thời gian rất dài, hàng chục, có khi hàng trăm năm Vì các thông số này biển đổi rất phức tạp, nên với mục đích thiết kế đúng hệ thống điện mặt trời cần phải lấy

số liệu ở các trạm khí tượng đã hoạt động trên mười năm Cường độ bức xạ mặt trời tại một thời điểm bất kì trên trái đất chúng ta có thể xác định Khi thiết kế hệ thống điện mặt trời, rõ ràng để cho hệ có thể cung cấp đủ năng lượng cho tải trong suốt cả năm, ta phải chọn giá trị cường độ tổng xạ của tháng thấp nhất trong năm làm cơ sở Tất nhiên khi đo, ở các tháng mùa hè năng lượng của hệ sẽ dư thừa và có thể gây lãng phí lớn nếu không dùng thêm các tải phụ Ta không thể dùng các bộ tích trữ năng lượng như acquy để tích trữ điện năng trong các tháng mùa hè để dùng trong các tháng mùa đông vì không kinh tế Để giải quyết vấn đề trên người ta có thể

dùng thêm một nguồn điện dự phòng (ví dụ máy phát diezen, máy nổ) cấp điện thêm cho những tháng có cường độ bức xạ mặt trời thấp hoặc sử dụng công nghệ nguồn tổ hợp (hybrid system technology) Trong trường hợp này có thể chọn cường

độ bực xạ trung bình trong năm để tính toán và do đó giảm được dung lượng dàn pin mặt trời

Ngoài ra còn một thông số khác liên quan đến bức xạ mặt trời là số ngày không có nắng trung bình trong năm Nếu không tính đến thông số này, vào mùa mưa, có thể có một số ngày không có năng, acquy sẽ bị cạn kiệt và tải phải ngừng hoạt động Muốn cho tải có thể làm việc liên tục trong các ngày không có nắng cần phải tăng thêm dung lượng acquy dự trữ điện năng

Vị trí lắp đặt hệ thống điện mặt trời còn dùng để xác định góc nghiêng của dàn pin mặt trời sao cho khi đặt cố định hệ thống có thể nhận được tổng cường độ bức xạ lớn nhất

Hình 2.1: Cách bố trí góc ghiêng β của hệ thống pin

Nếu gọi β là góc nghiêng của dàn pin mặt trời so với mặt phẳng ngang, thì thông thường ta chọn β= φ ± 10o với φ là vĩ độ nơi lắp đặt Còn hướng, nếu ở bán cầu Nam thì quay về hướng Bắc, nếu ở bán cầu Bắc thì quay về hướng Nam

Ngoài ra việc đặt nghiêng dàn pin còn có một ý nghĩa khác đó là khả năng tự làm sạch Khi có mưa, do mặt dàn pin nghiêng nên nước mưa sẽ tẩy rửa bụi bẩn bám trên mặt pin, làm tăng khả năng hấp thụ bức xạ mặt trời của dàn pin

Ở các vị trí lắp đặt khác nhau, nhiệt độ môi trường cũng khác nhau và do đó nhiệt độ làm việc của pin mặt trời cũng khác nhau Thông thường nhiệt độ làm việc của pin mặt trời cao hơn nhiệt độ của môi trường (20÷25oC) và tuỳ thuộc vào tốc độ gió Vì khi nhiệt độ tăng, hiệu suất của module pin mặt trời ηM giảm và có thể biểu diễn bằng quan hệ sau: ηM(T) = ηM(TC).{1+PC.(T – TC)} ở đây : ηM(T) là hiệu suất của module ở nhiệt độ T;

ηM(TC) là hiệu suất của module ở nhiệt độ chuẩn TC=25oC;

PC là hệ số nhiệt độ của module Trong tính toán thực tế thường lấy giá trị gần đúng bằng PC = -0,005/oC

Các bước thiết kế hệ thống điện mặt trời

Lựa chọn sơ đồ khối

Từ sự phân tích các yêu cầu và các đặc trưng của các phụ tải điện ta sẽ chọn một sơ đồ khối thích hợp Sau đây là sơ đồ khối thường dùng đối với các hệ thống điện mặt trời

Bộ nạp năng lượng mặt trời

Hình 2.2: Sơ đồ khối hệ thống năng lượng mặt trời

Solar

Cell

Bộ điều khiển nạp

Acquy

DC-DC DC-AC Phụ tải

Để đạt được hiệu quả cao hơn, người ta thường thiết kế bộ tự động chỉnh hướng cho bộ pin mặt trời, nhằm “bám theo” sự thay đổi vị trí của mặt trời trong ngày và theo mùa trong năm

Các bản cực được nối với nhau bằng những thanh chì ở phía trên, bản cực dương nối với bản cực dương, bản cực âm nối với bản cực âm Chiều dài, chiều ngang, chiều dầy và số lượng các bản cực sẽ xác định dung lượng của bình acquy Thông thường, các bản cực âm được đặt ở bên ngoài, do đó số lượng các bản cực

âm nhiều hơn bản cực dương Các bản cực âm ngoài cùng thường mỏng hơn, vì chúng sử dụng diện tích tiếp xúc ít hơn

Chất lỏng dùng trong bình acquy này là dung dịch xít sunfuaric Nồng độ của dung dịch biểu trưng bằng tỷ trọng đo được, tuỳ thuộc vào loại bình acquy, và tình trạng phóng nạp của bình

Trị số tỷ trọng của bình acquy khi được nạp đầy được quy ra ở 25⁰C (77⁰F)

được cho ở bảng sau:

Loại bình ắc quy Tỷ trọng chất điện phânBình acquylàm việc ở chế độ tải nặng, thí dụ các xe tải điện

Bình acquydùng cho xe ôtô, phi cơ 1.260 Bình acquydùng cho tải không nặng lắm: thí dụ như chiếu

sáng tàu điện, hoặc khởi động các động cơ lớn… 1.245

Bình acquytĩnh, hoặc dùng cho các ứng dụng dự phòng 1.215

Dung lượng của bình acquy thường được tính bằng ampe giờ (AH) AH đơn

giản chỉ là tích số giữa dòng điện phóng với thời gian phóng điện Dung lượng này

thay đổi tuỳ theo nhiều điều kiện như dòng điện phóng, nhiệt độ chất điện phân, tỷ

trọng của dung dịch, và điện thế cuối cùng sau khi phóng Các biến đổi của thông số

của bình acquy được cho trên các biểu đồ sau:

Hình 2.3: Đặc tính điện thế và tỷ trọng khi phóng và nạp với dòng không đổi

Hình 2.4: Đặc tuyến phóng điện thế với Điện thế cuối cùng

Hình 2.5: Dung lượng định mức dựa trên mức 8 giờ Các phương pháp phóng và nạp

Nạp acquy lần thứ nhất

Acquy mới lắp hoặc sau khi sửa chữa thay thế bản cực xong, phải nạp hình thành Sau khi đã đổ dung dịch vào các bình acquyphải để cho acquy ổn định từ 2 đến 4 giờ mới được nạp

Chất điện phân đổ vào bình phải có tỷ trọng 1,18 ± 0.05 g/cm³ ở nhiệt độ 20

độ C Sau khi rót vào thì tỷ trọng chất điện phân có giảm xuống đôi chút Sau đó vài

giờ, tỷ trọng chất điện phân lại bắt đầu tăng lên trở lại Đó là hiện tượng bình thường

Kiểm tra lại việc đấu dây: cực dương của máy nạp phải đấu với cực dương của ắc quy, tương tự, cực âm của máy nạp phải được nối với cực âm của acquy Nạp hình thành acquy chì

Việc nạp hình thành acquy được tiến hành theo các bước:

Nạp liên tục cho đến khi truyền cho acquy từ 4 đến 5 lần định mức Không được gián đoạn trong thời gian này

Ngừng nạp 1 giờ cho các ngăn acquy ổn định Trong thời gian này, tiến hành kiểm tra và sửa chữa các bình bị hư hỏng

Nạp tiếp tục cho đến khi khí thoát mạnh ở tất cả các bình

Lập lại các bước 2 và 3 Như vậy sau mỗi lần nạp và nghỉ xen kẽ 1 giờ, acquy sẽ được truyền thêm 1 lần dung lượng định mức Quá trình nạp, nghỉ xen kẽ như vậy tiến hành cho đến khi truyền cho acquy từ 8 đến 10 lần dung lượng định mức

Kết thúc giai đoạn nạp hình thành được xác định theo các điều kiện sau:

Điện thế acquy đạt tới 2,5 - 2,75 vôn

Tỷ trọng chất điện phân bằng 1,205 +/- 0,005 g/cm³ ở 20 độ C và không thay đổi trong 3 đến 4 giờ

Bốc hơi đều trên các tấm cực dương và âm ở tất cả các bình

Ghi chú: trước khi thực hiện chương trình này, phải lập chương trình thật cụ

thể, để việc thực hiện được chính xác Chất lượng và tuổi thọ sau này của bình phụ thuộc rất nhiều vào việc nạp hình thành ban đầu Không được để quá nạp, vì bản cực sẽ bị sunfat hoá, làm giảm tuổi thọ của acquy

Dòng điện nạp không được quá 0,1 lần dung lượng định mức Nhiệt độ chất điện phân không được vượt quá 40 độ C Nếu nhiệt độ vượt quá trị số này thì phải ngưng nạp để hạ nhiệt độ Tuy nhiên, vào giai đoạn đầu khi chưa truyền cho acquy

đủ 4 đến 5 lần dung lượng định mức không được phép ngừng nạp, mà chỉ giảm dòng nạp cho đến khi nhiệt độ ổn định Như vậy, thời gian nạp phải tăng lên tương ứng để để bảo đảm dung lượng nạp

Điều chỉnh tỷ trọng và mức dung dịch chất điện phân

Cuối thời gian nạp, tỷ trọng của chất điện phân quy về 20 độ C cần phải là 1,205 +/- 0,005 g/cm³ Hệ số hiệu chỉnh Tỷ trọng chất điện phân F hoặc 1,67 độ C Sau khi nạp, ở một số°bằng - 0,001 g/cm³ cho mỗi 3 bình, có thể có tỷ trọng khác biệt hẳn so với quy định Khi thấy tỷ trọng cao hơn phải làm giảm bằng cách rút ra một lượng dung dịch chất điện phân và thay vào đó một lượng nước cất tương ứng Sau đó tiếp tục nạp thêm 3 giờ nữa rồi kiểm tra lại Cứ thế tiếp tục cho đến khi đạt được tỷ trọng quy định

Khi vận hành bình thường, nếu tỷ trọng thấp hơn quy định tới 0,02 g/cm³ thì cần tiến hành nạp cân bằng Nếu mức dung dịch cạn gần bằng mức tối thiểu, thì dùng nước cất bổ sung cho đến khi bằng mức tối đa, sau đó tiến hành nạp cân bằng

để làm đồng nhất chất điện phân

Để hiệu chỉnh Tỷ trọng chất điện phân, cần thực hiện như sau:

- Đo nhiệt độ, mức, và Tỷ trọng chất điện phân

- So sánh với nhiệt độ tiêu chuẩn và mức tiêu chuẩn

Cộng thêm 0,001 g/cm3 cho mỗi 3°F hoặc 1,67 ° C cao hơn nhiệt độ tiêu chuẩn, trừ bớt đi 0,015 g/cm³ cho mỗi 1/2 inch thấp hơn mức tiêu chuẩn để bù trừ khi bổ sung nước cất

Ví dụ: Tỷ trọng đo được ở 89°F là 1,235 g/cm3, và mực chất điện phân thấp hơn tiêu chuẩn 1/2 inch Như vậy các hiệu chỉnh cần thiết là:

Nhiệt độ cao hơn tiêu chuẩn là : 89 - 77 = 12° F : phải cộng thêm: 12 / 3 * 0,001 = 0,004 g/cm³ để ứng với 77° F

Mực chất điện phân thấp hơn 1 / 2 inch, vậy phải trừ bớt đi 0,015 g/cm³ để ứng với khi bổ sung nước cất thêm cho đủ

Như vậy Tỷ trọng ứng với 77° F và sau khi châm thêm nước cất sẽ là:

1,235 + 0,004 - 0,015 =1,224 g/cm³

Sau khi nạp acquy lần đầu xong, phải tiến hành phóng nạp tập dợt 3 lần để acquy bảo đảm được dung lượng định mức Dòng điện phóng được thực hiện theo mức 3 giờ hoặc mức 10 giờ, phóng cho đến khi điện thế mỗi bình còn 1,8 vôn

Trong thời gian nạp hình thành và phóng nạp tập dợt, phải đo và ghi điện thế,

tỷ trọng, và nhiệt độ từng ngăn một, định kỳ mỗi giờ một lần Trong trường hợp có đột biến trên các ngăn, ( thí dụ điện thế trên các ngăn thay đổi quá nhanh), phải đo

và ghi thông số thường xuyên hơn

Khi phóng với dòng điện nhỏ thì không xác định việc kết thúc phóng theo Điện thế Trong trường hợp này, việc kết thúc phóng được xác định theo Tỷ trọng chất điện phân Việc phóng được kết thúc khi Tỷ trọng giảm đi từ 0,03 đến 0,06

g/cm3 so với Tỷ trọng ban đầu (Nhưng cũng không được để Điện thế mỗi ngăn giảm xuống thấp hơn 1,75 vôn.)

Việc nạp acquy lần sau được tiến hành sau khi phóng thử dung lượng acquy nhưng không được quá 12 giờ tính từ lúc ngừng phóng

Tuỳ theo phương pháp vận hành acquy, thiết bị nạp và thời gian cho phép nạp, phương pháp nạp, việc nạp có thể được thực hiện theo các cách như sau:

• Nạp với dòng điện không đổi

• Nạp với dòng điện giảm dần

• Nạp với Điện thế không đổi

• Nạp thay đổi với Điện thế không đổi

Nạp với dòng điện không đổi

Đối với acquy chì

Việc nạp có thể tiến hành theo kiểu 1 bước hoặc 2 bước

a) Nạp kiểu 1 bước:

Để dòng nạp không vượt quá 12 % của dung lượng phóng mức 10 giờ tức là

0, 12 x C(10)

b) Nạp kiểu 2 bước:

Bước 1: để dòng điện nạp bằng dòng điện định mức của thiết bị nạp, nhưng

không vượt quá 0,25 x C(10) Khi Điện thế tăng lên đến 2,3 2,4 vôn thì chuyển sang bước 2

Bước 2: để dòng điện nạp không vượt quá 0,12 C x (10) Đến 2,8 vôn, Tỷ

trọng acquy cuối thời gian nạp, Điện thế acquy đạt đến 2,6 1,210 g/cm3, giữa các bản cực acquy quá◊Quy tăng lên đến 1,200 trình bốc khí xảy ra mãnh liệt Việc nạp

được coi là kết thúc khi Điện thế và Tỷ trọng của acquy ngừng tăng lên trong khoảng 1 giờ, và các acquy sau khi nghỉ nạp 1 giờ khi nạp lại sẽ sôi ngay tức thì Thời gian nạp đối với acquy đã được phóng hoàn toàn theo kiểu nạp 1 bước với dòng 0,12 x C(10) mất khoảng 12 giờ, còn nạp 2 bước với dòng 8 giờ Ở các giá trị

mà dòng◊0,25 x C(10) và 0,12 x C(10) mất khoảng 7 điện nạp bé hơn thì thời gian nạp phải tăng lên tương ứng

Nạp với dòng điện giảm dần

Tiến hành nạp giống như phần trên, nhưng với dòng điện giảm dần, ban đầu 0,25 C(10) và sau đó 0,12 C(10) Ở giá trị dòng nạp nhỏ: thời gian tương ứng được tăng lên Dấu hiệu kết thúc nạp cũng giống như trưòng hợp nạp với dòng điện không đổi

Nạp với Điện thế không đổi

Nạp với Điện thế không đổi được tiến hành với thiết bị nạp làm việc ở 2,35 vôn đối chế độ ổn áp Điện thế được chọn trong giới hạn từ 2,2 1,55 vôn đối với acquy Sắt - kền◊với acquy chì - A - xít và 1,5 và được duy trì ổn định trong suốt quá trình nạp Thời gian nạp độ vài ngày đêm Trong 10 giờ nạp đầu tiên, acquy có thể nhận được tới 80% dung lượng bị mất khi phóng

Khi Tỷ trọng chất điện phân giữ nguyên trong 10 giờ (đối với acquy chì - A - xít) thì có thể kết thúc việc nạp

Nạp thay đổi với Điện thế không đổi

Việc nạp được tiến hành theo 2 bước:

Bước 1: dòng điện nạp được hạn chế ở 0,25 x C(10), còn Điện ◊thế thay đổi tăng tự do Cho đến khi Điện thế acquy tăng lên đến 2,2 1,55 vôn đối với ắc -◊2,35 vôn đối với acquy chì - A - xít và 1,5 Quy Sắt - kền thì chuyển sang bước 2

Bước 2: Nạp với Điện thế không đổi Việc nạp này được tự động hoá bằng

thiết bị nạp có ổn định Điện thế và giới hạn dòng điện

Các chế độ vận hành:

Chế độ nạp thường xuyên

Đối với các loại bình acquy tĩnh, việc vận hành acquy được tiến hành theo chế độ phụ nạp thường xuyên acquy được đấu vào thanh cái một chiều song song với thiết bị nạp Nhờ vậy, tuổi thọ và độ tin cậy của acquy tăng lên, và chi phí bảo dưỡng cũng được giảm xuống

Để bảo đảm chất lượng acquy, trườc khi đưa vào chế độ phụ nạp thường xuyên phải phóng nạp tập dượt 4 lần Trong quá trình vận hành acquy ở chế độ phụ nạp thường xuyên, acquy không cần phóng nạp tập dượt cũng như nạp lại Trường hợp sau một thời gian dài làm việc ở chế độ phụ nạp thường xuyên mà thấy chất lượng acquy bị giảm thì phải thực hiện việc phóng nạp đột xuất

Ở chế độ phụ nạp thường xuyên, cần duy trì Điện thế trên mỗi bình acquy là 2,2 +/- 0,05 vôn đối với acquy chì - A - xít và 1,5 +/- 0,05 vôn đối với acquy Sắt - kền để bù trừ sự tự phóng và duy trì acquy ở trạng thái luôn được nạp đầy

Dòng điện phụ nạp thông thường được duy trì bằng 50 100 mA cho mỗi

100 AH dung lượng đối với acquy chì - A - xít và bằng 40 60 mA cho mỗi 100

AH dung lượng đối với acquy Sắt - kền Ở chế độ phụ nạp này, Điện thế trên acquy phải được duy trì tự động trong khoảng +/- 2 %

Việc phóng thử dung lượng thực tế của acquy được tiến hành 1 2 năm 1 lần hoặc khi có nghi ngờ dung lượng acquy kém Dòng điện phóng được giới hạn ở chế

độ mức 3 đến 10 giờ Để đánh giá chính xác dung lượng phóng của acquy, nên tiến hành ở cùng 1 chế độ phóng như nhau trong nhiều lần phóng

Dung lượng quy đổi được tính theo công thức:

Trường hợp sử dụng acquy không nhiều thì mỗi tháng phải tiến hành phụ nạp với dòng điện không đổi, = 0,1 x C(10) Việc xác định tiến trình nạp được kết thúc dựa theo các điều ghi ở chương 3 Việc nạp lại nhằm loại trừ việc Sun - phát hóa ở các bản cực Việc nạp lại tến hành 3 tháng một lần, hoặc khi acquy bị phóng với một dòng phóng lớn hơn dòng phóng cho phép

3 Nguyên lý bộ nạp năng lượng mặt trời thực hiện

Đầu ra của bộ pin mặt trời có điện áp ra max là 19V và công suất ra thay đổi tùy theo cường độ ánh sáng mặt trời

Mục đích của bộ nạp năng lượng mặt trời này khác với các bộ nạp đang bán trên thị trường do đặc điểm cần nạp cho bộ acquy 48V, dùng để sử dụng cho mạch DC-DC 48-400V phía sau

Chúng ta cần đưa điện áp thay đổi nhỏ hơn 20,4V lên điện áp lớn hơn hoặc bằng 48V để nạp acquy, vì thế ta có thể áp dụng các phương pháp của mạch DC-DC

ở đây

Về nguyên lý, sơ đồ biến đổi DC-DC có thể được phân thành 2 nhóm :

3.1 Sơ đồ biến đổi DC-DC không cách ly

Với nhóm sơ đồ này, điện áp một chiều được tạo ra nhờ viêc phóng nạp tụ từ dòng điện qua cuộn cảm L được cung cấp bởi nguồn cấp Điện áp một chiều đầu ra thay đổi nhờ có việc phóng nạp được thay đổi bởi van công suất được mắc hợp lý tùy thuộc vào từng sơ đồ

Các sơ đồ theo nguyên lý này gồm có:

- Sơ đồ biến đổi Buck,

- Sơ đồ biến đổi Boost,

- Sơ đồ biến đổi Cuk (Buck-Boost)

Các sơ đồ không cách ly cho công suất hạn chế, do đó chỉ phù hợp với công suất nhỏ và yêu cầu chất lượng không cao

3.2 Sơ đồ biến đổi DC-DC có cách ly

Với nhóm sơ đồ này, điện áp một chiều đầu vào được biến đổi thành điện áp xoay chiều cao tần và biên độ điện áp xoay chiều được nâng lên qua biến áp xung, sau khi qua một hệ thống lọc LC sẽ cho ta điện áp một chiều với biên độ mong muốn Các sơ đồ biến đổi này gồm có :

- Sơ đồ biến đổi FlyBack,

- Sơ đồ biến đổi Forward,

- Sơ đồ biến đổi Push-Pull,

- Sơ đồ biến đổi Half-Bridge,

- Sơ đồ biến đổi Full-Bridge

Đối với các sơ đồ cách ly sử dụng biến áp thì ưu điểm hơn về mặt công suất

và vấn đề nâng cao công suất với nguyên lý trên có thể thực hiện dễ dàng, do đó phù hợp với các ứng dụng có công suất lớn và yêu cầu chất lượng cao hơn

3.3 Lựa chọn sơ đồ nguyên lý cho bộ biến đổi DC-DC

Bảng 1: So sánh chỉ tiêu chât lượng của các topology cho bộ biến đổi DC-DC

Topology Dải công

suất (W)

Dải điện áp vào Vin (dc)

Cách ly đầu vào và ra

Hiệu suất (%)

Quan

hệ về giá

- Bài toán có yêu cầu biến áp các ly giữa đầu vào và đầu ra hay không?

- Dòng cực đại đặt lên van là bao nhiêu?

- Dải điện áp lớn nhất mà van có thể chịu được là bao nhiêu?

Nhận xét: Lựa chọn sơ đồ nguyên lý :

Mạch nạp thực hiện công suất không lớn PV=87W, để đơn giản chúng tôi đã chọn sơ đồ dạng không cách ly để thực hiện Ngoài ra ban đầu hệ sử dụng một panel pin mặt trời có điện áp ra thay đổi Vmax là 17,4V, cần để đưa lên 48V nạp cho hệ acquy nên ta có thể lựa chọn sơ đồ Boost hoặc Cuk Để thuận tiện cho sau này có thể dễ dàng mở rộng và tích hợp hệ thống ta sử dụng sơ đồ Cuk, có tính linh hoạt cao hơn, có thể tăng hoặc giảm điện áp theo yêu cầu

Từ đó tôi đề ra sơ đồ khối thực thi cho hệ thống :

Hình 2.6 : Sơ đồ khối mạch nạp năng lượng mặt trời DC-DC Cuk

3.4 Sơ đồ biến đổi DC-DC không cách ly Cuk

Bộ biến đổi Cuk là loại mạch biến đổi điện áp một chiều thành điện áp một chiều có biên độ cao hơn hoặc thấp hơn biên độ điện áp vào, tùy thuộc vào độ rộng xung, được sử dụng trong các bộ ổn áp công suất nhỏ

Sơ đồ nguyên lý :

Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý mạch DC-DC Cuk Hoạt động:

Van Q được điều khiển bởi một xung tần số cao có độ rộng thay đổi (PWM)

Độ rộng của xung điều khiển thay đổi và từ đó điện áp ra cũng được thay đổi Tỉ số giữa thời gian t1 van mở trong một chu kỳ và chu kỳ T được gọi là độ rộng xung (duty cycle)

Khi van Q mở, điện áp đặt lên cuộn cảm là Vd, cuộn cảm tích điện, dòng điện iL qua cuộn cảm tăng lên tuyến tính Khi van S đóng, diode D thông, điện áp đặt lên cuộn cảm là –V0, cuộn cảm phóng điện nạp cho tụ C, dòng iL giảm xuống Nếu dòng iL không giảm về không thì mạch hoạt động ở chế độ liên tục Điện áp ra được tính theo công thức sau :

Hình 2.8: Giản đồ xung mạch của sơ đồ biến đổi Cuk ở chế độ liên tục Giản đồ điện áp và dòng điện ở chế độ gián đoạn:

Hình 2.9: Giản đồ xung mạch của sơ đồ biến đổi Cuk ở chế độ gián đoạn

Chương 3 : Triển khai thực hiện

1 Phương thức điều khiển dòng công suất từ pin mặt trời sang acquy

- Phương thức để điều tiết dòng/áp truyền công suất từ pin mặt trời vào acqui

Có một vấn đề đặt ra là sự phụ thuộc công suất đầu vào công suất của PV vào điều kiện ánh sáng và các điều kiện khác Để đưa được nhiều nhất năng lượng của PV, ta sử dụng một bộ điều khiển bám theo điểm công suất cực đại (MPPT : maximum power point tracking) của PV Một bộ MPPT cơ bản có thể thấy trong hình 2, trong đó còn bao gồm bộ biến đổi DC-DC Cuk Vi điều khiển sẽ xác định điểm công suất cực đại (MPP) bằng thuật toán MPPT[1] Khi điểm MPP được xác định, vi điều khiển sẽ phát xung pwm với chu kỳ duty được tính toán để đóng mở van để đảm bảo rằng bộ biến đổi hoạt động gần điểm MPP nhất có thể

Hình 3.1: Bộ MPPT và bộ DC-DC Cuk converter

Để một bộ điều khiển MPPT hoạt động hiệu quả, hai vấn đề cần được xét đến Thứ nhất là phát triển thuật toán để bám theo điểm MPP Thứ hai là thiết kế bộ biến đổi DC-DC Cuk hiệu quả với yêu cầu bài toán

Với mỗi modul PV, sẽ có 1 điểm trên đường đặc tính dòng-áp hoặc công suất-điện áp, mà tại đó PV hoạt động ở hiệu suất cao nhất, đưa ra đầu ra công suất lớn nhất

Vị trí của điểm MPP có thể không biết, nhưng có thể tìm ra bằng bộ MPPT

để duy trì cho PV hoạt động tại điểm MPP Trong trường hợp này ta sử dụng phương pháp đo dòng và áp trực tiếp của PV để tính toán ra điểm MPP

Phương pháp MPPT có thể phân chia thành hai phương pháp trực tiếp và gián tiếp

Phương pháp trực tiếp sự dụng dòng hoặc/và áp đo về từ PV, kết hợp các kỹ thuật

vi phân, phản hồi điện áp, nhiễu và các bộ quan sát để tính toán ra điểm MPP[3] Phương pháp này không phụ thuộc vào sự hiểu biết về tính chất của PV, đồng thời không phụ thuộc vào điều kiện bên ngoài như cường độ sáng và nhiệt độ ảnh hưởng đến PV Trong các phương pháp này thường dùng fuzzy logic hay mạng noron để thực hiện, việc thực hiện cũng khá phức tạp Một cách đơn giản hơn là sử dụng phương pháp gián tiếp, phương pháp này dựa trên thông số của PV trong các điều kiện cường độ sáng, nhiệt độ thay đổi hoặc có thể dựa trên các hàm toán học từ số liệu thực nghiệm để đánh giá điểm MPP Trong hầu hết các trường hợp, sự ước lượng của bộ PV dựa trên các hàm toán học thu được từ thực nghiệm là cần thiết Những phương pháp này bao gồm sử dụng các đường đặc tính phù hợp [4,5], phương pháp tra bảng, phương pháp điện áp hở và dòng ngắn mạch của PV [6] Trong bài báo này, phương pháp gián tiếp được đề xuất thực hiện thông qua sử dụng các đường đặc tuyến phù hợp của PV để tìm được điểm MPP

Module PV được sử dụng ở đây là Kyocera KC85T với đặc tính dòng-áp như sau:

Hình 3.2: Đặc tuyến dòng-áp với cường độ ánh sáng 1000w/m 2 , nhiệt độ thay đổi

Hình 3.3: Đặc tuyến dòng-áp với cường độ ánh sáng thay đổi 200÷1000w/m 2 , nhiệt

độ PV 25°C

Riêng trong hệ thống nạp điện cho acquy, sự thay đổi chu kỳ duty không áp dụng để thay đổi điện áp đầu ra bởi vì điện áp đầu ra chính là điện áp acquy, được acquy giữ là gần như là hằng số hoặc biến đổi chậm trong quá trình nạp phụ thuộc vào đặc tính tự nhiên của acquy Thay vì thay đổi điện áp đầu ra, thay đổi chu kỳ

duty sẽ tăng hoặc giảm công suất ra lấy từ PV Điều này có nghĩa trong trường hợp này khối MPPT sẽ tính toán ra giá trị đặt cho bộ thay đổi dòng nạp

Giá trị đặt của dòng Iref sẽ được bộ MPPT tính toán theo dòng và áp đo

được và kết hợp với đường đặc tuyến của PV

Đặc tính động học của cả hệ thống có thể thấy qua hình 3.4 nó bao gồm từng thành phần trong hệ thống: bộ điều khiển, bộ DC-DC Cuk, đo dòng

Hình 3.4: Sơ đồ hệ thống điều khiển dòng

2 Tính toán thiết kế mạch nạp theo nguyên lý Cuk

Tính toán phần tử công suất

Hình 3.5: Sơ đồ khối DC-DC Cuk trong bộ nạp năng lượng mặt trời

Một Panel PV: Pmax = 87W, Vmax=17.4V, Imax=5A,

Yêu cầu: Thiết kế bộ nạp đáp ứng cho 4 Module Solar Cell

Đại lượng Giá trị