Luận văn Khảo sát đặc tính làm việc của pin nhiên liệu (Phần 1)
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Luận văn Khảo sát đặc tính làm việc của pin nhiên liệu (Phần 1)", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
Tài liệu đính kèm:
luan_van_khao_sat_dac_tinh_lam_viec_cua_pin_nhien_lieu_phan.pdf
Nội dung text: Luận văn Khảo sát đặc tính làm việc của pin nhiên liệu (Phần 1)
- BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRỊNH VĂN PHƯƠNG KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA PIN NHIÊN LIỆU S K C 0 0 3 9 5 9 NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 60 52 50 S KC 0 0 3 9 5 0 Tp. Hồ Chí Minh, 2013
- BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRỊNH VĂN PHƢƠNG KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA PIN NHIÊN LIỆU NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN MÃ NGÀNH: 60 52 50 Hƣớng dẫn khoa học: TS. LÊ CHÍ KIÊN TP. Hồ Chí Minh, tháng 04/2013
- LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC Họ & tên: TRỊNH VĂN PHƢƠNG Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 19-10-1980 Nơi sinh: KIÊN GIANG Quê quán: RẠCH GIÁ – KIÊN GIANG Dân tộc: Kinh Chức vụ, đơn vị công tác trƣớc khi học tập, nghiên cứu: Giảng viên, khoa Kỹ thuật Công nghệ, Trƣờng Cao Đẳng Cộng đồng Kiên Giang. Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 445 Nguyễn Trung Trực – Khu phố 3 – Phƣờng Vĩnh Lạc – Tp. Rạch Giá – Tỉnh Kiên Giang. Điện thoại cơ quan: Điện thoại riêng: 0939772100 Fax: E-mail: ptrinhvan.trinh@hotmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO 1. Đại học: Hệ đào tạo: chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2000 đến 04/2005 Nơi học (trƣờng, thành phố): Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật TPHCM. Ngành học: Điện – Điện tử. Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp:Thi tốt nghiệp 2. Thạc sĩ: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 05/2011 đến 05/2013 Nơi học (trƣờng, thành phố): Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh. Ngành học: Thiết bị mạng và Nhà máy điện. Tên luận văn: Khảo sát đặc tính làm việc của Pin nhiên liệu. vi
- Ngày & nơi bảo vệ luận văn: Tháng 05 năm 2013, Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh. Ngƣời hƣớng dẫn: Ts. Lê Chí Kiên. 3. Trình độ ngoại ngữ: tiếng Anh - Trình độ: B1 III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhận 05/2006 đến Trƣờng Cao Đẳng Cộng đồng Giảng viên khoa Kỹ nay Kiên Giang thuật Công nghệ vii
- LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn phản ánh trung thực nội dung và quá trình nghiên cứu của luận văn. Tp. HCM, ngày tháng 04 năm 2013 Ngƣời thực hiện Trịnh Văn Phƣơng viii
- LỜI CẢM TẠ Trong suốt quá trình thực hiện đề tài, ngƣời thực hiện đã đƣợc sự hƣớng dẫn tận tình của TS. Trƣơng Việt Anh và TS. Lê Chí Kiên – giảng viên trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh. Dƣới sự hƣớng dẫn của các Thầy, đề tài đã đƣợc nghiên cứu và hoàn thành đúng thời hạn cũng nhƣ mục tiêu đề ra ban đầu. Ngƣời thực hiện xin gửi lòng tri ân sâu sắc đến TS. Trƣơng Việt Anh và TS. Lê Chí Kiên vì những kiến thức quý báu và các phƣơng pháp nghiên cứu mà thầy đã truyền dạy. Ngƣời thực hiện gửi lòng tri ân đến quý thầy cô trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh, quý thầy cô trƣờng Đại Học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh đã tận tình hƣớng dẫn và truyền đạt những kiến thức, phƣơng pháp nghiên cứu và các kinh nghiệm trong suốt hai năm học. Những kiến thức và kinh nghiệm này chính là nền tảng giúp ngƣời thực hiện hoàn thành tốt luận văn này. Ngƣời thực hiện chân thành cảm ơn quý anh chị, chân thành cảm ơn bạn bè và ngƣời thân đã tận tình giúp đỡ trong suốt khóa học cũng nhƣ trong quá trình thực hiện luận văn. Tp. HCM, ngày tháng 04 năm 2013 Ngƣời thực hiện Trịnh Văn Phƣơng ix
- NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN Tp. HCM, ngày tháng 04 năm 2013 TS. LÊ CHÍ KIÊN x
- NHẬN XÉT CỦA CHỦ NHIỆM NGÀNH Tp. HCM, ngày tháng 04 năm 2013 xi
- NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Tp. HCM, ngày tháng 04 năm 2013 xii
- NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG BẢO VỆ LUẬN VĂN Tp. HCM, ngày tháng 04 năm 2013 xiii
- TÓM TẮT Ngày nay, do hiệu quả cao và thân thiện với môi trƣờng nên Pin nhiên liệu (PNL) đƣợc coi là giải pháp thay thế đầy hứa hẹn cho các thế hệ năng lƣợng điện trong tƣơng lai dành cho các ứng dụng điện thoại di động và cố định. Luận án này trình bày một phƣơng pháp bộ dò công suất cực đại (Maximum Power Point Tracking – MPPT) của PNL với lƣu lƣợng nhiên liệu tối ƣu hóa đƣợc phát triển. Mục đích của nghiên cứu này là để dò đƣợc công suất tối đa từ một PNL ở các lƣu lƣợng nhiên liệu khác nhau và để bảo vệ các PNLtừ sự quá dòng và sụp đổ điện áp trên các thiết bị đầu cuối.Hệ thống này bao gồm bộ dò với một công cụ chuyển đổi tăng áp(Boost Converter) có thể thay đổi trở kháng và công suất của PNL.Bộ dò MPP đƣợc điều khiển bởi 1 giải thuật mới nhằm tăng thời gian đáp ứng của bộ dò so với các giải thuật truyền thống trƣớc đây. Điều khiển tối ƣu lƣu lƣợng nhiên liệu ngăn xếp PNL với giải thuật MPPT chính là kết hợp phƣơng pháp điều khiển chủ động của PNL và bị động từ phƣơng pháp MPPT phổ biến nhằm thay đổi trở kháng của ngõ ra. Đối với phƣơng pháp điều khiển này thì lƣu lƣợng nhiên liệu đƣợc ổn định khi tải thay đổi. Đồng thời phƣơng pháp điều khiển này bảo vệ sự xuống cấp của cơ cấu cơ học và màng PNL bằng cách tránh quá nhiệt và vƣợt quá sự hình thành nƣớc, bảo vệ FC khỏi sựxuống cấp và tăng tuổi thọ của nó. xiv
- ABSTRACT Nowadays, Fuel Cell (FC) are considered as promising alternative solution for electrical energy generations in the future for mobile and stationary applications. This is due to their high efficiency and environmental friendliness. This thesis presents a methods FC’s Maximum Power Point Tracking (MPPT) with fuel flow optimization is developed. The aim of this study is to extract themaximum power from a FC at different fuel flow rates and to protect the FC from over-current and voltage collapses across terminals. The system is composed of a tracker with a buck converter able to change the impedance and the FC power. MPP detector is controlled by one new algorithm to increase the response time of the detector compared to the traditional algorithm ago. Optimal fuel flow control FC stack with the MPPT algorithm is a combination of the control method of the FC and passive popular MPPT method to change the output impedance. For this control method, the fuel flow is stable when the load changes. At the same time, this control method protects over the degradation of the mechanical structure and the membrane by avoiding the overheating and the water excess formation, which protect FC from degradation and increase its lifetime. xv
- MỤC LỤC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan iii Cảm tạ iv Tóm tắt v Mục lục vi Danh sách các hình ix Chƣơng 1. TỔNG QUAN 1 1.1. Tổng quan pin nhiên liệu 1 1.1.1. Lịch sử phát triển pin nhiên liệu 1 1.1.2. Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc 4 1.2. Mục đích của đề tài 12 1.3. Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài 12 1.4. Phƣơng pháp nghiên cứu 13 Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 14 2.1. Tổng quan công nghệ pin nhiên liệu 14 2.1.1. Nguyên tắc hoạt động 14 2.1.2. Phân loại 16 2.2. Cơ sở lý thuyết tính toán pin nhiên liệu 17 2.2.1. Đơn vị pin nhiên liệu 17 xvi
- 2.2.1. Ngăn xếp pin nhiên liệu 22 2.3. Bộ chuyển đổi DC/DC 25 2.3.1. Tổng quan bộ chuyển đổi 25 2.3.1.1. Sơ lƣợc các bộ chuyển đổi 25 2.3.1.2. Phân loại bộ chuyển đổi DC-DC 27 2.3.2. Bộ chuyển đổi DC/DC boost converter 28 2.4. Điểm làm việc cực đại của pin nhiên liệu 31 2.5. Các thuật toán tìm điểm cực đại phổ biến 34 2.5.1. Thuật toán quan sát và leo đồi (P&O) 34 2.5.2. Thuật toán tăng độ dẫn (Incremental Conductance) 35 2.5.3. Thuật toán tỷ lệ điện áp mở mạch (Fractional Open Circuit Voltage) 36 2.5.4. Thuật toán tỷ lệ dòng ngắn mạch (Fractional Short Circuit Curent) 37 2.5.5. Thuật toán điều khiển dùng logic mờ (Fuzzy Logic Control) 37 2.5.6. Thuật toán mạng nơron (Neural Network) 38 2.5.7. Thuật toán điều khiển tƣơng quan gợn sóng (Ripple Correlation Control) 39 2.5.8. Thuật toán quét dòng điện (Current Sweep) 40 2.5.9. Thuật toán điều khiển tụ lọc DC (DC Link Capacitor Droop Control) 41 Chƣơng 3. TỐI ƢU LƢU LƢỢNG NHIÊN LIỆU CỦA NGĂN XẾP PIN NHIÊN LIỆU VỚI GIẢI THUẬT MPPT 42 3.1. Giải thuật đề xuấ 42 3.1.1. Phân tích giải thuật cơ bản 42 3.1.2. Giải thuật đề xuất 46 3.2. Xây dựng mô hình mô phỏng 47 3.2.1. Phân tích mô hình ngăn xếp pin nhiên liệu 47 xvii
- 3.2.2. Mô hình giải thuật 52 3.2.3. Bộ chuyển đổi DC/DC boost converter 54 3.2.4. Giải thuật điều khiển dòng nhiên liệu 57 Chƣơng 4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 60 4.1. Mô hình mô phỏng 60 4.2. Kết quả mô phỏng 62 4.2.1. Lƣu lƣợng nhiên liệu cung cấp hằng số 62 4.2.2. Lƣu lƣợng nhiên liệu cung cấp thay đổi 65 4.2.3. Điều khiển tối ƣu lƣu lƣợng nhiên liệu cung cấp 67 4.2.3.1 Tải cố định 67 4.2.3.2 Tải thay đổi 70 Chƣơng 5. KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 72 5.1. Kết luận 72 5.2. Hƣớng phát triển của đề tài 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO 73 xviii
- DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1. Pin nhiên liệu đầu tiên 2 Hình 1.2. Tổng quan công nghệ Hydrogen 3 Hình 1.3. Ứng dụng cho hàng không, vận tải và vũ trụ 3 Hình 1.4. Ứng dụng phát điện lai ghép 4 Hình 1.5. Ứng dụng phát điện hoà lƣới tổng quát 4 Hình 1.6. Thƣơng mại hóa công nghệ PNL trong giao thông vận tải 5 Hình 1.7. Tính năng đa dụng của PNL 6 Hình 1.8. Môđun phát điện di động 6 Hình 1.9. Ứng dụng cho thiết bị điện tử di động 7 Hình 1.10. Môđun phát điện trong nhà 7 Hình 1.11. Phát thải CO2 8 Hình 1.12. Nguồn sản xuất hydro 9 Hình 1.13. Môđun PNLcarbonat nóng chảy (MCFC) 9 Hình 1.14. Chất xúc tác mới cho PNL 10 Hình 1.15. TS Nguyễn Mạnh Tuấn và vật liệu làm màng điện cực cho PNL 11 Hình 1.16. Công bố máy phát điện bằng nƣớc 12 Hình 2.1. Mô hình lý thuyết đơn vị PNL 14 Hình 2.2. Cấu tạo đơn vị PNL 15 Hình 2.3. Cấu tạo ngăn xếp PNL 15 Hình 2.4. Đơn vị pin và ngăn xếp pin 16 xix
- Hình 2.5. Cấu tạo đơn vị PNL 17 Hình 2.6. Mô hình đơn vị PNL 18 Hình 2.7. Đặc tính điện áp và dòng điện 19 Hình 2.8. Hiệu ứng thiếu hụt oxy 22 Hình 2.9. Đặc tuyến PEMFC 6KW – 45VDC 23 Hình 2.10. Đặc tuyến của nhà sản xuất và mô phỏng PEMFC 6KW – 45VDC 24 Hình 2.11. Đặc tuyến I – V 24 Hình 2.12. Đặc tuyến P – V 25 Hình 2.13. Sơ đồ khối bộ xử lý công suất 25 Hình 2.14. Sơ đồ khối bộ chuyển đổi tổng quát 26 Hình 2.15. Đặc tính quan hệ hiệu suất và tỷ số (tổn thất công suất/công suất) 26 Hình 2.16. Các bộ chuyển đổi DC-DC cơ bản 27 Hình 2.17. Bộ chuyển đổi DC-DC độ lợi cao 27 Hình 2.18. Bộ chuyển đổi DC-DC xếp chồng 27 Hình 2.19. Bộ chuyển đổi DC-DC sử dụng MBA cơ bản 28 Hình 2.20. Sơ đồ nguyên lý mạch boost 28 Hình 2.21. Mạch điện khi S đóng 29 Hình 2.22. Dạng sóng điện áp và dòng điện trên cuộn dây L khi S đóng 29 Hình 2.23. Mạch điện khi S mở 30 Hình 2.24. Dạng sóng điện áp và dòng điện trên L khi S mở 30 Hình 2.25. Đặc tuyến I-V, P-V của pin nhiên xx
- liệu với điểm công suất cực đại 31 Hình 2.26. Sơ đồ khối của hệ thống MPPT tiêu biểu 33 Hình 2.27. Lƣu đồ P&O 34 Hình 2.28. Lƣu đồ tăng độ dẫn 35 Hình 2.29. Lƣu đồ tỷ lệ điện áp mở mạch 36 Hình 2.30. Sơ đồ khối thuật toán điều khiển dùng logic mờ 37 Hình 2.31. Lƣu đồ điều khiển dùng logic mờ 38 Hình 2.32. Sơ đồ thuật toán mạng nơron 39 Hình 2.33. V-I-P gợn sóng 40 Hình 2.34. Sơ đồ khối của hệ thống 41 Hình 3.1. Nhiên liệu thay đổi và đáp ứng của P&O và InC 42 Hình 3.2. Trƣờng hợp giải thuật P&O phát hiện sai 43 Hình 3.3. Phân chia các vùng tìm điểm MPP của FC 43 Hình 3.4. Giải thuật kết hợp 45 Hình 3.5. Giải thuật đề xuất 46 Hình 3.6. Mô hình ngăn xếp PNL (PEMFC - 6 kW - 45 Vdc) 47 Hình 3.7. Giải thuật kết hợp trong Matlab/Simulink với tín hiệu ngõ ra VREF 52 Hình 3.8. Giải thuật kết hợp đặc tuyến với tín hiệu ra là độ rộng xung dùng cho mạch Boost DC-DC Coverter 53 Hình 3.9. Khối hàm MPPT 54 Hình 3.10. Mạch boost trong Matlab & Simulink 54 Hình 3.11. Dạng sóng điện áp và dòng điện trên cuộn dây L 55 xxi
- Hình 3.12. Sơ đồ hệ thống ứng dụng ngăn xếp PNL 59 Hình 4.1. Hệ thống mô phỏng 61 Hình 4.2. Sự biến thiên của V – I – Duty – P tại mức nhiên liệu 50lpm và 80lpm 62 Hình 4.3. Đặc tuyến I-V 62 Hình 4.4. Đặc tuyến P-V 63 Hình 4.5. Đáp ứng điện áp của giải thuật kết hợp và giải thuật đề xuất 63 Hình 4.6. Đáp ứng công suất của giải thuật kết hợp và giải thuật đề xuất 64 Hình 4.7. Đặc tuyến I-V & P-V ứng với 3 mức nhiên liệu thay đổi (50lpm, 60lpm, 70lpm) 65 Hình 4.8. Đáp ứng điện áp của giải thuật kết hợp và giải thuật đề xuất ứng với 3 mức nhiên liệu thay đổi (50lpm, 60lpm, 70lpm) 66 Hình 4.9. Đáp ứng công suất của giải thuật kết hợp và giải thuật đề xuất ứng với 3 mức nhiên liệu thay đổi (50lpm, 60lpm, 70lpm) 67 Hình 4.10. Đáp ứng điện áp của giải thuật kết hợp và giải thuật đề xuất khi kết hợp MPPT và điều khiển tối ƣu lƣu lƣợng nhiên liệu 68 Hình 4.11. Đáp ứng công suất của giải thuật kết hợp và giải thuật đề xuất khi kết hợp MPPT và điều khiển tối ƣu lƣu lƣợng nhiên liệu 69 Hình 4.12. Sự biến thiên của V – I – Duty – P khi kết hợp MPPT và điều khiển tối ƣu lƣu lƣợng nhiên liệu 70 Hình 4.13. Đáp ứng của mạch ứng với tải thay đổi 71 xxii
- Chương 1. Tổng quan Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan pin nhiên liệu 1.1.1. Lịch sử phát triển pin nhiên liệu Công nghệ PNL nhiên liệu hay còn gọi pin nhiên liệu (PNL) đƣợc phát hiện bởi nhà khoa học Thụy Sĩ Christian Friedrich Schonbein năm 1838. PinThuỵThuỵ nhiên liệu đầu tiên đƣợc phát triển bởi nhà khoa học tiếng Wales Sir William Grove. Phác thảo đã đƣợc xuất bản năm 1843, nhƣng đó không phải là cho tới năm 1959, kỹ sƣ ngƣời Anh Francis Thomas Bacon phát triển thành công PNL 5 kW. Năm 1959, một nhóm nghiên cứu dẫn đầu bởi Harry Ihrig đạt đƣợc công suất 15 kW công ty Allis-Chalmers đã đƣợc công bố tại Mỹ. Sau đó, vào năm 1959, Bacon và các đồng nghiệp của ông đã chứng minh 1 đơn vị 5-kilowatt thực tế có khả năng cung cấp năng lƣợng 1 máy hàn, mà dẫn đầu trong những năm 1960 bằng sáng chế Bacon đƣợc cấp phép bởi Pratt và Whitney từ Mỹ nơi mà các khái niệm đƣợc sử dụng trong các chƣơng trình không gian Hoa Kỳ cung cấp điện và nƣớc uống. Vật liệu cực kỳ đắt tiền đã đƣợc sử dụng nhƣ bạch kim và nhiên liệu yêu cầu là hydro và oxy rất tinh khiết. Các PNL đầu có xu hƣớng yêu cầu nhiệt độ hoạt động cao bất tiện là một vấn đề trong nhiều ứng dụng. Tuy nhiên, các PNL đƣợc xem là mong muốn do một lƣợng lớn nhiên liệu có sẵn (hydro và oxy).[2] Hình 1.1. Pin nhiên liệu đầu tiên 1
- Chương 1. Tổng quan Hơn nữa tiến bộ công nghệ trong những năm 1980 và những năm 1990, nhƣ việc sử dụng của Nafion là chất điện phân màng, giảm số lƣợng của chất xúc tác bạch kim đắt tiền. Điều này kích thích ứng dụng công nghệ này cho lĩnh vực dân dụng, thƣơng mại vì tính thân thiện với môi trƣờng và chi phí cho công nghệ này ngày càng giảm[3]. Công nghệ này là một trong những giải pháp năng lƣợng linh hoạt nhất từng đƣợc phát minh, các PNL có thể tạo ra năng lƣợng sạch, hiệu quả và đáng tin cậy cho hầu nhƣ bất kỳ thiết bị điện yêu cầu - thƣờng cao hơn hiệu quả hơn các công nghệ đƣơng nhiệm. Họ đang đƣợc sử dụng trong nhiều ứng dụng bao gồm xe nâng hàng, nhƣ thay thế nồi hơi, cung cấp điện dự phòng cho các nhu cầu cơ sở hạ tầng quan trọng ngoài ra còn các thiết bị sạc pin cho các thiết bị điện tử di động. Sự thành công thƣơng mại tiếp tục của các PNL là rất quan trọng để giúp đáp ứng nhu cầu năng lƣợng tăng tốc của thế giới một cách bền vững[4]. Hình 1.2.Tổng quan công nghệ Hydrogen 2