Nghiên cứu hệ thống pv ứng dụng nạp bình acquy ở các chế độ nạp khác nhau

II – NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tìm hiểu lý thuyết pin quang điện - Các phương pháp điều khiển pin quang điện - Mô hình hóa hệ thống pin quang điện - Mô hình hóa hệ thống pin quang điện ứn

Trang 1

ĐẶNG HỮU NAM

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG PV ỨNG DỤNG NẠP BÌNH ACQUY

Ở CÁC CHẾ ĐỘ NẠP KHÁC NHAU

Chuyên ngành: Thiết bị - Mạng và Nhà máy điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Trang 2

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS TS NGUYỄN HỮU PHÚC

Cán bộ chấm nhận xét 1:

Cán bộ chấm nhận xét 2:

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG TP HCM ngày tháng năm Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1 ………

2 ………

3 ………

4 ………

5 ………

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và bộ môn quản lý chuyên

ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

Trang 3

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên:ĐẶNG HỮU NAM Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 30/04/1983 Nơi sinh: Tp ĐÀ NẴNG Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện MSHV: 01808311

I – TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG PV ỨNG DỤNG NẠP BÌNH ACQUY Ở CÁC CHẾ ĐỘ KHÁC NHAU

II – NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tìm hiểu lý thuyết pin quang điện - Các phương pháp điều khiển pin quang điện - Mô hình hóa hệ thống pin quang điện - Mô hình hóa hệ thống pin quang điện ứng dụng nạp bình acquy III – NGÀY GIAO NHIỆM VỤ (Ngày bắt đầu thực hiện LV ghi trong QĐ giao đề tài): Tháng …… năm 2011

IV – NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: Ngày 30 tháng 11 năm 2011

V – CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên):

Phó Giáo Sư, Tiến Sĩ NGUYỄN HỮU PHÚC

(Họ tên và chữ ký)

PGS TS NGUYỄN HỮU PHÚC

Trang 4

Lời cảm ơn

tận tình giúp đỡ, đóng góp những ý kiến quí báu và hướng dẫn em hoàn thiện đề tài này Em cũng xin gởi lời cám ơn đến các thầy cô

đã truyền đạt những kiến thức quý giá trong thời gian em theo học tại trường, những kiến thức đó đã hỗ trợ em rất nhiều trong quá trình hoàn thành luận văn này

Rất cảm kích trước sự cộng tác nhiệt tình của các anh chị và các bạn học viên lớp CH Thiết bị, mạng và nhà máy điện K2008, cám ơn

vì sự đóng góp ý kiến hữu ích cùng những thảo luận thú vị

Lời tri ân đến gia đình và những người thân vì đã luôn ủng hộ và động viên trong suốt quá trình học, đặc biệt trong thời gian thực hiện

đề tài này

Trang 5

2 Hệ phát động năng lượng mặt trời: giới thiệu hệ phát động

năng lượng mặt trời, các thành phần trong hệ phát động năng lượng mặt trời: pin năng lượng mặt trời, bộ chuyển đổi DC/DC, acquy Cơ sở lý thuyết và mô hình toán học của các thành phần đó

các thuật toán MPPT, lưu đồ giải thuật các phương pháp đó

pháp nạp bình acquy phổ biến hiện nay, mô giả giải thuật nạp bình acquy kết hợp giải thuật MPPT

mô hình của hệ thống PV dựa vào mô hình toán học mô tả

ở mục 2

hình mô phỏng

Trang 6

Mục lục:

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ 2

Lời cảm ơn 3

Tóm tắt nội dung luận văn: 4

Mục lục: 5

Hình minh họa: 7

NỘI DUNG LUẬN VĂN: 10

1 Giới thiệu chung : 10

2 Hệ phát động năng lượng mặt trời: 13

2.1 Pin năng lượng mặt trời và panel năng lượng mặt trời: 13

2.1.1 Cấu trúc pin năng lượng mặt trời: 13

2.1.2 Mạch tương đương pin năng lượng mặt trời: 13

2.1.3 Panel năng lượng mặt trời: 16

2.2 Acquy acid chì: 19

2.2.1 Cấu tạo acquy acid chì: 19

2.2.2 Mạch tương đương acquy acid chì: 21

2.3 Bộ biến đổi điện áp DC/DC: 22

2.3.1 Bộ biến đổi Buck: 22

2.3.2 Bộ biến đổi Boost: 22

2.3.3 Bộ biến đổi Buck-Boost: 22

3 Phương pháp tìm điểm cực đại công suất (MPP): 22

3.1 Điểm công suất cực đại MPP: 22

3.2 Phương pháp P&O: 22

3.3 Phương pháp Inccond: 22

4 Phương pháp nạp bình acquy: 22

4.1 Các phương pháp nạp bình acquy: 22

4.1.1 Nạp với dòng điện không đổi: 22

4.1.2 Nạp với dòng điện giảm dần: 22

4.1.3 Nạp với điện thế không đổi: 22

4.1.4 Nạp thay đổi với điện thế không đổi: 22

4.2 Phương pháp nạp bình acquy kết hợp giải thuật MPPT: 22

5 Mô hình và kết quả mô phỏng: 22

5.1 Mô hình các thành phần hệ thống: 22

5.1.1 Mô hình pin năng lượng mặt trời: 22

5.1.2 Mô hình acquy: 22

5.1.3 Mô hình bộ chuyển đổi DC/DC: 22

5.1.4 Bộ điều khiển MPPT: 22

5.1.5 Bộ điều khiển nạp bình acquy: 22

5.2 Kết quả mô phỏng: 22

5.2.1 Mô phỏng mô hình PV: 22

5.2.2 Mô phỏng bộ điều khiển MPPT ở điều kiện chuẩn 22

5.2.3 Mô phỏng bộ điều khiển MPPT khi thay đổi cường độ chiếu sáng : 22

5.2.4 Mô phỏng bộ điều khiển MPPT khi thay đổi nhiệt độ panel : 22

Trang 7

8.3 Hàm sfunction giải thuật Inccond cải tiến: 22 8.4 Hàm sfunction giải thuật charge: 22

Trang 8

Hình minh họa:

Hình 1.1: Ứng dụng năng lượng mặt trời ở Trường Sa 12

Hình 2.1 : Nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời 13

Hình 2.2 : Sơ đồ lý tưởng của pin năng lượng mặt trời 13

Hình 2.3 : Dòng ngắn mạch và điện áp hở mạch 14

Hình 2.4 : Đặc tuyến I-V 15

Hình 2.5 : Sơ đồ tương đương 2 diode 15

Hình 2.6 : Ghép nối các pin năng lượng mặt trời 16

Hình 2.7 : Đặc tuyến I-V khi ghép nối tiếp các cells 17

Hình 2.8 : Ghép nối tiếp các module 17

Hình 2.9 : Ghép song song các module 18

Hình 2.10 : Ghép hỗn hợp các module 18

Hình 2.11 : Các panel mặt trời thực tế 18

Hình 2.12 : Cấu tạo acquy 20

Hình 2.13 : Nguyên lý hoạt động 20

Hình 2.14 : Đặc tính điện thế, dung lượng và tỷ trọng acquy khi phóng và nạp với dòng không đổi21 Hình 2.15 : Đặc tính phóng điện acquy với các mức phóng điện khác nhau 21

Hình 2.16: Sơ đồ tương đương acquy acid chì 22

Hình 2.17: Sơ đồ bộ biến đổi buck lý tưởng 22

Hình 2.18: Sơ đồ bộ biến đổi buck khi công tắc đóng 22

Hình 2.19: Sơ đồ bộ biến đổi buck khi công tắc mở 22

Hình 2.20: Sơ đồ bộ biến đổi boost lý tưởng 22

Hình 2.21: Sơ đồ bộ biến đổi boost khi công tắc đóng 22

Hình 2.22: Sơ đồ bộ biến đổi boost khi công tắc mở 22

Hình 2.23: Sơ đồ bộ biến đổi buck-boost lý tưởng 22

Hình 2.24: Sơ đồ bộ biến đổi buck-boost khi công tắc đóng 22

Hình 2.25: Sơ đồ bộ biến đổi buck-boost khi công tắc mở 22

Hình 3.1: Điểm làm việc khi tải thay đổi 22

Hình 3.2: Điểm làm việc khi cường độ chiếu sáng thay đổi 22

Hình 3.3: Lưu đồ giải thuật P&O 22

Hình 3.4: Giải thuật P&O khi G tăng nhanh 22

Hình 3.5: Bảng cải tiến giải thuật P&O 22

Hình 3.6: Lưu đồ giải thuật Inccond 22

Hình 4.1: Đặc tuyến nạp acquy 22

Hình 4.2: Giải thuật nạp acquy 22

Hình 5.1: Mô hình khối con I Rp 22

Hình 5.2: Mô hình khối con I ph 22

Hình 5.3: Mô hình khối con Id1 22

Hình 5.4: Mô hình khối con I d2 22

Hình 5.5: Mô hình khối PV 22

Hình 5.6: Mô hình khối acquy 22

Hình 5.7: Mô hình khối con I b 22

Hình 5.8: Mô hình khối con I L 22

Trang 9

Hình 5.15 : Mô hình khối con IL (buck-boost) 22

Hình 5.16 : Mô hình khối con V (buck-boost) 22

Hình 5.17 : Mô hình khối con Ib (buck-boost) 22

Hình 5.18 : Mô hình bộ biến đổi buck-boost 22

Hình 5.19 : Mô hình bộ điều khiển MPPT P&O 22

Hình 5.20 : Mô hình bộ điều khiển MPPT P&O cải tiến 22

Hình 5.21 : Mô hình bộ điều khiển MPPT Inccond 22

Hình 5.22 : Mô hình bộ điều khiển MPPT Inccond cải tiến 22

Hình 5.23 : Mô hình bộ điều khiển nạp bình acquy 22

Hình 5.24 : Đường đặc tính của khối PV 22

Hình 5.24 : Các đường đặc tính I-V của khối PV khi cường độ chiếu sáng thay đổi 22

Hình 5.26 : Các đường đặc tính P-V của khối PV khi cường độ chiếu sáng thay đổi 22

Hình 5.27 : Các đường đặc tính I-V của khối PV khi nhiệt độ thay đổi 22

Hình 5.28 : Các đường đặc tính P-V của khối PV khi nhiệt độ thay đổi 22

Hình 5.29 : Đồ thị mô phỏng P&O kết hợp với bộ chuyển đổi buck trong điều kiện chuẩn 22

Hình 5.30 : Chi tiết đồ thị P&O kết hợp với bộ chuyển đổi buck, tần số lấy mẫu 10Hz 22

Hình 5.31 : Chi tiết đồ thị P&O kết hợp với bộ chuyển đổi buck, tần số lấy mẫu 1000Hz 22

Hình 5.32 : Đồ thị mô phỏng P&O kết hợp với bộ chuyển đổi boost, tần số lấy mẫu 10Hz 22

Hình 5.33 : Chi tiết đồ thị P&O kết hợp với bộ chuyển đổi boost, tần số lấy mẫu 10Hz 22

Hình 5.34 : Đồ thị mô phỏng P&O kết hợp với bộ chuyển đổi boost, tần số lấy mẫu 1000Hz 22

Hình 5.35 : Chi tiết đồ thị P&O kết hợp với bộ chuyển đổi boost, tần số lấy mẫu 1000Hz 22

Hình 5.36 : Chi tiết đồ thị P&O cải tiến kết hợp với bộ chuyển đổi buck, tần số lấy mẫu 100Hz 22

Hình 5.37 : Chi tiết đồ thị P&O cải tiến kết hợp với bộ chuyển đổi buck, tần số lấy mẫu 1000Hz 22

Hình 5.38 : Đồ thị inccond và bộ chuyển đổi buck, tần số lấy mẫu 100Hz 22

Hình 5.39 : Đồ thị inccond và bộ chuyển đổi buck, tần số lấy mẫu 1000Hz 22

Hình 5.40 : Đồ thị cường độ chiếu sáng G và nhiệt độ T 22

Hình 5.41 : Đồ thị công suất P 22

Hình 5.42 : Đồ thị hệ số duty D 22

Hình 5.43 : Đồ thị điện áp Vmpp 22

Hình 5.44 : Đồ thị dòng điện Ipv 22

Trang 10

Hình 5.75 : Đồ thị mô phỏng nạp bình acquy 22

Hình 5.76 : Đồ thị dòng điện nạp bình acquy 22

Hình 5.77 : Chi tiết đồ thị dòng điện nạp bình acquy 22

Hình 5.79 : Đồ thị dòng điện nạp bình acquy 22

Trang 11

Nam trong 5 năm tới, trong đó nhu cầu điện năng sẽ tăng lên 15% hàng năm

Theo ông Trịnh Ngọc Khánh, trưởng ban kế hoạch của Tập đoàn điện lực Việt Nam (EVN) cho biết, các ngành sản xuất sẽ phải đối mặt với tình trạng thiếu điện trong năm 2011 khi nền kinh tế tăng trưởng với tốc độ dưới 6,5% trong năm nay và những năm tiếp theo

Ông cho biết, Việt Nam đã không thể đáp ứng nhu cầu điện khoảng 3% trong 5 năm qua và EVN sẽ cần phải đầu tư 3 tỷ đô la/năm cho các

2011 và năm 2015 trong thời gian mà 38 dự án có thể là những dự án trực tuyến Việc tiêu thụ điện gần như sẽ tăng gấp đôi từ 98 gigawatt/giờ trong năm nay lên 175 gigawatt/giờ vào năm 2015 Việc cung cấp điện cũng sẽ tăng từ 110,8 gigawatt/giờ vào thời điểm hiện nay lên đến 196 gigawatt /giờ Ông Khánh nói thêm, “Việt Nam sẽ tăng mạnh trong việc

sử dụng nhiên liệu như than, dầu và khí đốt để phát điện.”

Một trong những ngành tiêu thụ điện lớn của Việt Nam hiện nay là ngành thép Năm 2010, sản xuất thép tiêu thụ 4,67 tỷ kWh (chiếm tỷ lệ 5,52%) và sản xuất xi măng tiêu 5,52 tỷ kWh (chiếm tỷ lệ 6,5%)

Thủy điện là ngành chi phối tại Việt Nam nhiều năm qua nhưng hiện tại đã suy giảm Năm ngoái, thủy điện chiếm 37,6% trong tổng công suất phát điện, tiếp theo là khí đốt với 31,7%, than đá ở mức 18,3%, dầu khí ở mức 5,4 % trong khi thủy điện nhỏ và năng lượng tái tạo chiếm 2,3% Công suất phát điện mới giữa năm nay và năm 2015 sẽ lên tổng số

7.605 MW và nhập khẩu thủy điện 635MW

Các nhà máy thủy điện công suất nhỏ và các nguồn tái tạo sẽ bổ sung thêm 1.331 MW, nâng tổng công suất phát điện trong hệ thống lên đến 48.497 MW 10 tỉnh phía Bắc chỉ dựa vào 1.000 MW thuỷ điện nhập khẩu

từ Trung Quốc, chiếm 4,65% trong tổng số

Phải đối mặt với việc cắt điện liên miên, chính phủ quyết định năm nay đặt gánh nặng lên các lĩnh vực sản xuất thay vì cắt điện các khu dân cư điều đã làm quần chúng phản ứng kêu ca từ năm ngoái Ông Khánh cho

Trang 12

biết: “Chúng tôi yêu cầu các ngành sản xuất phải đối phó với tình trạng thiếu điện trong năm nay Và những ảnh hưởng của nó là rất lớn”

Tomaso Andreatta, Phó Chủ tịch Phòng Thương mại châu Âu tại Việt Nam, trong tình hình của Việt Nam gọi đây là “trường hợp khẩn cấp về năng lượng” và cho biết họ còn cảm thấy tệ là một sự thiếu điện 3% Ông nói: “Nếu các nhà sản xuất điện được phép bán điện trực tiếp cho khách hàng thay vì thông qua EVN, rất nhiều công ty muốn trả nhiều tiền hơn để

có đủ năng lượng”

Ông cho biết thêm, EVN dự kiến sẽ không có lợi nhuận trong năm nay với giá điện do chính phủ điều tiết ngang bằng với chi phí sản xuất Năm

Tiềm năng năng lượng mặt trời ở Việt Nam:

Việt nam được xem là một quốc gia có tiềm năng rất lớn về năng lượng mặt trời, đặc biệt ở các vùng miền trung và miền nam của đất nước, với cường độ bức xạ mặt trời trung bình khoảng 5 kWh/m2 Trong khi đó cường độ bức xạ mặt trời lại thấp hơn ở các vùng phía Bắc, ước tính khoảng 4 kWh/m2 do điều kiện thời tiết với trời nhiều mây và mưa

xạ mặt trời trung bình 150 kcal/m2 chiếm khoảng 2.000 – 5.000 giờ trên năm, với ước tính tiềm năng lý thuyết khoảng 43,9 tỷ TOE (Tô Quốc Trụ, 2010; Trịnh Quang Dũng, 2010)

Năng lượng mặt trời ở Việt nam có sẵn quanh năm, khá ổn định và phân bố rộng rãi trên các vùng miền khác nhau của đất nước Đặc biệt,

số ngày nắng trung bình trên các tỉnh của miền trung và miền nam là khoảng 300 ngày/năm Năng lượng mặt trời có thể được khai thác cho hai nhu cầu sử dụng: sản xuất điện và cung cấp nhiệt (Tô Quốc Trụ,

Trang 13

Hình 1.1: Ứng dụng năng lượng mặt trời ở Trường Sa

Từ những dự báo của các chuyên gia trong và ngoài nước ta nhận thấy được tình hình năng lượng cấp bách của chúng ta hiện nay Để đối

mới để phục vụ nhu cầu trước mắt như: năng lượng dầu khí, than, năng lượng hạt nhân… Nhưng về lâu dài thì những giải pháp đó có ảnh hưởng rất lớn đến môi trường sống của chúng ta Vì thế chúng ta đã đầu tư nghiên cứu và phát triển cac giải pháp năng lượng tái tạo thay thế, không tác hại đến môi trường Trong những năm qua chúng ta đã có những tiến

bộ rất đáng khích lệ Hiện nay năng lượng mặt trời đang đóng vai trò quan trọng ở các vùng mà năng lượng truyền thống không đến được như: vùng sâu, vùng xa, biên giới, hải đảo … Tiềm năng năng lượng tái tạo nói chung và năng lượng mặt trời ở nước ta rất lớn, tuy nhiên rào cảng để năng lượng tái tạo phát triển thì đang còn nhiều: chính sách hỗ trợ của Nhà nước tuy có nhưng chưa quyết liệt, do giới hạn công nghệ chế tạo nên giá thành năng lượng tái tại còn cao, chi phí đầu tư lớn, hiệu suất còn thấp… Trong tương lai cùng với thành tựu khoa học kỹ thuật, chi

thống, Nhà nước sẽ đầu tư mạnh mẽ hơn để thúc đẩy năng lượng tái tạo phát triển Để đón đầu xu thế đó việc chúng ta có thể làm ngay bây giờ là nghiên cứu cải thiện hiệu suất của năng lượng tái tại Vì những nguyên nhân trên mà em chọn đề tài “Nghiên cứu hệ thống PV ứng dụng nạp bình acquy ở các chế độ khác nhau” nhằm nghiên cứu cải thiện hiệu suất của hệ thống PV, tăng tuổi thọ acquy nhằm làm giảm chi phí đầu tư, vận hành hệ thống PV

Trang 14

2 Hệ phát động năng lượng mặt trời :

2.1 Pin năng lượng mặt trời và panel năng lượng mặt trời:

2.1.1 Cấu trúc pin năng lượng mặt trời:

Cấu tạo của pin mặt trời là một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện

Khi các photon của bức xạ mặt trời chiếu vào bề mặt pin Gần các mối nối p-n, các cặp lỗ trống - electron được hình thành Trường điện trong vùng nghèo sẽ đẩy các lỗ trống về phía cực dương, và electron về phía cực âm, tạo ra một điện áp giữa 2 cực

Hình 2.1 : Nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời Khi nối tải vào 2 đầu điện cực, dòng electron sẽ chạy từ cực âm sang qua tải rồi sang cực dương Quy ước chiều dòng điện ngược chiều với chiều electron, thì dòng điện sẽ chạy từ cực dương sang cực âm

2.1.2 Mạch tương đương pin năng lượng mặt trời:

Sơ đồ lý tưởng của pin năng lượng mặt trời bao gồm một nguồn dòng mắc song song với 1 diode

Hình 2.2 : Sơ đồ lý tưởng của pin năng lượng mặt trời

Trang 15

I q

kT

Trong đó: - I,V là dòng và áp ngõ ra pin năng lượng mặt trời

- T là nhiệt độ mối nối của bán dẫn (K)

- q là điện tích electron, q = 1.602x10-19 C

- k là hằng số Boltzmann, k = 1 381x10-23 J/K

Trang 16

Hình 2.4 : Đặc tuyến I-V

Ta nhận thấy khi không có chiếu sáng đặc tuyến I-V của pin năng lượng mặt trời giống đặc tuyến của diode

Sơ đồ đầy đủ của pin năng lượng mặt trời là sơ đồ 2 didode:

Hình 2.5 : Sơ đồ tương đương 2 diode

Ta có công thức dòng điện:

p

s kT

n IR V q s kT

n IR V q s sc

p d d ph

R

IR V e

I e

I GI

I I I I I

s s

1

2 1

(2.5)

Trong đó: - I,V là dòng và áp ngõ ra pin năng lượng mặt trời

- n1,n2 là hệ số lý tưởng của diode

- T là nhiệt độ mối nối của bán dẫn (K)

- G là cường độ chiếu sáng

- q là điện tích electron, q = 1.602x10-19 C

- k là hằng số Boltzmann, k = 1 381x10-23 J/K

Trang 17

s2 = 2

2.1.3 Panel năng lượng mặt trời:

Với một pin mặt trời độc lập chỉ tạo ra được điện áp khoảng 0.6V Vì vậy ta cần nối nhiều cell pin lại để tạo điện áp lớn hơn (module) và dòng điện lớn hơn (array)

Hình 2.6 : Ghép nối các pin năng lượng mặt trời Module : Khi mắc nối tiếp nhiều cell pin lại với nhau tạo thành một module, khi đó điện áp sẽ được tăng lên Một module tiêu biểu thường là

36 cell tạo ra một điện áp khoảng 21V Khi mắc nối tiếp các tế bào quang điện ta có điện áp module:

) (

module z V d IR s

Trang 18

Hình 2.7 : Đặc tuyến I-V khi ghép nối tiếp các cells

Ta có công thức tính dòng khi ghép nối tiếp các cells:

p

s kT

zn IzR V q s kT

zn IzR V q s sc

zR

IzR V e

I e

I GI I

s s

module lại với nhau, có thể ghép nối tiếp, ghép song song hoặc là ghép hỗn hợp, khi đó dòng và áp ra sẽ phụ thuộc vào sơ đồ ghép nối module, nếu ghép nối tiếp thì điện áp ra sẽ bằng tổng điện áp các module, nếu ghép song song thì dòng ra sẽ bằng tổng dòng các module, tương tự ta

có thể tính cho ghép hỗn hợp

Hình 2.8 : Ghép nối tiếp các module

Trang 19

Hình 2.9 : Ghép song song các module

Hình 2.10 : Ghép hỗn hợp các module

Hình 2.11 : Các panel mặt trời thực tế

Trang 20

2.2 Acquy acid chì:

2.2.1 Cấu tạo acquy acid chì:

Trong hệ pin năng lượng mặt trời thì acquy là một thành phần quan trọng, nó vừa làm nhiệm vụ lưu trữ năng lượng vừa làm ổn định công suất đầu ra của hệ thống Trong hệ thống pin năng lượng mặt trời cần thiết phải sử dụng acquy vì hệ thống pin năng lượng mặt trời có nhược điểm là công suất đầu ra phụ thuộc rất lớn vào điều kiện thời tiết, trong những lúc thời tiết tốt thì năng lượng dư thừa phát ra từ pin năng lượng mặt trời sẽ được dự trữ vào acquy và năng lượng này sẽ được mang ra

sử dụng khi thời tiết không thuận lợi hoặc vào ban đêm

Hiện nay công nghệ chế tạo pin và acquy đã có những tiến bộ vượt bậc về chủng loại và dung lượng pin Chúng ta đã có pin nhiên liệu, acquy acid chì, acquy sắt kền … Trong phạm vi luận văn em tập trung vào acquy acid chì vì hiện tại acquy acid chì đươc sử dụng phổ biến, chi phí chế tạo thấp, phù hợp với nhiều ứng dụng trong dân dụng

Cấu tạo acquy acid chì gồm có các bản cực bằng chì và ô xít chì ngâm trong dung dịch axít sulfuaric Các bản cực thường có cấu trúc phẳng, dẹp, dạng khung lưới, làm bằng hợp kim chì antimon, có nhồi các hạt hóa chất tích cực Các hóa chất này khi được nạp đầy là điôxít chì ở cực dương, và chì nguyên chất ở cực âm

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 dày và số lượng các bản cực sẽ xác định dung lượng của bình ắc - Quy 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 ắc quy này là dung dịch xít sunfuaric Nồng

độ của dung dịch biểu trưng bằng tỷ trọng đo được, tuỳ thuộc vào loại bình ắc quy, và tình trạng phóng nạp của bình

Trang 21

Hình 2.12 : Cấu tạo acquy

Hình 2.13 : Nguyên lý hoạt động

Trang 22

Hình 2.14 : Đặc tính điện thế, dung lượng và tỷ trọng acquy khi phóng và

nạp với dòng không đổi

Hình 2.15 : Đặc tính phóng điện acquy với các mức phóng điện khác

nhau

2.2.2 Mạch tương đương acquy acid chì:

Vì vai trò quan trọng của acquy nên có nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới đã nghiên cứu xây dựng mô hình acquy Trong luận văn em sử dụng

và được các nhà nghiên cứu khác phát triển thêm về sau này

Trong sơ đồ này mô tả tương đối đầy đủ các đặc tính của acquy

Trang 23

Hình 2.16: Sơ đồ tương đương acquy acid chì

Vì acquy không giảm điện áp về 0 khi xả hết năng lượng như điện

có công thức mô phỏng dung lượng của acquy:

) (

2

1 2

min 2

max 2

min 2

max min

c

E = − = − = − (2.12)

dạng Ah và được qui đổi thành dạng kWh bằng cách nhân với điện áp

nhất của acquy

) (

2

2 min 2

c

b bp

V V

E C

−

để biểu diễn hiện tượng quá áp của acquy xảy ra khi nối tải vào acquy

Trang 24

Từ sơ đồ tương đương ta có thể biểu diễn tổng trở của acquy trong miền tần số như sau:

0 1 2 2

1 1 1

1 1

) (

b sb b s

a sa a s

s R R

R s

C R

R R

C R C R R s Z

bp bp bp b

b

b bs

bp bp b b bs

+ +

=

+

+ + +

=

+ +

1 1 2

1 0

1 1 1

1 1 2

=

+ +

C C R R b

R R R a

C R R C R R C R R C R R a

C C R R R a

bp bp b b

bp b bp b

bp b bs

b bp b bp bp b bp bp bs b b bs

bp b bp b bs

(2.15)

Công thức (2.14) được sử dụng để mô phỏng acquy acid chì trong phần 5 của luận văn

2.3 Bộ biến đổi điện áp DC/DC:

2.3.1 Bộ biến đổi Buck:

Bộ biến đổi buck là bộ biến đổi giảm điện áp Điện áp ngõ ra nhỏ hơn

công tắc Ta có sơ đồ tương đương của bộ biến đổi buck lý tưởng:

Hình 2.17: Sơ đồ bộ biến đổi buck lý tưởng Khi công tắc đóng, diode bị phân cực ngược và dòng điện đi qua cuộn

điện đi qua nó, và dòng điện tiếp tục đi qua tải và trở về bằng diode được phân cực thuận Ta có sơ đồ tương đương khi công tắc đóng, và công tắc mở:

Trang 25

Hình 2.18: Sơ đồ bộ biến đổi buck khi công tắc đóng

Hình 2.19: Sơ đồ bộ biến đổi buck khi công tắc mở

Ta có công thức tính [1]:

dt

dv C i

b

1

(2.18) Công thức này dùng để mô phỏng bộ biến đổi buck trong mục 5

2.3.2 Bộ biến đổi Boost:

Bộ biến đổi boost là bộ biến đổi tăng áp, điện áp ngõ ra cao hơn diện

áp ngõ vào Tương tự bộ biến đổi buck ta có sơ đồ tương đương lý tưởng của bộ biến đổi boost

Hình 2.20: Sơ đồ bộ biến đổi boost lý tưởng

Trang 26

Hình 2.21: Sơ đồ bộ biến đổi boost khi công tắc đóng

Hình 2.22: Sơ đồ bộ biến đổi boost khi công tắc mở

Ta có công thức tính toán trong bộ biến đổi boost

dt

dv C i d

di d

2.3.3 Bộ biến đổi Buck-Boost:

Bộ biến đổi buck-boost là kết hợp của bộ biến đổi buck và boost, ta có

sơ đồ lý tưởng bộ biến đổi buck-boost:

Hình 2.23: Sơ đồ bộ biến đổi buck-boost lý tưởng

Trang 27

Hình 2.24: Sơ đồ bộ biến đổi buck-boost khi công tắc đóng

Hình 2.25: Sơ đồ bộ biến đổi buck-boost khi công tắc mở

Ta có công thức trong bộ biến đổi buck-boost:

dt

dv C i d

3 Phương pháp tìm điểm cực đại công suất (MPP) :

3.1 Điểm công suất cực đại MPP:

có đường đặc tính như sau:

Hình 3.1: Điểm làm việc khi tải thay đổi

Ta thấy cùng với một pin mặt trời, khi thay đổi tải R với những giá trị

công suất thu được khác nhau (P = U.I) Trong vô số điểm làm việc khác

Trang 28

nhau, có một điểm mà tại đó công suất thu được lớn nhất, gọi là điểm Maximum Power Point (MPP), tương ứng với nó là các thông số làm việc

Vm, Im, Pm của pin mặt trời

Bây giờ, cố định tải, thay đổi cường độ bức xạ của mặt trời, ứng với mỗi một cường độ bức xạ thì có một đường đặc tính của pin, giao điểm của đường thẳng U = R.I với một đường đặc tính pin là một điểm làm việc mới của pin Tuy nhiên, ứng với một đường đặc tính của pin thì chỉ

có một điểm MPP Nếu không lái điểm làm việc mới của pin đến được điểm MPP thì sẽ không tận dụng được hết công suất phát ra của pin mặt trời

Vì vậy, để tận dụng được hết công suất phát ra của panel năng lượng mặt trời, người ta dùng hệ điều khiển MPPT Nhiệm vụ của hệ điều khiển MPPT là tìm điểm MPP của pin mặt trời

Hình 3.2: Điểm làm việc khi cường độ chiếu sáng thay đổi MPPT chính là một phần quan trọng của hệ thống PV Do đó, các phương pháp tìm điểm MPP đã được nghiên cứu và phát triển rất nhiều Các phương pháp khác nhau về độ phức tạp, loại cảm biến yêu cầu, tốc

độ hội tụ, chi phí, các hiệu ứng, phần cứng thực hiện, tính phổ biến,… Hiện nay có các phương pháp chủ yếu sau:

- Phương pháp P&O (Perturb and Observe),

- Phương pháp IncCond (Incremental Conductance)

- Phương pháp phân đoạn điện áp hở mạch (Fractional Open Circuit Voltage)

- Phương pháp phân đoạn dòng điện ngắn mạch (Fractional Short Circuit Current)

- Phương pháp điều khiển mờ (Fuzzy Logic Control)

Trang 29

link Capacitor Droop Control)

- Phương pháp cực đại dòng tải hoặc điện áp tải (Load Current or Load Voltage Maximization)

Trong giới hạn của luận văn nên chỉ phân tích một vài phương pháp thường được sử dụng hiện nay: P&O và IncCond

3.2 Phương pháp P&O:

Là phương pháp đơn giản và được sử dụng rộng rãi nhất Ta có lưu

đồ giải thuật P&O như sau:

Hình 3.3: Lưu đồ giải thuật P&O Theo sơ đồ giải thuật ta thấy, đầu tiên hệ thống đo lường thông số điện áp và dòng điện của panel và tính ra công suất của hệ thống P(k),

Trang 30

công suất này được so sánh với công suất đã được tính ở lần trước 1) Nếu công suất hệ thống tăng thì điện áp sẽ được điều chỉnh theo chiều tăng hoặc giảm trước đó Nếu công suất hệ thống giảm, điện áp sẽ được điều chỉnh theo chiều ngược lại Với phương pháp này điện áp V được điều chỉnh mỗi chu kì tính MPP Khi hệ thống tiến đến gần điểm

hao công suất của hệ thống, bước điều chỉnh V càng lớn, tổn hao công suất càng nhiều, nhưng nếu bước điều chỉnh nhỏ thì hệ thống không đáp ứng kịp khi điều kiện môi trường thay đổi nhanh Giá trị của bước điều chỉnh sẽ được chọn sao cho dung hòa giữa yêu cầu đáp ứng của hệ thống và tổn hao công suất cho phép

Một nhược điểm nữa của phương pháp P&O là đáp ứng của hệ thống khi điều kiện chiếu sáng thay đổi nhanh

Hình 3.4: Giải thuật P&O khi G tăng nhanh Theo như hình vẽ ta thấy khi cường độ chiếu sáng G tăng nhanh, giải thuật P&O xem như là công suất hệ thống tăng, điện áp sẽ được điều chỉnh theo chiều điều chỉnh trước đó Giả sử hệ thống đang dao động quanh điểm MPP, khi công suất tăng nhanh hệ thống vẫn điều chỉnh theo chiều điều chỉnh trước sẽ làm điện áp V dao động xa khỏi điểm Vm mới Hiện tượng sẽ tiếp tục xảy ra cho đến khi tốc độ thay đổi G giảm

Trang 31

pháp cải tiến P&O như sau: Nếu công suất P tăng hai lần liên tiếp hoặc nếu chiều điều chỉnh V không đổi trong hai lần liên tiếp thì sẽ đảo chiều điều chỉnh V lần tiếp theo Bảng sau mô tả các trường hợp của MPPT và chiều điều chỉnh V tương ứng

Hình 3.5: Bảng cải tiến giải thuật P&O Theo như bảng cải tiến ta thấy có hai trường hợp xảy ra khi công suất tăng hai lần liên tiếp đồng thời khi điện áp V điều chỉnh cùng chiều hai lần liên tiếp, điều này là do hệ thống bị lệch khỏi điểm MPP Để khắc phục hiện tượng này Burger đã đưa ra giải thuật điều khiển như sau: Nếu công suất tăng do chiều điều chỉnh của điện áp chứ không phải tăng do tăng cường độ chiếu sáng thì chiều điều chỉnh của điện áp phải đảo chiều để giảm công suất P Khi cường độ chiếu sáng tăng thì hệ thống sẽ dao

Trang 32

động quanh điểm hoạt động trước đó cho đến khi cường độ chiếu sáng hết tăng Kết quả của giải thuật P&O cải tiến sẽ được minh họa trong phần 5 của luận văn

3.3 Phương pháp Inccond:

Giải thuật Inccond dựa vào đặc điểm đặc tuyến I-V của pin năng lượng mặt trời: Tại điểm MPP vi phân công suất dP/dV=0 và vi phân công suất lớn hơn 0 khi bên trái điểm MPP và nhỏ hơn 0 khi bên phải điểm MPP

Ta có phương trình:

m

V V khi dV

m

V V khi dV

m

V V khi dV

Thay P=V.I ta có:

dV

dI V I dV

dI V dV

dV I dV

VI d dV

⇔

=

dV

dI V I dV dP

V

I dV

) 1 ( ) ( ) (k ≈I k −I k−

Thay vào (3.1) (3.2) (3.3) ta có:

m

V V khi V

I dV

m

V V khi V

I dV

m

V V khi V

I dV

Trang 33

Hình 3.6: Lưu đồ giải thuật Inccond Theo lưu đồ giải thuật ta thấy: Nếu dI/dV=-I/V hệ thống đang ở điểm MPP, điện áp V không cần điều chỉnh Nếu dI/dV < -I/V hệ thống ở điểm bên phải MPP nên điện áp V phải giảm, và ngược lại nếu dI/DV > -I/V thì điện áp V phải tăng Nếu hệ thống đang ở điểm MPP, V không được điều chỉnh nên dV=0, vì thế phải kiểm tra dV trước để tránh lỗi chia cho 0 Khi

dV = 0 ta xét tiếp dI, nếu dI=0 hệ thống đang ở điểm MPP và V không cần điều chỉnh, nếu dI >0 hệ thống ở bên trái MPP và V phải tăng, nếu dI<0 hệ thống ở bên phải điểm MPP và V phải giảm

Vref (k+1)=

Vref (k)+Cp

dV= Vref (k)- Vref (k-1) dI= Iref (k)- Iref (k-1)

Yes Yes

Trang 34

Trong phương pháp Inccond ta biết được hệ thống đang ở bên phải hay bên trái điểm MPP nên hệ thống không bị lệch điểm MPP giống như phương pháp P&O Hiệu suất hệ thống dùng Inccond là 89.9%

Trong thực tế điều kiện khi hệ thống ở đúng điểm MPP rất khó xảy ra nên ta hay thế phương trình (3.9) bằng phương trình sau:

dI

(3.11) Với ε được chọn phụ thuộc vào độ dao động quanh điểm MPP, tổn hao công suất cho phép và bước điều chỉnh điện áp V

4 Phương pháp nạp bình acquy :

4.1 Các ph ương pháp nạp bình acquy:

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:

4.1.1 Nạp với dòng điện không đổi:

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

- Nạp kiểu 1 bước: Điều chỉnh dòng nạp không vượt quá 12 % của dung lượng phóng mức 10 giờ tức là 0,12 x C(10)

- Nạp kiểu 2 bước:

+ Bước 1: Điều chỉnh 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 2,3V - 2,4V thì chuyển sang bước 2

+ Bước 2: Điều chỉnh dòng điện nạp không vượt quá 0,12xC(10) Đến cuối thời gian nạp, điện thế acquy đạt đến 2,6V - 2,8V, tỷ trọng acquy tăng lên đến 1,200 -1,210 g/cm3, giữa các bản cực acquy quá 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 điện hoàn toàn theo kiểu nạp 1 bước với dòng 0,12 x C(10) mất khoảng 12 giờ, còn nạp 2 bước với dòng 0,25 x C(10) và 0,12 x C(10) mất khoảng 7-8 giờ Ở các giá trị

mà dòng điện nạp bé hơn thì thời gian nạp phải tăng lên tương ứng

4.1.2 Nạp với dòng điện giảm dần:

Tiến hành nạp giống như phần trên, nhưng với dòng điện giảm dần,

gian tương ứng được tăng lên Dấu hiệu kết thúc nạp cũng giống như trường hợp nạp với dòng điện không đổi

Trang 35

bị mất khi phóng

Khi tỷ trọng chất điện phân giữ nguyên trong 10 giờ thì có thể kết thúc việc nạp

4.1.4 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 0,25xC(10), còn điện thế thay đổi tự do cho đến khi tăng lên đến 2,2V-2,35V thì chuyển sang bước 2

+ Bước 2: Nạp với điện thế không đổi

4.2 Ph ương pháp nạp bình acquy kết hợp giải thuật MPPT:

Trong luận văn này em sử dụng phương pháp nạp với dòng giảm dần kết hợp với giải thuật MPPT Đặc tuyến nạp acquy như sau:

Hình 4.1: Đặc tuyến nạp acquy

Trang 36

lượng β và tiếp tục nạp với dòng này đến khi điện áp đạt 2.4V/cell Quá

acquy đã đạt trạng thái nạp đầy 100% Khi acquy đạt trạng thái đầy thì ta

acquy

phiên giữa giải thuật nạp và giải thuật MPPT Khi công suất ra của bộ

điều khiển sạc sẽ điều khiển làm giảm công suất ra của panel mặt trời để

khiển MPPT sẽ điều khiển để đạt công suất lớn nhất của panel Khi điện

chuyển sang chế độ xả để sẵn sang cho chu kỳ nạp tiếp theo Giải thuật nạp chi tiết như sau:

Trang 37

Hình 4.2: Giải thuật nạp acquy

Ibmax = Itrickle

Ibmax = β*Ibmax

Trang 38

5 Mô hình và kết quả mô phỏng :

5.1 Mô hình các thành phần hệ thống:

5.1.1 Mô hình pin năng lượng mặt trời:

Từ kết quả phân tích ở mục 2.1 ta có các phương trình dùng để lập

mô hình mô phỏng khối PV như sau:

p

s kT

zn IzR V q s kT

zn IzR V q s sc

p d d ph

zR

IzR V e

I e

I GI

I I I I I

s s

1

2 1

(2.10)

298 _ = 1 + − 298 5 10−

=I T

kT q E s

g

e T K

I = 3 −1

kT q E s

g

e T K

I = 2 −

5 2

Kết hợp phương trình (2.10) và (2.6) ta xây dựng được mô hình khối

Trang 39

Hình 5.2: Mô hình khối con Iph Kết hợp phương trình (2.10) và (2.7) ta xây dựng được mô hình khối

Hình 5.3: Mô hình khối con I

Trang 40

Kết hợp phương trình (2.10) và (2.8) ta xây dựng được mô hình khối

Kết nối các khối con theo phương trình (2.10) ta xây dựng được mô hình khối PV:

Định dạng
Số trang	90
Dung lượng	1,2 MB