Bộ chuyển đổi nguồn pin mặt trời

Đồ án Bộ chuyển đổi nguồn pin mặt trời

Nhận Xét Của Giáo Viên Hướng Dẫn

TP.Hồ Chí Minh, ngày… Tháng… năm 2012

Giáo viên hướng dẫn

Nhận Xét Của Giáo Viên Phản Biện

TP.Hồ Chí Minh, ngày… Tháng… năm 2012

Giáo viên phản biện

Lời Nói Đầu

Trong thời đại khoa học kỹ thuật phát triển, nhu cầu về năng lượng ngày càng tăng.Trong khi đó, các nguồn nhiên liệu dự trữ như than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên và ngay cả thủy điện thì có hạn khiến cho nhân loại đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng (ước tính từ năm 2011, lượng dầu mỏ trên thế giới chỉ còn đủ cho 46 năm nữa, khí đốt là 58.6 năm và 188 năm nữa là con số của than đá)

Việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng tái tạo(năng lượng hạt nhân, năng lượng địa nhiệt, năng lượng gió, năng lượng mặt trời ) là một trong những hướng quan trọng trong kế hoạch phát triển năng lượng, không những đối với những nước phát triển mà ngay cả với những nước đang phát triển Năng lượng mặt trời, nguồn năng lượng sạch, tiềm tàng và quý báu đang được loài người thực sự đặc biệt quan tâm

Nghiên cứu các ứng dụng về năng lượng mặt trời là hướng đi cần thiết và có nhiều triển vọng Những đề tài nghiên cứu thực tế cần phải được thực hiện qua nhiều hướng khác nhau, để chứng minh sự đúng đắn của những nghiên cứu trên lý thuyết

Do vậy, đề tài này cũng là một phần trong quá trình nhằm đưa nguồn năng lượng nhiều

ưu điểm này đến gần hơn trong cuộc sống

Mục Lục

Chương I: Tổng Quan Về Đề Tài……… …6

1.1 Giới thiệu đề tài……… …… 6

1.2 Mục tiêu đề tài……… …… 6

1.3 Giới hạn đề tài……… …… 7

Chương II: Cơ Sở Lý Thuyết……….8

2.1 Pin mặt trời……… … …….….8

2.1.1 Giới thiệu……… …….8

2.1.2 Đặc tính làm việc……… ……….8

2.1.3 Quan hệ giữa tải và điện áp làm việc……….……… 10

2.2 Mạch chuyển đổi DC/DC……… …….10

2.2.1 Nguyên lý mạch chuyển đổi SEPIC……… 10

2.2.2Tính toán thiết kế mạch SEPIC……….13

2.3 Giải thuật điều khiển MPPT 14

2.3.1 Các phương pháp điều khiển……….14

2.3.2 Nguyên lý dung hợp tải……….18

2.4 Các phương pháp dò tìm MPPT……… 19

Chương III: Thiết Kế Hệ Thống……… ……….…23

3.1Yêu cầu thiết kế……….… 23

3.2 Thiết kế hệ thống……….……….……23

3.2.1Sơ đồ tổng quan……… …………23

3.2.2 Lựa chọn thiết bị……… 24

3.3 Thiết kế mạch……… …… ……….………30

3.3.1 Mạch nguồn……….…… ……….…….30

3.3.2 Mạch điều khiển……… …… … 31

3.3.3 Mạch hiển thị LCD……… ………….… 37

3.3.4 Mạch chuyển đổi DC/DC……… …….…….38

Chương IV: Kết Quả Giám Sát và Thi Công……….…… 40

4.1Lưu đồ giải thuật…… ……… … …….….40

4.2 Giới thiệu chương trình……… ……… 41

4.3 Kết quả giám sát và thi công……… …… 42

Chương V: Kết Luận và Hướng Phát Triển……… …… 47

5.1 Kết luận……… …….…….… 47

5.2 Hướng phát triển……… ….…….……47

Tài Liệu Tham Khảo……….… 48

Phụ Lục……….……… …… 49

LỜI CẢM ƠN



Đề tài này được hoàn thành với sự hỗ trợ và giúp đỡ của rất nhiều quý thầy cô

và các bạn sinh viên trong lớp 08118 Đó là những tình cảm thật đáng quý trọng, thật biết ơn khi được sự giúp đỡ nhiệt tình từ phía thầy cô, bạn bè trong lúc tìm hiểu và thi công

Nhóm xin chân thành cảm ơn thầy Lê Chí Kiên khoa Điện-Điện Tử đã đóng góp ý kiến giúp nhóm định hướng trong quá trình tực hiện đề tài

Chân thành cảm ơn những người bạn trong lớp Điện Tự Động đã hỗ trợ “tinh thần” nhóm rất nhiều trong thời gian nghiên cứu và thi công

Đề tài hoàn thành không tránh khỏi những sai sót, nhóm rất mong được sự góp

ý từ quý thầy cô và các bạn để giúp đề tài này hoàn thiện hơn

Cuối cùng, nhóm xin chúc quý thầy cô và các bạn nhiều sức khỏe và gặt hái được nhiều thành công

TP Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2012

Nhóm thực hiện Nguyễn Hữu Cường – Tô Tiến Dũng

Chương I: Tổng Quan Về Đề Tài

1.1 Giới thiệu đề tài

Đối với loài người, năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng vô cùng vô tận và quý báu Chúng ta đã biết tận dụng nguồn năng lượng tái tạo này dựa trên các tấm pin mặt trời để tạo ra nhiều sản phẩm phục vụ cho lợi ích cá nhân(hệ thống nước nóng, phương tiện đi lại, hệ thống đèn chiếu sáng, hệ thống điện trong dân dụng…)

Hiệu suất của tấm pin quang điện hiện nay chỉ đạt được tối đa là 17,6% so với lượng nhiệt mà nó nhận được từ mặt trời Tuy nhiên công việc nâng cao hiệu suất của

nó vẫn luôn đang diễn ra mạnh mẽ Do giá thành đắt đỏ và hiệu suất không cao nên pin quang điện chưa được sự quan tâm nhiều ở các nước đang phát triển Vì vậy, vấn đề tạo ra các thiết bị nhằm đạt được điểm công suất tối ưu của tấm pin là việc cần thiết

Trước đây, khi tấm pin còn ở hiệu suất thấp thì nhà sản xuất phải cần một số lượng lớn và tiêu tốn chi phí vật tư mà hiệu quả mang lại thì không đáng kể Vì vậy, pin mặt trời trước đây được bán với giá thành rất đắt đỏ và không là giải pháp kinh tế của người tiêu dùng

Ngày nay, với sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ vi xử lý, những thiết bị thông minh nhỏ gọn đã được tạo ra với giá thành hợp lý và hiệu quả kinh tế cao So với các phương pháp khác, vi xử lý có ưu điểm vượt trội: tốc độ xử lý và độ chính xác rất cao,

dễ dàng lập trình nhờ các phần mềm hỗ trợ (MBLAB, CCS…) Vi xử lý hiện nay đang được xem là một trong những công nghệ đi đầu, góp phần quan trọng cho sự phát triển khoa học kĩ thuật Các hãng sản xuất vi xử lý nổi tiếng hiện nay như: Intel, Arm, Microchip, Dell… với rất nhiều ứng dụng đa dạng

Với lòng say mê tìm tòi học hỏi, cùng với kiến thức đã học nhóm đã quyết định chọn đề tài “BỘ CHUYỂN ĐỔI NGUỒN PIN MẶT TRỜI”với mong muốn tạo ra một sản phẩm thiết thực phục vụ cho đời sống

1.2 Mục tiêu đề tài

Mục tiêu đề tài của nhóm là thiết kế và thi công bộ chuyển đổi nguồn pin mặt trời với điện áp ngõ ra có thể thay đổi được,được điều khiển và giám sát trên máy tính thông qua phần mềm giao tiếp Bộ điều khiển có chức năng duy trì điểm làm việc tại điểm công suất cực đại của pin

1.3 Giới hạn đề tài

Thiết bị được thiết kế với các phần chính: mạch điều khiển sử dụng PIC điều khiển xung kích mạch chuyển đổi DC/DC, giao tiếp với máy tính thông qua cổng COM Phần mềm giao tiếp máy tính lập trình trên VB 6.0, có chức nănggiám sát điện

áp, dòng điện vào ra, tỉ số điều rộng xung D và có thể đặt điện áp ra như mong muốn Ngoài ra còn có LCDhiển thịđiện áp, dòng điện vào ra để giúp giám sát trực tiếp trên

thiết bị

Chương II: Cơ Sở Lý Thuyết

2.1 Pin mặt trời

2.2.1 Giới thiệu

Pin mặt trời (pin quang điện) là thiết bị ứng dụng hiệu ứng quang điện trong bán dẫn (hiệu ứng quang điện trong – quang dẫn) để tạo ra dòng điệnmột chiều từ ánh

sáng mặt trời Hình ảnh về một cell pin mặt trời được minh họa ở hình 2.1

Có 3 loại pin mặt trời làm từ tinh thể Silic:

 Một tinh thể hay đơn tinh thể module Đơn tinh thể này có hiệu suất tới 16% Loạinày thường đắt tiền do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có cácmặt trống ở góc nối các module,

 Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc từ Silic nung chảy, sau đó được làm nguội và làm rắn Loại pin này thường rẻ hơn loại đơn tinh thể, nhưng lại

có hiệu suất kém hơn.Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn loại đơntinh thể bù cho hiệu suất thấp của nó,

 Dải Silic tạo từ các miếng phim mỏng từ Silic nóng chảy và có cấu trúc

đa tinh thể.Loại này thường có hiệu suất thấp nhất nhưng cũng là loại rẻ nhất trong các loại vìkhông cần phải cắt từ thỏi Silicon

Hình 2.1: Một cell pin mặt trời

2.1.2 Đặc tính làm việc

Đặc tính làm việc của pin mặt trời là đặc tính phụ thuộc vào mối quan hệ điện

áp và dòng điện, trong đó có 2 thông số quan trọng là điện áp hở mạch lớn nhất VOC và dòng điện ngắn mạch ISC Đặc tính làm việc của pin được minh họa ở hình 2.2

Hình 2.2: Đặc tính làm việc của pin quang điện

Do dòng ngắn mạch ISC tỉ lệ thuận với cường độ bức xạ chiếu sáng nên đường đặc tính V - A của pin mặt trời cũng phụ thuộc vào cường độ bức xạ chiếu sáng Ở mỗi tầngbức xạ chỉ thu được duy nhất một điểm làm việc V = VMPPcó công suất lớn nhất

và điểm làm việc có công suất lớn nhất là điểmchấm đen to trên hình 2.3(đỉnh của

đường cong đặc tính)

Hình 2.3: Sự phụ thuộc của đặc trưng V-A của pin mặt trời vào

cường độ bức xạ mặt trời

Điện áp hở mạch VOC phụ thuộc trực tiếp vào nhiệt độ nên đường đặc tính V-A

củapin mặt trời cũng phụ thuộc vào nhiệt độ của pin Hình 2.4 là hình ảnh minh họa

cho sự phụ thuộc nhiệt độ của 1 cell pin quang điện

Hình 2.4: Sựphụ thuộc của 1 cell pin mặt trời vào nhiệt độ

2.1.3 Quan hệ giữa tải và điện áp làm việc

Để toàn bộ hệ PV có thể hoạt động được một cách hiệu quả thì đường đặc tính

của tải cũng phải phù hợp như hình 2.5 Điểm A, B và C là các điểm làm việc ứng với

các giá trị tải R1, R2, R3 với R1 < R2 < R3

Hình 2.5: Đường đặc tính tải và đặc tính của pin mặt trời

2.2Mạch chuyển đổi DC/DC

2.2.1 Nguyên lý mạch chuyển đổi SEPIC

Sơ đồ khối một mạch SEPIC về cơ bản gồm: tụ điện đầu vào Cin, tụ điện đầu ra

Cout, 2 cuộn cảm L1 và L2, tụ gốm Cp, FET công suất Q1và diode D1 như hình 2.6

Hình 2.6: Sơ đồ khối mạch SEPIC

Hoạt động cơ bản của mạch như sau:

 Ở chu kì dẫn, FET công suất Q1đóng, cuộn cảm L1 được nạp bởi điện áp ngõ vào Vin, cuộn cảm L2 được nạp bởi tụ điện Cp làm cho dòng điện trong 2 cuộn cảm tăng dần theo thời gian Lúc này tải được duy trì bởi điện áp rơi trên tụ Cout (hình 2.7),

 Ở chu kì ngắt, Khi FET Q1 hở, dòng điện từ cuộn L1 qua tụ Cp, tiếp tục chạy qua diode D1, đến tụ Cout và cuối cùng ra tải Lúc này, cả 2 tụ Cp và

Cout đều được nạp lại để có thể cung cấp dòng điện cho tải và nạp điện cho cuộn L2 (hình 2.8)

Hình 2.7: Hoạt động của mạch SEPIC khi FET Q 1 đóng

Hình 2.8: Hoạt động của mạch SEPIC khi FET Q 1 hở

Thành phần điện áp và dòng điện của mạch SEPIC ở chế độ dẫn liên tục (CCM)

được thể hiện ởhình 2.9 và hình 2.10

Hình 2.9: Biểu đồ điện áp ở chế độ dẫn liên tục

Hình 2.10: Biểu đồ dòng điện ở chế độ dẫn liên tục

2.2.2 Tính toán thiết kế mạch SEPIC

- Giả sử với hiệu suất 100% thì chu kì lặp lại D ở chế độ dẫn liên tục được tính bởi công thức:

D =

Trong đó: D là chu kì lặp lại,

Vin là điện áp vào,

Vout là điện áp ra,

VFWD là điện áp rơi trên diode Schottky

- Độ lớn của 2 cuộn cảm L1 và L2 được tính theo công thức:

. ( )+ ESR (I L1(Peak) + I L2(Peak) ) (6)

- Nếu bỏ qua ESR thì ta có phương trình đơn giản sau:

2.3 Giải thuật điều khiển MPPT

2.3.1 Các phương pháp điều khiển MPPT

MPPT (Maximum Power Point Tracker)là phương pháp do tìm điểm làm việc

có công suất tối ưu của hệ thống điện pin mặt trời qua việc điều khiển chu kỳ đóng mở khóa điện tử dùng trong bộ DC/DC Phương pháp MPPT được sử dụng rất phổ biến tronghệ thống pin mặt trời làm việc độc lập và đang dần được áp dụng trong hệ quang điện làmviệc với lưới

Thuật toán MPPT sẽ ra lệnh cho bộ điều khiển MPPT phảilàm gì để điều chỉnh điện áp làm việc Sau đó nhiệm vụ của bộ điều khiển MPPT là điềuchỉnh tăng giảm điện áp làm việc và duy trì ổn định mức điện áp làm việc của hệ nguồnpin mặt trời Có

3 phương pháp phổ biến điều khiển MPPT:

 Phương pháp điều khiển PI,

 Phương pháp điều khiển trực tiếp,

 Phương pháp điều khiển đo trực tiếp tín hiệu ra

 Phương pháp điều khiển PI

MPPT sẽ đo giá trị điện áp PV và dòng PV, sau đó dựa vào thuật toán MPPT (P&O, INC hay các thuật toán MPPT khác…) tính toán giá trị điện áp quy chiếu Vref đểđiều chỉnh điện áp làm việc PV lên theo Vref Nhiệm vụ của thuật toán MPPT chỉ là định giá trị điện áp Vref và việc tính toán này sẽ được lặp lại theo chu kỳ (thường khoảng từ 1đến 10 lần lấy mẫu trẹn 1 giây).Sơ đồđiều khiển MPPT sử dụng phương

pháp PI như hình 2.11

Hình 2.11:Sơ đồ khối phương pháp điều khiển MPPT sử dụng bộ bù PI

Bộ điều khiển tỉ lệ – tích phân PI quy định điện áp đưa vào bộ biến đổi DC/DC

Bộ PI có nhiệm vụ bù sai lệch giữa Vref và điện áp đo được bằng cách điều chỉnh hệ

số đóngcắt D PI có tốc độ làm việc nhanh, cho đáp ứng nhanh và ổn định Bản thân bộ điều khiểnPI được cấu tạo từ những thành phần tương tự Analog, nhưng nó được làm việc với nguyên tắc điều khiển xử lý tín hiệu số DSP (Processing Signal Digital) vì bộ

xử lý tín hiệusố có thể thực hiện được nhiều nhiệm vụ khác như xác định điểm làm việc có công suất tốiưu cho nên sẽ giảm được một số lượng thành phần trong hệ

 Phương pháp điều khiển trực tiếp

Phương pháp điều khiển này đơn giản hơn và chỉ sử dụng một mạch vòng điềukhiển, nó thực hiện nhiệm vụ điều chỉnh hệ số làm việc trong thuật toán MPPT Việc điều chỉnh hệ số làm việc hoàn toàn dựa trên nguyên lý dung hợp tải Sơ đồ của

phương pháp điều khiển trực tiếp MPPT như hình 2.12

Hình 2.12: Sơ đồ của phương pháp điều khiển trực tiếp MPPT

Tổng trở của PV là tổng trở vào bộ biến đổi được tính với công thức như sau:

R in = = (1 – D) 2 = (1 – D) 2 R tai

Hình 2.13 cho thấy việc tăng D sẽ làm giảm tổng trở vào Rin, từ đó điện áp làmviệc PV sẽ dịch sang bên trái (giảm đi) Tương tự khi giảm D sẽ làm tăng Rin, khi

đó điện áp làm việc sẽ dịch sang phải (tăng lên)

Hình 2.13: Mối quan hệ giữa tổng trở vào và hệ số làm việc D

Thời gian đáp ứng của các tầng công suất và nguồn PV tương đối chậm (10 –

50 ms tuỳ thuộc từng loại tải) Thuật toán MPPT thay đổi hệ số làm việc D, sau đó lầnlấy mẫu điện áp và dòng PV tiếp theo nên được thực hiện sau khi hệ đạt đến trạng thái ổnđịnh để tránh đo phải giá trị đang ở trạng thái chuyển tiếp Tỷ lệ lấy mẫu của phương pháp này thường từ 1 đến 100 lần trên 1 giây trong khi tỷ lệ lấy mẫu của bộ điều khiển PIthường nhanh hơn, vì vậy phương pháp điều khiển trực tiếp này cho độ bền vững đối vớisự thay đổi đột ngột của tải Tuy nhiên nhìn chung đáp ứng của hệ thống lại chậm hơn

Phương pháp điều khiển trực tiếp có thể làm việc ổn định đối với các thiết bị như hệ thống có trang bị ắc quy và hệ thống bơm nước, tỷ lệ lấy mẫu chậm nên có thể

sử dụng bộ viđiều khiển giá thành thấp.Với những ưu điểm trên, nhóm đã chọn phương pháp này bởi tính khả dụng của nó, cũng nhưphù hợp với các thiết bị của đề tài

 Phương pháp điều khiển đo trực tiếp tín hiệu ra

Phương pháp này là phương pháp được cải tiến từ phương pháp điều khiển trực tiếpở trên va có ưu điểm là chỉ cần hai cảm biến đo điện áp và dòng điện.Phương pháp điều khiển bằng PI và phương pháp điều khiển trực tiếp đo tín hiệu vào bộbiến đổi, có

ưu điểm là cho phép điều khiển chính xác điểm làm việc của pin mặt trời

Nhưng những cảm biến vào thường cần phải có những cảm biến khác đo tín hiệu ra để tránh trường hợp quá điện áp hay quá dòng điện của tải Như vậy hai phương pháp trên sẽfải cần đến 4 cảm biến để hoạt động được tốt nhất nên chi phi lắp đặt sẽ cao

Phương pháp điều khiển đo trực tiếp này do sự thay đổi công suất của PV ở đầu racủa bộ biến đổi và coi hệ số làm việc D như một biến điều khiển Phương pháp này dùngthuật toán P&O để xác định điểm MPPT

Để có thể coi D là một biến điều khiển thì thuật toán P&O phải được cải tiến một chút nhưng về cơ bản vẫn là không đổi Thuật toán P&O mới này điều chỉnh D và

đo công suất ra của bộ biến đổi Nếu công suất ra của bộ biến đổi DC/DC tăng lên, hệ

số làm việc D cũng sẽ tăng lên theo và ngược lại nếu công suất ra giảm đi thi D cũng

sẽ giảm theo Khi công suất ra của bộ biến đổi đạt đến giá trị cực đại thì lúc này PV đang làm việc ở điểm MPPT

Phương pháp này chỉ dễ dàng thực hiện mô phỏng với một bộ biến đổi lý tưởng còn trong thực tế với bộ biến đổi không phải ly tưởng thì không thể đảm bảo rằng giá trị cực đại của công suất ra khỏi bộ biến đổi có tương ứng với điểm MPP hay không Một nhược điểm khác là phương pháp này chỉ có thể thực hiện với các tham số của thuật toán P&O và hoàn toàn không áp dụng cho thuật toán INC

2.3.2 Nguyên lý dung hợp tải

Khi PV được mắc trực tiếp với một tải, điểm làm việc của PV sẽdo đặc tính tải xác định Điện trở tải được xac định như sau:

R tai =

Trong đó: V0 là điện áp ra và I0 là dòng điện ra

Tải lớn nhất của PV được xác định như sau:

R opt =

Trong đó: VMPP và IMPP là điện áp và dòng điện cực đại

Khi giá trị của tải lớn nhấtkhớp với giá trị Ropt thì công suất truyền từ PV đến tải sẽ là công suất lớn nhất Tuy nhiên,điều này thường độc lập và hiếm khi khớp với thực tế Mục đích của MPPT là phối hợptrở kháng của tải với trở kháng lớn nhất của

Sơ đồ tổng trở vào Rin được điều chỉnh bằng D nhưhình 2.14 Trở kháng do PV

tạo ra là trở kháng vào Rin cho bộ biến đổi Bằng cách điều chỉnh tỉ lệ làm việc D, giá trị của Rin được điều chỉnh giá trị phù hợp với Ropt Vì vậy, trở kháng của tải không cần phải quan tam nhiều miễn là tỉ lệ làm việc của khóa điệntử trong bộ biến đổi được điều chỉnh theo quy tắc hợp lý

Hình 2.14: Sơ đồ tổng trở vào R in được điều chỉnh bằng D

2.4 Các phương pháp dò tìm MPPT

Thuật toán dò tìm MPPT được coi là một phần không thể thiếu trong hệ PV, được áp dụngvới mong muốn nâng cao hiệu quả sử dụng của dãy pin mặt trời Nó được đặt trong bộ điều khiển biến đổi DC/DC

Nhìn chung có rất nhiều thuật toán dò tìm MPPT đã được nghiên cứu và ứng dụng trênnhiều hệ thống Một phương pháp đo điện áp hở mạch VOCcủa các pin mặt trời cứ 30 giâymột lần bằng cách tách pin mặt trời ra khỏi mạch trong một khoảng thời gian ngắn Sau khinối mạch trở lại, điện áp pin được điều chỉnh lên 76% của VOC Tỷ

lệ % này phụ thuộc vàoloại pin mặt trời sử dụng Việc thực hiện phương pháp điều khiển mạch hở này đơn giản và ít chi phí mặc dù hiệu quả MPPT là thấp (từ 73% đến 91%)

Phương pháp tính toán cũng có thể dự đoán vị trí của điểm MPPT, tuy nhiên trong thực tế, phương pháp này làm việc không hiệu quả vì nó không theo được những thay đổi vật lý, tuổi thọ của tấm pin và cácảnh hưởng bên ngoài khác như bóng của các vật cản … Các thuật toán sử dụng phương pháp điều khiển kín mạch có thể cho hiệu quả caohơn nên các thuật toán này được sử dụng phổ biến hơn cho MPPT Có 2 phương pháp MPPT được ứng dụng rộng rãi, trở nên phổ biến và cho hiệu quả làm việc cao:

 Phương pháp nhiễu loạn và quan sát P&O,

 Phương pháp điện dẫn gia tăng

 Phương pháp nhiễu loạn và quan sát P&O

Đây là một phương pháp đơn giản và được sử dụng thông dụng nhất nhờ sự đơngiản trong thuật toán và việc thực hiện dễ dàng Thuật toán này xem xét sự tăng, giảm điệnáp theo chu kỳ để tìm được điểm làm việc có công suất lớn nhất Nếu sự biến thiên củađiện áp làm công suất tăng lên thì sự biến thiên tiếp theo sẽ giữ nguyên chiều hướng tănghoặc giảm

Ngược lại, nếu sự biến thiên làm công suất giảm xuống thì sự biến thiên tiếptheo sẽ có chiều hướng thay đổi ngược lại Khi điểm làm việc có công suất lớn

nhất đượcxác định trên đường cong đặc tính thì sự biến thiên điện áp sẽ dao động xung

quanh (điểmMPPT) điểm làm việc có công suất lớn nhất đó.Hình 2.15 là biểu đồ tìm

điểm làm việc công suất lớn nhất P&O

Hình 2.15: Phương pháp tìm điểm làm việc công suất lớn nhất P&O

Lưu đồ thuật toán tìm điểm làm việc công suất lớn nhất như hình 2.16 dưới đây

Hình 2.16: Lưu đồ thuật toán phương pháp P&O

Sự dao động điện áp làm tổn hao công suất trong hệ quang điện, đặc biệt là khiđiều kiện thời tiết thay đổi Vấn đề này có thể giải quyết bằng cách điềuchỉnh logic trong thuật toán P&O hay so sánh các tham số trong hai chu kỳ trước Mộtcách khác

để giải quyết việc hao hụt công suất quanh điểm MPPT là giảm bước tính biếnthiên xuống, nhưng khi điều kiện thời tiết thay đổi, thuật toán này sẽ trở nên chậm chạphơn trong việc bám theo điểm MPPT và công suất sẽ bị hao hụt nhiều hơn Nhược điểm chính của phương pháp này là không tìm được chính xácđiểm làm việc có công suất lớn nhất khi điều kiện thời tiết thay đổi

Tuy nhiên, nhóm quyết định chọn phương pháp này vớinhững ưu điểm vượt trội như:cấu trúc đơn giản nhất, dễ thực hiện nhất trong khuôn khổ của đề tài, điểm làm việc sẽ dao động xung quanh điểmMPPT và chỉ gây hao hụt một phần nhỏ năng lượng trong trạng thái ổn định

 Phương pháp điện dẫn gia tăng INC

Điện dẫn gia tăng là phương pháp khắc phục nhược điểm trong trường hợp điều kiện thời tiết thay đổi đột ngột Phương pháp này sử dụng tổng điện dẫngia tăng của

dãy pin mặt trời để dò tìm điểm công suất tối ưu như hình 2.17

Hình 2.17: Phương pháp điện dẫn gia tăng

Phương pháp cơ bản dựa trên đặc điểm độ dốc của đường đặc tính pin bằng0 tại điểm MPPT, độ dốc này là dương khi ở bên trái điểm MPPT, là âm khi ở bên phải điểm MPPT như sau:

Bằng cách so sánh giá trị điện dẫn tức thời (I/V) với giá trị điện dẫn gia tăng (

ΔI /ΔV ), thuật toán sẽ tìm được điểm làm việc có công suất lớn nhất Tại điểm MPPT,điện áp chuẩn Vref= VMPP Mỗi khi điểm MPPT được tìm ra, hoạt động của pin lại được duy trì ở điểm làm việc này trừ khi có sự thay đổi về dòng điện ΔI , sự thay đổi của dòng điện ΔI thể hiện sự thay đổi của điều kiện thời tiết và của điểm MPPT

Độ lớn của điện dẫn gia tăng sẽ quyết định độ nhanh chậm trong việc tìm ra điểm MPPT Tuy nhiên khi điện dẫn gia tăng lớn quá sẽ làm cho hệ thống hoạt động không chính xác tại điểm MPPT và sẽ bị dao động

Ưu điểm chính của phương pháp này là cho kết quả tốt nhất khi thời tiết thay đổinhanh Phương pháp này cũng cho dao động nhỏ nhất quanh điểm MPPT hơn phương phápP&O

Nhược điểm của phương pháp này là mạch điều khiển phức tạp, sử dụng 2 cảmbiếnđể đo giá trị dòng điện và điện áp, nên chi phí lắp đặt cao Tuy nhiên ngày nay với sựxuất hiện của nhiều phần mềm hay các bộ xử lý đã làm giá thành của hệ này giảm đi rấtnhiều

Chương III: Thiết Kế Hệ Thống

3.1 Yêu cầu thiết kế

Thiết kế một hệ thống pin mặt trời là xây dựng một quan hệ tương thích giữa các thànhphần của hệ về mặt định tính và định lượng để đảm bảo hiệu quả cao

Hệ thống muốn đạt được công suất tối ưu phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: cường độ chiếu sáng của ánh nắng, nhiệt độ, hiệu suất của tấm pin, công suất tổn hao thành nhiệt Vì vậy, việc thiết kế toàn hệ thống cần có sự tính toán chính xác, vững chắc, ổn định để cho ra sản phẩm có chất lượng

Một số yêu cầu đối với việc giao tiếp, hiển thị:

 Giao diện chương trình giao tiếp đơn giản, dễ sử dụng Có khả năng giám sát điện áp vào ra và điều khiển điện áp ra,

 Hiển thị được độ lớn điện áp, dòng điện vào ra trên giao diện giao tiếp cũng như trên LCD gắn trên thiết bị,

 Thiết kế độ gợn dòng cho phép

3.2 Thiết kế hệ thống

3.2.1 Sơ đồ tổng quan

Từ sự phân tích các yêu cầu và các đặc trưng của các phụ tải điện, ta sẽ chọn sơ

đồkhối của hệ thống như hình 3.1 gồm các bộ phận chính như sau:

 Pin mặt trời cung cấp điện năng cho hệ thống,

 Bộ điều khiển gồm mạch nguồn và mạch xử lý trung tâm,

 Ác quy dùng để lưu trữ điện năng sử dụng lúc cần thiết,

 Mạch chuyển đổi DC-DC,

 Phụ tải là các tải có thể thay đổi được

Hình 3.1: Sơ đồ khối của hệ thống

3.2.2 Lựa chọn thiết bịcho hệ thống

Trong một hệ thống bất kì thì việc lựa chọn các thiết bị hợp lí sẽ tiết kiệm chi phí, sức lực tạo điều kiện thuận lợi hoạt động của hệ thống

Sau khi tìm hiểu, phân tích chức năng và yêu cầu của hệ thống, nhóm đưa ra phương án lựa chọn các thiết bị như sau:

 Lựa chọn tấm pin mặt trời

Tấm pin mặt trời được xem là nguồn điện cung cấp chính để hệ thống hoạt động, vì vậy việc lựa chọn tấm pin hứng được ánh nắng tốt nhất từ mặt trời cùng những tính năng và chất liệu đặc biệt, chịu đựng được sự khắc nghiệt của thời tiết, khí hậu, nhiệt độ là rất quan trọng

Trên thị trường hiện nay có bán rất nhiều loại pin mặt trời của nhiều hãng nổi tiếng như:First Solar, ULVAC, Next Power, Centrotherm, Schott Solar, Robert Bosch với nhiều tính năng khác nhau Nhóm đã quyết định chọn pin loại mono-silic

(đơn tinh thể) của hãng Bosch (hình 3.2) vì giá thành phù hợp và dễ sử dụng

Mọi thông số của pin được trình bày chi tiết qua bảng 3.1

Hình 3.2: Pin mặt trời Mono-silic của Robert Bosch

khô thuộc hãng Panasonic làmột sự lựa chọn phù hợp như hình 3.3

Hình 3.3: Ác quy khô hãng Panasonic

Bảng 3.2 ngay dưới đây sẽ thể hiện thông số của ác quy

Tuổi thọ trung bình tấm pin 25-30 năm

dễ dàng đưa vào mạch ứng dụng theo nhiều giao thức giao tiếp khác nhau

Với những lý do trên, nhóm quyết định chọn loại LCD 16x2 (gồm 16 kí tự và 2

dòng) vìgiá thành hợp túi tiền và tốn rất ít tài nguyên hệ thống như hình 3.4

Hình 3.4: LCD 16x2 character

 Lựa chọn đèn báo

Trên thị trường có nhiều loại đèn báo với xuất xứ cũng như kiểu dáng và mẫu

mã khác nhau Nhóm đã chọn loại đèn báo có xuất xứ từ Trung Quốc với những ưu điểm nổi bật như tuổi thọ cao, độ sáng ổn định và dòng tiêu thụ tương đối thấp Hình

dáng của đèn được mô tả như hình 3.5.Để phù hợp mức điện áp cũng như dòng điện ngõ ra, nhóm chọn đèn có thông số như bảng 3.3

Bảng 3.3: Thông số của đèn báo hiệu

 Lựa chọn nút nhấn

Nút nhấn được yêu cầu trong hệ thống là một loại nút nhấn gồmmột tiếp điểm thường hở, đây là loại nút nhấn có kích thước nhỏ gọn, phổ biếnvà được dùng nhiều

trong tủ điện, trong các mô hình thực tập Hình 3.6 mô tả một loại nút nhấn có khả

năng làm việc trong suốt 24 giờ với nhiệt độ trung bình không vượt quá 35oC

Công tắc là một bộ phận quan trọng và không thể thiếu trong hệ thống Thực tế,

có rất nhiều loại công tắc với kiểu dáng, mẫu mã, kích thước… trên thị trường hiện nay Tuy nhiên, nhóm quyết định chọn loại công tắc tròn 3 chân, có đèn led, kích thước tương đối nhỏ gọn và trên hết là phù hợp với kiểu dáng của tủ điều khiển như