Luận văn Mô hình giám sát và điều khiển hệ thống chiếu sáng bằng năng lượng mặt trời (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Mô hình giám sát và điều khiển hệ thống chiếu sáng bằng năng lượng mặt trời (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 MÔ HÌNH GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG BẰNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI GVHD: ThS. NGUYỄN NGÔ LÂM SVTH: ĐÀO NGỌC ÁNH MSSV: 12141472 SVTH: ĐINH QUỐC ĐẠT MSSV: 12141044 S K L 0 0 4 3 4 5 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7/2016
2. MỤC LỤC Chương 1. TỔNG QUAN 1 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ 1 1.2. MỤC TIÊU 2 1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2 1.4. GIỚI HẠN 2 1.5. BỐ CỤC 3 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4 2.1. QUY TRÌNH HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG 4 2.2. CỞ SỞ LÝ THUYẾT ÁP DỤNG TRONG ĐỀ TÀI. 4 2.2.1. Pin năng lượng mặt trời 4 2.2.2. Phương pháp MPPT 10 2.2.3. Giải thuật INC (Incremental Conductance) [3] 12 2.2.4. Tổng quan về ắc quy. 13 2.2.5. Mạch biến đổi điện áp DC – DC [5] 17 2.2.6. Kit nhúng Intel Galileo 20 2.2.7. Màn hình LCD 20X4 25 2.2.8. IC mở rộng port 74HC595 29 2.2.9. Động cơ bước 31 2.2.10. Module điều khiển động cơ bước TB6560. 31 2.2.11. Module cảm biến dòng ACS712. 33 Chương 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 35 3.1. GIỚI THIỆU 35 3.2. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 35 3.2.1. Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 35 3.2.2. Tính toán và thiết kế mạch. 37 3.2.3. Sơ đồ nguyên lý của toàn mạch. 48 3.3. THIẾT KẾ GIAO DIỆN WEB 51 Chương 4. THI CÔNG HỆ THỐNG 57 4.1. GIỚI THIỆU 57 4.2. THI CÔNG HỆ THỐNG 57
3. 4.2.1. Thi công bo mạch 57 4.2.2. Lắp ráp và kiểm tra 61 4.3. ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH 65 4.3.1. Đóng gói bộ điều khiển 65 4.3.2. Thi công mô hình 66 4.4. LẬP TRÌNH HỆ THỐNG 67 4.4.1. Lưu đồ giải thuật 67 4.4.2. Phần mềm lập trình cho vi điều khiển 78 4.5. TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC 86 4.5.1. Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng 86 4.5.2. Quy trình thực hiện thao tác: 88 Chương 5. KẾT QUẢ NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ 89 5.1. KẾT QUẢ THỰC HIỆN 89 5.2. NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ ĐỀ TÀI 91 Chương 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 92 6.1. KẾT LUẬN 92 6.2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO 93 PHỤ LỤC 94
4. LIỆT KÊ HÌNH Trang Hình 2.1: Cell, module và array pin mặt trời. 5 Hình 2.2: Cấu tạo của pin năng lượng mặt trời. 5 Hình 2.3: Nguyên lý làm việc của một solar cell. 7 Hình 2.5: Hai thông số quan trọng của solar cell. 8 Hình 2.6: Đặc tuyến V-A theo cường độ bức xạ. 8 Hình 2.7: Sơ đồ tương đương hoàn chỉnh của solar panel. 9 Hình 2.8: Sự thay đổi của hướng ánh sáng mặt trời. 10 Hình 2.9: Góc chiếu mặt trời so với trái đất. 10 Hình 2.10: Đặc tuyến tải với đặc tuyến P-V của pin. 11 Hình 2.11: Đặc tuyến P-V của solar panel thực tế. 11 Hình 2.12: Trở kháng đầu vào của PV (Rin) được điều chỉnh bởi duty cycle (D). 12 Hình 2.13: Đặc tuyến P-V và điểm MPPT. 13 Hình 2.14: Cấu tạo của ắc quy axit. 14 Hình 2.15: Quá trình phóng nạp của Ắc quy. 14 Hình 2.16: Kết cấu của ắc quy. 15 Hình 2.17: Cấu tạo của ắc quy. 16 Hình 2.18: Sơ đồ nguyên lý mạch Cuk. 17 Hình 2.19: Khi khóa T mở. 18 Hình 2.20: Khóa T đóng lại. 18 Hình 2.21: Dạng sóng thu được từ mạch Cuk. 19 Hình 2.22: 2 phiên bản của Intel Galileo. 20 Hình 2.23: Cấu trúc của kit Intel Galileo Gen 1. 22 Hình 2.24: Format thẻ nhớ. 23 Hình 2.25: Ghi hệ điều hành lên thẻ nhớ. 24
5. Hình 2.26: Sketch để xem IP của kit. 24 Hình 2.27: Địa chỉ IP của kit. 25 Hình 2.28: Giao tiếp với kit qua SSH. 25 Hình 2.29: Màn hình làm việc sau khi đăng nhập thành công. 25 Hình 2.30: LCD 20X4. 26 Hình 2.31: Các lệnh trong LCD. 27 Hình 2.32: Dạng sóng điều khiển LCD. 29 Hình 2.33: Sơ đồ chân của IC 74HC595. 29 Hình 2.34 : Động cơ bước (trái) và sơ đồ các cuộn dây của động cơ (phải). 31 Hình 2.35 : Module TB6560. 32 Hình 2.36 : Sơ đồ mạch nguyên lý của module TB6560. 32 Hình 2.37: Hình cảm biến dòng ACS712. 33 Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống. 36 Hình 3.2: Ắc quy Globe 12V- 12Ah 39 Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý khối mạch sạc. 40 Hình 3.4: Mạch đo điện áp pin mặt trời. 42 Hình 3.5: Mạch đo điện áp ắc quy. 43 Hình 3.6: Mạch điều khiển công suất. 44 Hình 3.7: Mạch hiển thị LCD qua 74HC595. 45 Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lí mạch điều khiển quay theo hướng mặt trời. 45 Hình 3.9: Sơ đồ nguyên lý mạch nút nhấn. 46 Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 5V. 47 Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn -5V. 47 Hình 3.12: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 12V. 48 Hình 3.13: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch. 50
6. Hình 3.14: Trang web đăng nhập. 51 Hình 3.15: Trang web điều khiển của hệ thống. 53 Hình 3.16: Trang web giám sát. 56 Hình 4.1: Mạch in mạch điều khiển. 58 Hình 4.2: Sơ đồ bố trí linh kiện mạch điều khiển. 58 Hình 4.3: Mạch in mạch công suất. 59 Hình 4.4: Sơ đồ bố trí linh kiện mạch công suất. 59 Hình 4.5: Kết quả thi công mạch điều khiển. 62 Hình 4.6: Kết quả thi công mặt trên của board điều khiển. 63 Hình 4.7: Kết quả thi công mặt dưới mạch điều khiển. 64 Hình 4.8: Kết quả thi công mặt trên mạch công suất. 64 Hình 4.9: Đóng gói bộ điều khiển. 65 Hình 4.10: Kết quả thi công mô hình. 66 Hình 4.11: Lưu đồ hoạt động của hệ thống. 67 Hình 4.12: Lưu đồ hoạt động phía linux. 68 Hình 4.13: Lưu đồ chương trình định thời đọc giá trị analog và điều khiển tải. 69 Hình 4.14: Lưu đồ hoạt động của chế độ arduino. 70 Hình 4.15: Lưu đồ chương trình chính trên arduino. 71 Hình 4.16: Lưu đồ chương trình điều khiển động cơ. 72 Hình 4.17: Lưu đồ chương trình con đọc dữ liệu analog. 73 Hình 4.18: Lưu đồ xuất dữ liệu điều khiển bằng IC mở rộng 74HC595. 74 Hình 4.19: Lưu đồ chương trình con MPPT_INC theo giải thuật INC. 75 Hình 4.20: Lưu đồ chương trình con setPwm. 76 Hình 4.21: Lưu đồ chương trình con analog_info 77 Hình 4.23: Tìm gói hỡ trợ cho board điều khiển. 79
7. Hình 4.24: Chọn gói hỗ trợ cho board Intel Galileo. 80 Hình 4.25: Cấu trúc một project trong IDE. 81 Hình 4.26: Ví dụ một chương trình trên IDE. 81 Hình 4.27: Cài đặt driver cho Intel Galileo. 82 Hình 4.28: Đăng nhập vào kit qua phần mềm WinSCP. 83 Hình 4.29: Các file trong một project. 83 Hình 4.30: Nội dung file index.ejs 84 Hình 4.31: Một ví dụ đơn giản về lập trình server. 84 Hình 4.32: Kết quả chạy ví dụ trên server. 85 Hình 4.33: Kết quả trên trình duyệt. 85 Hình 4.34: Hướng dẫn kết nối mạch nguồn và mạch sạc. 87 Hình 4.35: Hướng dẫn kết nối mạch công suất. 88 Hình 5.1: Trang web đăng nhập của hệ thống. 89 Hình 5.2: Trang web điều khiển của hệ thống. 90 Hình 5.3: Trang web giám sát của hệ thống. 90 Hình 5.4: Kết quả hiển thị trên LCD. 91
8. LIỆT KÊ BẢNG Trang Bảng 2.1: Sự thay đổi điện áp theo dung lượng của ắc quy [4]. 16 Bảng 2.2: Các chân trong LCD 20X4 26 Bảng 2.3: Chức năng các chân của 75HC595. 30 Bảng 2.4 : Bảng trạng thái của IC74HC595. 30 Bảng 2.5 : Dòng hoạt động của module. 33 Bảng 2.6: Chế độ hoạt động của module. 33 Bảng 4.1. Danh sách các linh kiện. 60
9. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Chương 1. TỔNG QUAN 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ Cùng với sự phát triển rất nhanh của thế giới, do đó chúng ta cần cung cấp một nguồn năng lượng điện rất lớn cho hoạt động sản xuất và sinh hoạt. Trong khi đó các nguồn năng lượng hiện tại đang dần cạn kiệt và gây ô nhiễm môi trường. Trong những năm gần đây chúng ta đang đẩy mạnh việc nghiên cứu, sử dụng các nguồn năng lượng sạch như năng lượng gió, năng lượng mặt trời, nhằm tối ưu các nguồn năng lượng này, kết nối với lưới điện chính cung cấp cho hoạt động sản xuất và sinh hoạt. Trong đó ở Việt Nam chúng ta là một quốc gia nằm gần đường xích đạo nên số giờ nắng trong một năm cũng rất cao 1.400 – 3.000 giờ/năm, đồng thời năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng sạch không gây ô nhiễm môi trường. Mặt khác hệ thống chiếu sáng công cộng của chúng ta như hệ thống chiếu sáng điện đường, chiếu sáng công viên, từ trước đến nay nguồn điện chính cung cấp cho hệ thống này chính là nguồn điện lưới, và hàng năm chúng ta phải tốn rất nhiều tiền để chi trả cho nguồn năng lượng này, ngoài ra hệ thống chiếu sáng này chỉ hoạt động vào ban đêm và tắt vào ban ngày. Vậy chúng ta hãy đặt ra câu hỏi tạo sao chúng ta không tận dụng nguồn năng lượng mặt trời để cung cấp cho hệ thống này? Nhận thấy vấn đề này là cần thiết nên nhóm quyết định thiết kế và thi công một mô hình giám sát và điều khiển hệ thống chiếu sáng bằng năng lượng mặt trời. Để hấp thụ được nguồn năng lượng mặt trời, chúng ta cần có những tấm solar panel (tấm pin năng lượng mặt trời). Vấn đề đặt ra là trong một ngày thì cường độ bức xạ của mặt trời cũng như nhiệt độ của tấm pin mặt trời cũng thay đổi, nên chúng ta phải tối ưu công suất của tấm pin mặt trời tại mỗi cường độ bức xạ và nhiệt độ khác nhau. Ngoài ra chúng ta cũng cần tối ưu năng lượng của các tấm solar khi dùng để sạc cho các ắc quy. Trước đây cũng có một số đề tài về năng lượng mặt trời và cũng áp dụng một số giải thuật cho việc tối ưu công suất cho các tấm pin mặt trời, nhưng khi thiết kế mach sạc thì dùng phương pháp PWM (điều chế độ rộng xung) kết hợp với mạch Buck như đề tài “Thiết kế và xây dựng đèn đường thông minh” Nguyễn Xuân Phú, Nguyễn Trường Thành, Đồ Án Tốt Nghiệp ĐH, Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM, 2015. Việc sử dụng mạch Buck sẽ không tận dụng nguồn năng lượng của tấm pin mặt trời khi khóa BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 1
10. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN K mở, điều này sẽ tạo ra một sự lãng phí rất lớn khi hệ thống chúng ta hoạt động trong thời gian dài. Để khắc phục vấn đề này nhóm đã tận dụng mạch Cuk kết hợp với phương pháp MPPT để tối ưu nguồn năng lượng để sạc cho ắc quy. Để có thể giám sát và điều khiển hệ thống nhóm sẽ xây dựng một web server (máy chủ web) để hiển thị các thông số như điện áp, dòng điện, công suất của solar panel và điện áp và dòng điện qua ắc quy, đồng thời điều khiển tải từ xa. 1.2. MỤC TIÊU Tận dụng tối ưu công suất pin năng lượng mặt trời. Điều chỉnh được hướng quay của pin năng lượng mặt trời để tận dụng tối đa nguồn năng lượng bức xạ. Đảm bảo tối ưu việc sạc ắc quy. Việc điều khiển tải cũng như việc cập nhật trạng thái của tải và thông số hệ thống phải đáp ứng nhanh và ổn định. 1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Tìm hiểu thời gian nắng và hướng lệch của mặt trời tại địa phương. Tìm hiểu về pin năng lượng mặt trời, phương pháp chọn và các phương pháp tối ưu công suất cho pin. Tìm hiểu về hoạt động và thiết kế webserver. Thiết kế hệ thống điều khiển. Thiết kế và thi công mô hình. Đánh giá kết quả thực hiện. 1.4. GIỚI HẠN Với đề tài thiết kế mô hình giám sát và điều khiển chiếu sáng công cộng bằng năng lượng mặt trời có các giới hạn: Đề tải chỉ dừng lại ở mức độ mô hình. Chỉ giới hạn ở 2 tải đèn với tổng công suất là 9W. Kích thước mô hình 20x50x100 cm. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 2
11. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.5. BỐ CỤC Chương 1: Tổng Quan Chương này trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nôi dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án. Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết. Chương này trình bày về các cơ sở lý thuyết hỗ trợ cho việc thiêt kế, tính toán chọn lọc và lập trình sau này. Chương 3: Thiết Kế và Tính Toán Chương này trình việc thiết kế sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý cho hệ thống. Tính toán chọn lọc các linh kiện trong mạch và các phần cứng khác. Chương 4: Thi công hệ thống Trình bày tiến trình thi công, lắp ráp các phần cứng. Viết lưu đồ và chương trình điều khiển hệ thống. Chương 5: Kết quả nhận xét đánh giá. Trình bày kết quả hoạt động của hệ thống, nhận xét hệ thống có hoạt động ổn định hay không. Đồng thời đánh giá những gì đã làm được và chưa làm được. Chương 6: Kết luận. Trình bày về kết luận của nhóm đối với đề tài có đạt được như mục đích đã nêu chưa. Trình bày hướng phát triển trong tương lai. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 3
12. CHƯƠNG 2: CỞ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. QUY TRÌNH HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG Mô hình giám sát và điều khiển hệ thống chiếu sáng công cộng bằng năng lượng mặt trời hoạt động theo quy trình: Khi cấp nguồn cho hệ thống, hệ thống sẽ kiểm tra hướng chiếu sáng của mặt trời để tiến hành điều chỉnh hướng quay của pin năng lượng mặt trời cho phù hợp để hấp thụ tối đa nguồn bức xạ. Thực hiện việc dò tìm điểm công suất cực đại của pin mặt trời tại mỗi mức cường độ bức xạ khác nhau để pin mặt trời luôn hoạt động ở điểm công suất cực đại. Tiến hành sạc năng lượng thu được vào ắc quy. Cập nhật các thông số về điện áp và dòng điện của pin và ắc quy và trạng thái của tải lên webserver. Giám sát và điều khiển tải qua web. 2.2. CỞ SỞ LÝ THUYẾT ÁP DỤNG TRONG ĐỀ TÀI. 2.2.1. Pin năng lượng mặt trời a. Tổng quan Pin năng lượng mặt trời hay pin mặt trời hay pin quang điện bao gồm nhiều tế bào quang điện (solar cells) là phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các cảm biến ánh sáng là điốt quang, thực hiện biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện. Các pin năng lượng mặt trời có nhiều ứng dụng trong thực tế. Chúng đặc biệt thích hợp cho các vùng mà điện lưới khó vươn tới như núi cao, ngoài đảo xa, hoặc phục vụ các hoạt động trên không gian; cụ thể như các vệ tinh quay xung quanh quỹ đạo trái đất, máy tính cầm tay, các máy điện thoại cầm tay từ xa, thiết bị bơm nước Các Pin năng lượng mặt trời được thiết kế như những module thành phần, được ghép lại với nhau tạo thành các tấm năng lượng mặt trời có diện tích lớn, thường được đặt trên nóc các tòa nhà nơi chúng có thể có ánh sáng nhiều nhất, và kết nối với bộ chuyển đổi của mạng lưới điện. Các tấm pin mặt trời lớn ngày nay được lắp thêm bộ phận tự động điều khiển để có thể xoay theo hướng ánh sáng, giống như cây xanh hướng về ánh sáng Mặt Trời. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 4
13. CHƯƠNG 2: CỞ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.1: Cell, module và array pin mặt trời. b. Cấu tạo 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 bên trong. Chất bán dẫn chính được sử dụng bên trong pin năng lượng mặt trời là silicon. Silicon tuy có mức dẫn điện hạn chế nhưng nó có cấu trúc tinh thể rất phù hợp cho việc tạo ra chất bán dẫn. Nguyên tử silicon cần 4 electron để trung hòa điện tích nhưng lớp vỏ bên ngoài một nguyên tử silicon chỉ có một nửa số electron cần thiết nên nó sẽ bám chặt với các nguyên tử khác để tìm cách trung hòa điện tích. Hình 2.2: Cấu tạo của pin năng lượng mặt trời. Để tăng độ dẫn điện của silicon, các nhà khoa học đã “tạp chất hóa” nó bằng cách kết hợp nó với các vật liệu khác. Quá trình này được gọi là “doping” và silicon pha tạp BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 5
14. CHƯƠNG 2: CỞ SỞ LÝ THUYẾT với các tạp chất tạo ra nhiều electron tự do và lỗ trống. Một chất bán dẫn silicon có hai phần, mỗi phần được pha tạp với một loại vật liệu khác. Phần đầu tiên được pha với phốt pho, phốt pho cần 5 electron để trung hòa điện tích và có đủ 5 electron trong vỏ của nó. Khi kết hợp với silicon, một electron sẽ bị dư ra. Electron đặc trưng cho điện tích âm nên phần này sẽ được gọi là silicon loại N (điện cực N). Để tạo ra silicon loại P (điện cực P), các nhà khoa học kết hợp silicon với boron. Boron chỉ cần 3 electron để trung hòa điện tích và khi kết hợp với silicon sẽ tạo ra những lỗ trống cần được lấp đầy bởi electron. c. Nguyên lý hoạt động Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời chính là hiện tượng quang điện xảy ra trên lớp tiếp xúc p-n. Khi một photon chạm vào mảnh Silic, một trong hai chiều sau sẽ xảy ra: Photon truyền trực tiếp qua mảnh Silic. Điều này thường xảy ra khi năng lượng của photon thấp hơn năng lượng đủ để đưa các hạt electron lên mức năng lượng cao hơn. Khi photon bị hấp thụ, năng lượng của nó được truyền đến các hạt electron trong mạng tinh thể. Thông thường các electron này lớp ngoài cùng và thường được kết dính với các nguyên tử lân cận vì thế không thể di chuyển xa. Khi electron được kích thích, trở thành dẫn điện, các electron này có thể tự do di chuyển trong bán dẫn. Khi đó nguyên tử sẽ thiếu 1 electron và đó gọi là lỗ trống. Lỗ trống này tạo điều kiện cho các electron của nguyên tử bên cạnh di chuyển đến điền vào lỗ trống và điều này tạo ra lỗ trống cho nguyên tử lân cận có “lỗ trống”. Cứ tiếp tục như vậy lỗ trống di chuyển xuyên suốt mạch bán dẫn. Một photon chỉ cần có năng lượng lớn hơn năng lượng đủ để kích thích electron lớp ngoài cùng dẫn điện. Nhiệt độ của mặt trời thường tương đương 6000oK, vì thế nên phần lớn năng lượng mặt trời điều được hấp thụ bởi Silic. Tuy nhiên hầu hết năng lượng mặt trời chuyển đổi thành nhiệt nhiều hơn là năng lượng điện sử dụng được. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 6
15. CHƯƠNG 2: CỞ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.3: Nguyên lý làm việc của một solar cell. d. Mạch điện tương đương với một solar panel [1]. Sơ đồ tương đương của pin mặt trời là gồm một nguồn dòng mắc song song với một diode. Hình 2.4: Mạch điện tương đương với solar panel. Pin mặt trời có hai thông số quan trọng: Dòng ngắn mạch (Isc) và điện áp hở mạch (Voc). Khi Pin mặt trời ngắn mạch V= 0, từ hình 2.5 ta có: I = ISC – Id (2.1) 푞푣 Mà Id = I0(푒 − 1), thay vào (2.1) ta được: 푞푣 I = ISC – I0(푒 − 1) (2.2) Với: q là điện tích electron, q = 1.602x10-19 C k là hằng số Boltzmann, k = 1. 381x10-23 J/K T là nhiệt độ mối nối của bán dẫn (K) BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 7
16. CHƯƠNG 2: CỞ SỞ LÝ THUYẾT Khi pin mặt trời hở mạch I=0, ta có điện áp hở mạch Voc : 푠 Voc = ln( + 1) (2.3) 푞 0 Hình 2.5: Hai thông số quan trọng của solar cell. Từ hai phương trình (2.2) và (2.3) ta thấy dòng ngắn mạch ISC tỉ lệ trực tiếp với cường độ bức xạ, nên ta dễ dàng vẽ được đường đặc tính V-A theo cường độ bức xạ. Hình 2.6: Đặc tuyến V-A theo cường độ bức xạ. Trên thực tế, trong quá trình chế tạo pin PV, do tiếp xúc điện cực mặt trước và sau, cũng có thể do bản thân vật liệu có một điện trở suất nhất định. Vì vậy trong mạch điện tương đương cần phải mắc thêm vào một điện trở nối tiếp Rs và một điện trở song song Rsh với tải như hình 2.7. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 8
17. CHƯƠNG 2: CỞ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.7: Sơ đồ tương đương hoàn chỉnh của solar panel. Theo định luật Kirchhoff về điện thế: VPV = VD – Rs.IPV (2.4) Theo định luật Kirchhoff về cường độ dòng điện: 푞( +푅푠 ) 푃 푃 푃 +푅푠 푃 IPV = Iph – ID – Ish = Iph – Is(푒 푛 − 1) - (2.5) 푅푠ℎ e. Điều chỉnh hướng quay của tấm solar panel. Trong một ngày trái đất sẽ quay quanh trục theo chiều từ đông sang tây như hình 2.8. Để thu được cường độ bức cao nhất buộc chúng ta phải điều chỉnh hướng quay của pin sao cho tấm solar luôn vuông góc với ánh sáng mặt trời. Để thực hiện việc này chúng ta có thể dùng 2 quang trở được mắc song song với nhau được ngăn cách bởi một màn chắn tương ứng với hướng đông và hướng tây, với đặc tính khi có ánh sáng chiếu vào thì điện trở giảm thì khi ta so sánh giá trị analog qua 2 quang trở này nếu có sự chênh lệch thì chúng ta sẽ điều chỉnh hướng quay hợp lý. Mặt khác trong một năm khi trái đất quay quanh mặt trời thì góc lệnh của đường đi mặt trời so vói trái đất sẽ bị lệch theo hướng bắc – nam. Theo hình 2.9 thì tại hai ngày xuân phân (21/3) và ngày thu phân (21/9) là 2 ngày mặt trời chiếu vuông góc với xích đạo, và 2 ngày hạ chí (21/6) và đông chí (21/12) thì mặt trời chiếu vuông góc với chí tuyến bắc và nam. Việt Nam chúng ta nằm ở bán cầu bắc cụ thể thành phố Hồ Chí Minh nằm từ vĩ độ 10010’ đến 10038’ nên góc lệch theo hướng bắc nam cao nhất vào ngày đông chí là 33026’ nên việc điều chỉnh hướng quay theo hướng bắc nam không nhất thiết. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 9
18. CHƯƠNG 2: CỞ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.8: Sự thay đổi của hướng ánh sáng mặt trời. Hình 2.9: Góc chiếu mặt trời so với trái đất. 2.2.2. Phương pháp MPPT MPPT (Maximum Power Point Tracker) là phương pháp dò tìm điểm làm việc có công suất tối ưu của hệ thống nguồn điện pin mặt trời qua việc điều khiển chu kỳ đóng mở khoá điện tử dùng trong bộ DC-DC. Phương pháp MPPT được sử dụng rất phổ biến trong hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập và đang dần được áp dụng trong hệ quang điện làm việc với lưới. MPPT bản chất là thiết bị điện tử công suất ghép nối nguồn điện PV (photovoltaic) với tải để khuyếch đại nguồn công suất ra khỏi nguồn pin mặt trời khi BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 10
19. CHƯƠNG 2: CỞ SỞ LÝ THUYẾT điều kiện làm việc thay đổi, và từ đó có thể nâng cao được hiệu suất làm việc của hệ. MPPT được ghép nối với bộ biến đổi DC- DC và một bộ điều khiển [2]. Khi ta kết nối tải R trực tiếp với nguồn pin, lý tưởng thì đặc tuyến I-V của tải sẽ cắt đặc tuyến P-V của dàn PV tại một điểm có công suất cực đại gọi là điểm MPP (Maximum Power Point) như hình 2.10 ứng với tải R = Rm. Nhưng thực tế thì do ảnh hưởng của cường độ bức xạ và nhiệt độ của tấm pin nên đặc tuyên P-V của tấm pin sẽ không cố định như trường hợp lý tưởng mà sẽ như hình 2.11. Vì thế đặc tuyến tải sẽ không cắt đặc tuyến P-V của tấm pin tai MPP (điểm công suất cực đại) nên nhiệm vụ của chúng ta là phải dò tìm điểm MPP ứng với mỗi cường độ bức xạ và nhiệt độ khác nhau. Để làm việc này chúng ta cần một mạch và một thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại. Hình 2.10: Đặc tuyến tải với đặc tuyến P-V của pin. Hình 2.11: Đặc tuyến P-V của solar panel thực tế. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 11
20. CHƯƠNG 2: CỞ SỞ LÝ THUYẾT Thực chất việc tìm được điểm công suất cực đại của hệ thống chính là chúng ta phối hợp trở kháng của tải với pin mặt trời nhờ vào hệ số chu kỳ đóng ngắt khóa K của mạch biến đổi điện áp DC-DC để ta có được đặc tuyến tải cắt đặc tuyến P-V của pin tại điểm MPP. Rin Hình 2.12: Trở kháng đầu vào của PV (Rin) được điều chỉnh bởi duty cycle (D). Theo hình 2.10 ta có: 0 Rload = (2.6) 0 Tải tối ưu cho pin là: 푃푃 Ropt = (2.7) 푃푃 Nếu chúng ta điều chỉnh hệ số D để có được Rin tối ưu nhất để khi đó nó kết hợp với Rload để lúc này ta có một tổng trở RL= Ropt để phối hợp với nguồn PV. Như vậy toàn bộ công suất của pin sẽ được truyền tải cho tải, hệ thống đạt điểm MPP. 2.2.3. Giải thuật INC (Incremental Conductance) [3] Thuật toán INC dựa trên thực tế như sau: Độ dốc của đường cong công suất bằng không tại điểm MPP. Độ dốc dương ở bên trái điểm MPP. Độ dốc âm ở bên phải điểm MPP. Đặc tính P-V và thuật toán INC được minh hoạ trên hình 2.11 theo đó: dP/dV = 0, tại MPP. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 12
21. CHƯƠNG 2: CỞ SỞ LÝ THUYẾT dP/dV > 0, ở bên trái MPP. dP/dV -I/V, ở bên trái MPP. ∆I/∆V < -I/V, ở bên phải MPP. Hình 2.13: Đặc tuyến P-V và điểm MPPT. 2.2.4. Tổng quan về ắc quy. Ắc quy hay nguồn điện thứ cấp là loại pin có thể được tái sử dụng nhiều lần chỉ cần nạp điện cho chúng bằng cách cắm điện vào bộ sạc để sạc. Ắc quy gồm 2 loại chính là ắc quy kiềm và ắc quy axit. Trong cùng loại ắc quy axít cũng được phân chia thành hai loại chính: ắc quy axít kiểu hở thông thường và ắc quy axít kiểu kín khí. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 13
22. S K L 0 0 2 1 5 4