Đồ án Tối ưu hóa quá trình sạc pin năng lượng mặt trời dùng giải thuật MPPT (Maximum Power Point Tracker) (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Tối ưu hóa quá trình sạc pin năng lượng mặt trời dùng giải thuật MPPT (Maximum Power Point Tracker) (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ-TRUYỀN THÔNG TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH SẠC PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI DÙNG GIẢI THUẬT MPPT (MAXIMUM POWER POINT TRACKER) GVHD: THS. TRƯƠNG NGỌC ANH SVTH: HUỲNH PHI CÔNG MSSV: 12341015 SVTH: NGUYỄN QUỐC HUY MSSV: 12341046 SKL003127 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2014
2. PHẦN I
3. TRƢỜNG ĐH. SƢ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TP. HỒ CHÍ MINH ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ Tp. HCM, ngày 25 tháng 1 năm 2014 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Huỳnh Phi Công MSSV: 12341015 Nguyễn Quốc Huy MSSV: 12341046 Chuyên ngành: CNKT Điện tử-Truyền thông Mã ngành: D510302 Hệ đào tạo: Đại học chính quy (CT) Khóa: 2012-2014 Lớp: 123411 I. TÊN ĐỀ TÀI: TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH SẠC PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI DÙNG GIẢI THUẬT MPPT ( Maximum Power Point Tracker ) II. NHIỆM VỤ 1. Các yêu cầu thực hiện, thông số của đề tài: Công suất ngõ vào tối đa 75W. Điện áp ngõ vào điều khiển 19V. Thời gian đáp ứng nhỏ. Dòng sạc nằm trong khoảng định mức cho phép. 2. Các vấn đề tồn tại của ĐATN có liên quan đã thực hiện ở các khóa trƣớc: Giải pháp cấp nguồn cho mạch chƣa tối ƣu. Độ chính xác các thông số trong mạch chƣa cao. Khả năng hiển thị giám sát còn hạn chế. Chƣa tối ƣu hóa đƣợc công suất của pin mặt trời. 3. ĐATN giải quyết đƣợc vấn đề gì, tính mới, tính cải tiến, tính tối ƣu: Thay đổi phƣơng pháp sạc để acquy đƣợc no và tăng tuổi thọ. Hiển thị đầy đủ thông số ngõ vào và ngõ ra. i
4. Tối ƣu hóa công suất của pin mặt trời dùng giải thuật MPPT ( Maximum Power Point Tracker.) 4. Kết quả đạt đƣợc của ĐATN sau khi thực hiện: Acquy sạc đƣợc với công suất tối ƣu nhƣ giải thuật đã đƣa ra. Việc tính toán các thông số chính xác với sai số nhỏ. Đảm bảo điều kiện sạc, bảo vệ mạch và acquy. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 25/02/2014 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 11/07/2014 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: ThS. TRƢƠNG NGỌC ANH GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP ThS. TRƢƠNG NGỌC ANH TS. NGUYỄN THANH HẢI ii
5. TRƢỜNG ĐH. SƢ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TP. HỒ CHÍ MINH ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ Tp. HCM, ngày 12 tháng 07 năm 2014 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Huỳnh Phi Công MSSV: 12341015 Nguyễn Quốc Huy MSSV: 12341046 Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật điện tử truyền thông Hệ đào tạo: Đại học chuyển tiếp Khóa: 2012 Lớp: 123411 I. TÊN ĐỀ TÀI: TỐI ƢU HÓA QUÁ TRÌNH SẠC PIN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI DÙNG GIẢI THUẬT MPPT II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG : 1. Dò tìm đƣợc điểm làm việc có công suất cực đại của hệ thống Pin mặt trời. 2. Tìm hiểu và đƣa thuật toán MPPT vào ứng dụng thực tế. 3. Thiết kế bộ sạc tối ƣu hóa công suất pin mặt trời trên nền tảng Aduino. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 17/03/2014 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 11/07/2014 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: Th.s Trƣơng Ngọc Anh CÁN BỘ HƢỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP Th.s TRƢƠNG NGỌC ANH TS. NGUYỄN THANH HẢI iii
6. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT TPHCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Khoa Điện - Điện Tử Độc lập - Tự do - Hạnh phúc Bộ Môn Điện Tử Công Nghiệp Tp. Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 01 năm 2014 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: HUỲNH PHI CÔNG Lớp: 123411 MSSV: 12341015 Họ tên sinh viên 2: NGUYỄN QUỐC HUY Lớp: 123411 MSSV: 12341046 Tên đề tài: TỐI ƢU HÓA NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI DÙNG GIẢI THUẬT MPPT Xác nhận Tuần/ngày Nội dung GVHD 25/02 Trao đổi với giáo viên hƣớng dẫn và nhận đề 17/03/2014 tài. 18/03 Thống nhất với GVHD các phần mục tìm hiểu, 30/04/2014 thiết kế và thi công. Tìm hiểu lý thuyết liên quan đến các phần mục 1/05 10/05/2014 của đề tài, tham khảo tài liệu, đồ án liên quan. Đề xuất với GVHD, phần cứng sẽ thiết kế, giao 11/05 diện phần mềm và các giải pháp tối ƣu khi thực 20/05/2014 hiện đề tài. - Thi công phần cứng, kiểm tra, đo đạc các 21/05 thông số, tín hiệu 30/05/2014 - Kiểm tra sai sót và khắc phục các lỗi xảy ra. - Kiểm tra lại toàn bộ hệ thống. 30/05 15/06/2014 - Bắt đầu lập trình điều khiển, đo đạc, kiểm tra iv
7. các tín hiệu ngõ vào, ngõ ra, hiển thị - Lập trình phần mềm, giao diện giám sát điều khiển. Hoàn thiện phần cứng chấp hành, phần mềm 16/06 điều khiển. 30/06/2014 Khắc phục các lỗi, sự cố xảy ra khi lập trình điều khiển. 1/07 25/07/2014 Viết báo cáo đề tài và trình cho GVHD xem. Kiểm tra tổng thể, sữa chữa sai sót nếu có và 11/7 Nay hoàn thiện đề tài. GV HƢỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên) ThS.TRƢƠNG NGỌC ANH v
8. Trường ĐHSư Phạm Kỹ Thuật PHIẾU CHẤM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Khoa Điện – Điện Tử (Dành cho cán bộ hướng dẫn) BM Điện Tử Công Nghiệp Ngày 25 tháng 01 năm 2014 1. Tên đề tài tốt nghiệp: TỐI ƢU HÓA QUÁ TRÌNH SẠC PIN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI DÙNG GIẢI THUẬT MPPT 2. Cán bộ hướng dẫn: ThS. TRƢƠNG NGỌC ANH 3. Nhận xét: vi
9. 4. Đề nghị : Được bảo vệ: Bổ sung để được bảo vệ: Không được bảo vệ: 5. Các câu hỏi sinh viên phải trả lời trước hội đồng : (dành cho cán bộ phản biện) Câu 1: Câu 2: 6. Đánh giá chung (bằng chữ: giỏi, khá, TB, yếu): Điểm: /10. 7. Xin mời GV hướng dẫn và GV phản biện tham gia hội đồng bảo vệ của thư mời đính kèm. Cán bộ hướng dẫn ThS. TRƯƠNG NGỌC ANH vii
10. Trường ĐHSư Phạm Kỹ Thuật PHIẾU CHẤM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Khoa Điện – Điện Tử (Dành cho cán bộ phản biện) BM Điện Tử Công Nghiệp Ngày 25 tháng 02 năm 2014 1. Tên đề tài tốt nghiệp: TỐI ƢU HÓA QUÁ TRÌNH SẠC PIN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI DÙNG GIẢI THUẬT MPPT 2. Cán bộ phản biện: 3. Nhận xét: viii
11. 4. Đề nghị : Được bảo vệ: Bổ sung để được bảo vệ: Không được bảo vệ: 5. Các câu hỏi sinh viên phải trả lời trước hội đồng : (dành cho cán bộ phản biện) Câu 1: Câu 2: 6. Đánh giá chung (bằng chữ: giỏi, khá, TB, yếu): Điểm: /10. Cán bộ phản biện ix
12. LỜI CẢM ƠN Em xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy ThS.Trƣơng Ngọc Anh _ Giảng viên môn Vi Điều Khiển đã trực tiếp hƣớng dẫn và tận tình giúp đỡ tạo điều kiện để hoàn thành tốt đề tài. Em xin gởi lời chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Điện-Điện Tử và các bạn lớp 123411 đã chia sẻ trao đổi kiến thức cũng nhƣ những kinh nghiệm quý báu trong thời gian thực hiện đề tài. Xin chân thành cảm ơn! Ngƣời thực hiện đề tài Huỳnh Phi Công Nguyễn Quốc Huy x
13. LỜI MỞ ĐẦU Gần đây, các phƣơng tiện thông tin đại chúng không ngừng thông báo về tình trạng nóng dần lên của trái đất ngày càng nghiêm trọng. Khí thải từ các nhà máy, phƣơng tiện giao thông và nhiều nguồn khác từ cuộc sống con ngƣời đã "nung nóng" trái đất và kéo theo hàng loạt các hậu quả nghiêm trọng khác nhƣ hạn hán, lũ lụt. Trong đó có sự tan chảy băng ở bắc cực, theo ủy ban liên chính phủ về biến đổi khí hậu liên hợp quốc (IPCC) cho biết nhiệt độ trên hành tinh của chúng ta sẽ tăng trong khoảng từ 0.3 đến 4.8 oC trong thế kỷ này và mực nƣớc biển sẽ tăng từ 26-82cm điều này sẽ làm ảnh hƣởng nghiêm trọng đến chính sự sinh tồn của loài ngƣời. Để hạn chế sự ấm dần lên của trái đất, chính phủ các nƣớc đang ráo riết khởi động các phong trào, hoạt động nhằm để giảm lƣợng khí CO2 và khí thải mà chúng ta đang đẩy ra ngoài môi trƣờng bằng các việc làm thiết thực hằng ngày nhƣ: -Chuyển dần sang đi bộ, xe đạp, sử dụng các phƣơng tiện di chuyển công cộng thay vì phƣơng tiện cá nhân. -Tích cực bảo vệ rừng và trồng cây xanh. -Tìm cách hạn chế sử dụng nguồn năng lƣợng từ củi/than đốt hay gas. Thay vào đó chúng ta có thể tìm hiểu việc sử dụng năng lƣợng mặt trời. Góp phần vào việc bảo vệ môi trƣờng đồng thời giảm lƣợng khí thải gây nên hiện tƣợng ấm dần của trái đất. Với đề tài "TỐI ƯU HÓA NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI DÙNG GIẢI THUẬT MPPP". Nhằm mục đích khai thác tối ƣu và sử dụng một nguồn năng lƣợng xanh và sạch để phục vụ nhu cầu hoạt động sống hằng ngày của con ngƣời. Những kiến thức, năng lực đạt đƣợc trong quá trình học tập ở trƣờng sẽ đƣợc đánh giá qua đợt bảo vệ đồ án cuối khóa. Vì vậy nhóm thực hiện đề tài cố gắng tận dụng những kiến thức đã học ở trƣờng cùng với sự tìm tòi, nghiên cứu cùng với sự hƣớng dẫn tận tình của Giáo viên hƣớng dẫn và Thầy/Cô, bạn bè thuộc Khoa Điện- Điện Tử để có thể hoàn thành tốt đồ án này. Mặc dù nhóm thực hiện đề tài đã cố gắng hoàn thành nhiệm vụ đề tài đặt ra và đúng thời hạn nhƣng chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, mong quý Thầy/Cô và các bạn sinh viên thông cảm. Nhóm thực hiện đề tài mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp của quý Thầy/Cô và các bạn sinh viên. Xin chân thành cảm ơn! Ngƣời thực hiện đề tài Huỳnh Phi Công Nguyễn Quốc Huy xi
14. DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ BẢNG Chƣơng II: Hình 2.1: Một Cell, Một Module, Một mảng Pin năng lƣợng mặt trời 7 Hình 2.2: Cấu tạo của pin mặt trời 8 Hình 2.3: Các cấu trúc tinh thể của pin mặt trời 9 Hình 2.4: Một số loại panel pin mặt trời 10 Hình 2.5: Quá trình tạo một panel pin mặt trời 10 Hình 2.6 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 11 Hình 2.7: Hệ thống hai mức năng lƣợng trong đó E1<E2 11 Hình 2.8: Các vùng năng lƣợng 12 Hình 2.9: Hiện tƣợng quang điện xảy ra trên tiếp xúc p-n 13 Hình 2.10: Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 14 Hình 2.11: Pin mặt trời đƣợc ứng dụng ở hộ gia đình và hàng không 14 Hình 2.12: Đặc tính điện thế khi phóng và nạp với dòng không đổi 15 Hình 2.13: Đặc tuyến phóng điện thế với điện thế cuối cùng 16 Hình 2.14: Dung lƣợng định mức dựa trên mức 8 giờ 16 Hình 2.15: Sơ đồ bộ biến đổi DC-DC không cách ly 18 Hình 2.16: So sánh chỉ tiêu chất lƣợng của các bộ biến đổi DC-DC 20 Hình 2.17: Sơ đồ khối mạch nạp năng lƣợng mặt trời DC-DC 20 Hình 2.18: Bộ điều khiển MPPT trong hệ thống pin mặt trời 21 Hình 2.19: Ví dụ tấm pin mặt trời đƣợc mắc trực tiếp với một tải thuần trở 22 Hình 2.20: Đƣờng đặc tính làm việc của pin 22 Hình 2.21:Tổng trở vào Rin 24 Hình 2.22:Đƣờng đặc tính làm việc của pinkhi cƣờng độ bức xạ 25 Hình 2.23:Đƣờng đặc tính làm việc I-V 25 Hình 2.24:Phƣơng pháp tìm điểm làm việc P&O 27 Hình 2.25:Lƣu đồ thuật toán phƣơng pháp P&O 27 Hình 2.26:Phƣơng pháp đện dẫn gia tăng 28 Hình 2.27:Bảng so sánh thuật toán MPPT 29 Hình 2.28:Lƣu đồ thuật toán điện dẫn gia tăng 30 xii
15. Hình2.29:MPPT sử dụng bộ bù PI 31 Hình2.30:Sơ đồ khối phƣơng pháp diều khiển trực tiếp MPPT 32 Hình2.31:Mối quan hệ giữa tổng trở vào và hệ số D .32 Hình2.32:Phƣơng pháp P&O dùng pp đo trực tiếp tín hiệu ra 34 Hình2.33:So sánh thông số MPPT và PWM 35 Hình2.34:Sơ đồ các chân cổng COM 39 Hình2.35:Sơ đồ ghép nối chuẩn RS232 41 Hình2.36:Sơ đồ ghép nối bán song công 42 Hình2.37:Mạch sử dụng hai transistor để giao tiếp RS232 42 Chƣơng III: Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lí toàn mạch 46 Hình 3.2: Sơ đồ chân IRFZ44N 47 Hình 3.3: Sơ đồ khối công suất 47 Hình 3.4: Sơ đồ chân kết nối ACS712 48 Hình 3.5: Bảng thông tin chức năng ACS712 49 Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lí khối nguồn 50 Hình 3.7: Board Adduino 51 Hình 3.8: Bảng các thông số chi tiết board Aduino 52 Hình 3.9: Sơ đồ nguyên lí Board Aduino 53 xiii
16. Chƣơng IV: Hình 4.1: Sơ đồ khối mạch điện 55 Hình 4.2: Lƣu đồ giải thật chƣơng trình chính 56 Hình 4.3: Lƣu đồ thuật toán Run_charger 57 Hình 4.4: Lƣu đồ thuật toán On 59 Hình 4.5: Lƣu đồ thuật toán Buck 60 Hình 4.6: Lƣu đồ thuật toán Float 61 Hình 4.7: Lƣu đồ thuật toán Off 62 Chƣơng V: Hình 5.1: Phần cứng hệ thống 64 Hình 5.2: Các thông số chƣơng trình hiển thị ra LCD 64 Hình 5.3: Các thông số hệ thống trả về PC qua cổng UART 65 xiv
17. MỤC LỤC PHẦN 1: GIỚI THIỆU NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN ii LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP iv PHIẾU CHẤM ĐỒ ÁN vi LỜI MỞ ĐẦU x LỜI CẢM ƠN xi DANH MỤC HÌNH VÀ BẢNG xii PHẦN 2: NỘI DUNG Chƣơng I: GIỚI THIỆU 1 I. ĐẶT VẤN ĐỀ 3 II.MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI 4 III.GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI 4 IV.HẠN CHẾ CỦA ĐỀ TÀI 4 V.PHƢƠNG PHÁP NGUYÊN CỨU 4 VI.Ý NGHĨA THỰC TIỄN ĐỀ TÀI 5 Chƣơng II: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 6 2.1Pin mặt trời 7 2.1.1Giới Thiệu Pin Mặt trời 7 2.1.1.1.Pin Mặt trời, cấu tạo và nguyên lý hoạt động 7 2.1.1.2.Cấu tạo 7 2.1.1.3.Nguyên lý hoạt động 11 2.2.Acquy và các phƣơng pháp nạp acquy 15 2.2.1.Phƣơng pháp nạp theo dòng: 17 2.2.2. Phƣơng pháp nạp theo áp: 17 2.2.3. Phƣơng pháp nạp theo dòng áp: 17 2.2.4. Lựa chọn phƣơng pháp nạp: 18 2.2.4.1Nguyên lý nạp năng lƣợng mặt trời: 18 2.2.4.2Quá trình nạp điện vào ắc quy: 20 2.3.Phƣơng pháp MPPT 21 2.3.1.MPPT là gì ? : 21 xv
18. 2.3.2. Giới Thiệu Chung : 22 2.3.3. Nguyên lý dung hợp tải: 23 2.3.4. Thuật toán xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất MPPT: 24 2.3.4.1 Phƣơng pháp nhiễu loạn và quan sát P&O 26 2.3.4.2 Phƣơng pháp điện dẫn gia tăng 28 2.3.5Phƣơng pháp điều khiển MPPT 30 2.3.5.1 Phƣơng pháp điều khiển PI 30 2.3.5.2 Phƣơng pháp điều khiển trực tiếp 31 2.3.5.3 Phƣơng pháp điều khiển đo trực tiếp tín hiệu ngõ ra 33 2.3.6 So Sánh bộ sạc MPPT và bộ sạc PWM 35 2.3.6.1. Khái quát bộ sạc MPPT và PWM 35 A. Khái quát bộ sạc PWM 35 B. Khái quát bộ sạc MPPT 35 2.3.6.2. Bảng so sánh MPPT và PWM 35 2.3.7 Giới hạn của MPPT 35 2.4.RS232 36 2.4.1.Tổng quan RS232 : 36 2.4.1.1 Đặt vấn đề 36 2.4.1.2 Ƣu điểm giao diện nối tiếp 37 2.4.1.3 Những điểm cần lƣu ý 37 2.4.1.4Các mức điện áp truyền 38 2.4.1.5Cổng RS232 trên PC 38 2.4.1.6Quá trình dữ liệu 39 2.4.2. Sơ đồ ghép nối RS232 : 41 2.4.3. Phần mềm giao tiếp: 43 Chƣơng III: LÝ THUYẾT LIÊN QUAN 44 3.1.Giới thiệu tổng quan hệ thống 45 3.2. Sơ đồ khối toàn mạch 46 3.3Khối công suất 46 3.3.1.Yêu cầu 46 3.3.2.Tính toán thiết kế 46 xvi
19. 3.3.3.Sơ đồ nguyên lý 47 3.4.Khối cảm biến 48 3.4.1.Yêu cầu 48 3.4.2.Tính Toán Thiết Kế 48 3.4.3.Sơ đồ nguyên lý 48 3.5.Khối nguồn 50 3.5.1.Yêu cầu 50 3.5.2.Tính toán thiết kế 50 3.5.3.Sơ đồ nguyên lý 50 3.6.Khối điều khiển 50 3.6.1.Yêu cầu 50 3.6.2.Tính toán thiết kế 50 3.6.3.Sơ đồ nguyên lý 53 Chƣơng IV: THIẾT KẾ và THI CÔNG 54 4.1.Sơ đồ làm việc của hệ thống 55 4.2.Tông quan giải thuật chƣơng trình chính 56 4.3.Thuật toán chính của chƣơng trình RUN_CHARGER 57 4.3.1 Thuật toán 57 4.3.2.Tổng quan hoạt động của thuật toán 57 4.3.3.Chế độ ON 59 4.3.4.Chế độ BUCK 60 4.3.5. Chế độ FLOAT 61 4.3.6.Chế độ OFF 62 Chƣơng V: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 63 5.1.Kết quả thực hiện 64 5.2.KẾT LUẬN 66 5.2.Hƣớng phát triển 66 PHỤ LỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO NỘI DUNG ĐÍNH KÈM ĐĨA CD xvii
20. Tối ưu hóa quá trình sạc pin năng lượng mặt trời dùng giải thuật MPPT PHẦN II GVHD : Th.s Trương Ngọc Anh Trang1
21. Tối ưu hóa quá trình sạc pin năng lượng mặt trời dùng giải thuật MPPT CHƯƠNG I DẪN NHẬP GVHD : Th.s Trương Ngọc Anh Trang2
22. S K L 0 0 2 1 5 4