Luận văn Tối ưu công suất hệ thống pin mặt trời (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Tối ưu công suất hệ thống pin mặt trời (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHAN THANH NHI TỐI ƯU CÔNG SUẤT HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270 S K C0 0 3 7 1 7 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2012
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHAN THANH NHI TỐI ƯU CÔNG SUẤT HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ MÃ NGÀNH: 605270 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2012
3. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHAN THANH NHI TỐI ƯU CÔNG SUẤT HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ MÃ NGÀNH: 605270 Hướng dẫn khoa học:TS. NGUYỄN THANH PHƯƠNG Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2012
4. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC Họ & tên: Phan Thanh Nhi; Giới tính: Nam. Ngày, tháng, năm sinh: 1979; Nơi sinh: Tiền Giang. Quê quán: Tiền Giang; Dân tộc: Kinh. Chức vụ, đơn vị công tác trước khi học tập, nghiên cứu: Giảng viên, Trường Cao Đẳng Nghề Tiền Giang, Tiền Giang. Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 227 Phan Thanh Giản, Phường 2, Thành phố Mỹ Tho, Tiền Giang. Điện thoại cơ quan: 0733.851.588; Điện thoại nhà riêng: 0972.736.246. Fax: Email: thanhnhicdn@gmail.com. II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO 1. Cao đẳng: Hệ đào tạo: Chính quy; Thời gian đào tạo từ 10/1998 đến 03/2001. Nơi học (trường, thành phố): Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM. Ngành học: Kỹ thuật điện điện tử. Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Thi tốt nghiệp 2. Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy; Thời gian đào tạo từ 08/2006 đến 08/2008. Nơi học (trường, thành phố): Đại học Công Nghệ Sài Gòn. Ngành học: Kỹ thuật điện điện tử. Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Thiết kế và thi công mô hình bãi đậu xe. Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 07/2008 tại Đại học Công Nghệ Sài Gòn. Người hướng dẫn: Th.s Trần Quang Đạo. 2. Thạc sĩ: i
5. Hệ đào tạo: Chính quy; Thời gian đào tạo từ 03/2010 đến 03/2012. Nơi học (trường, thành phố): Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM. Ngành học: Kỹ thuật điện tử. Tên luận văn: Tối ưu công suất hệ thống pin mặt trời. Ngày & nơi bảo vệ luận văn: Tháng 10 năm 2012 tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM. Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thanh Phương. 3. Trình độ ngoại ngữ : Tiếng Anhmức độ:B 4. Học vị, học hàm, chức vụ kỹ thuật được chính thức cấp; số bằng, ngày & nơi cấp: Bằng Kỹ sư Điện tử, cấp tại Trường Đại Học Công Nghệ Sài Gòn III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Trường Cao Đẳng Nghề Tiền Giảng viên, Khoa ĐiệnĐiện 03/08 – nay Giang tử ii
6. CHÂN THÀNH CẢM TẠ Tác giả xin gửi lời tri ân chân thành nhất đến: Ban Giám Hiệu, Khoa Điện – Điện tử, các Phòng ban liên quan thuộc Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã tạo mọi điều kiện học tập và nghiên cứu tốt nhất cho toàn thể Học viên. Toàn thể Cán bộ giảng dạy đã truyền đạt kiến thức cũng như trang bị cho Học viên nhiều kỹ năng làm việc quý giá. Ban Giám Hiệu, Khoa ĐiệnĐiện tử Trường Cao Đẳng Nghề Tiền Giang đã tạo mọi điều kiện tốt nhất giúp bản thân hoàn thành khóa học. Tiến sĩ Nguyễn Thanh Phương – nguyên Trưởng khoa Cơ Điện Điện tử Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghệ Thành phố Hồ Chí Minh đã tận tâm trong quá trình truyền đạt cũng như hướng dẫn sâu rộng nhiệt tình, đầy trách nhiệm trong suốt thời gian thực thi Luận văn tốt nghiệp. Tất cả những người thân yêu trong Gia đình, cùng những thân hữu gần xa đã động viên tinh thần, giúp đỡ về mọi mặt trong suốt hai năm học tập và nghiên cứu. Tất cả các bạn Học viên cùng khóa đã có nhiều ý kiến đóng góp đúng lúc, kịp thời giúp Luận văn hoàn thành. Trân trọng Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 10/2012 Học viên thực hiện Phan Thanh Nhi iii
7. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng . năm 2012 ( Ký tên và ghi rõ họ tên ) Phan Thanh Nhi iv
8. TÓM TẮT LUẬN VĂN
    Luận văn nghiên cứu một phương pháp điều khiển tốt để tối ưu công suất hệ thống quang điện, dưới điều kiện nhiệt độ và cường độ sáng thay đổi. Phương pháp này sử dụng một bộ điều khiển logic mờ ứng dụng cho một thiết bị chuyển đổi DC DC. Trình tự các bước thiết kế của bộ điều khiển mờ được trình bày cùng với các mô phỏng của nó. Kết quả mô phỏng thu được của bộ điều khiển mờ được so sánh với bộ điều khiển quan sát nhiễu loạn (P&O). Kết quả cho thấy bộ điều khiển mờ làm việc với hiệu suất cao và chắc chắn. Thi công hệ thống Solar Tracking hướng tới các ứng dụng cho những tấm pano pin cố định có thể xoay theo hướng mặt trời, nhằm giảm thiểu góc tới giữa tia nắng và pháp tuyến của tấm pin. Điều này làm tăng khả năng chuyển đổi quang – điện so với tấm pin đặt cố định. Một hệ tracking 2 trục được thực hiện bởi 2 động cơ bước kiểu lưỡng cực thông qua cơ cấu truyền lực trục vít, bánh răng. Tín hiệu điều khiển được thực hiện bởi vi điều khiển AVR Atmelga16L nhằm xử lý các dữ liệu điện áp được gửi từ các cảm biến ánh sáng (LDR) và từ tấm pin. Kết quả cho thấy công suất đạt được tối ưu hơn so với các tấm pano pin năng lượng mặt trời đặt cố định. Tác giả Phan Thanh Nhi v
9. ABSTRACT
    The thesis studies a good control method to improve the effectiveness of the maximum power point tracking (MPPT) of a photovoltaic system under variable temperature and insolation conditions. A fuzzy logic controller (FLC) applied to a DCDC converter device is used in the method. The design process of this controller is presented together with its simulation. The simulation results which are compared to those obtained by the perturbation and observation controller show that fuzzy controllers work with high performance and certainty. The construction of solar tracking systems aims at the application of solar panels in the direction of the sun in order to decrease the angle between the light ray and the normal of solar panel. It increases the ability of photoelectric transformation of tracking solar system in comparison with that of static solar panel. The twoaxes solar tracking system was operated by the two bipolar step motor with the mechanism of transfer force of screws and begel gears. The control signals were done by the micro processor of AVR Atmelga16L to analyze the voltage levels obtained by light dependent resistors (LDR) and solar cell panels. The results showed that the achieved performance is higher than that of the normal solar panel. Author Phan Thanh Nhi vi
10. MỤC LỤC Trang tựa Trang Quyết định giao đề tài Lý lịch khoa học i Lời cảm tạ iii Lời cam đoan iv Tóm tắt v Abstract vi Mục lục vii Danh sách các hình xi Danh sách các bảng xvi CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Đặt vấn đề 1 1.2. Các thuật toán 3 1.2.1. Phương pháp P&O. 4 1.2.2. Phương pháp INCond :. 4 1.3 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu: 6 1.4. Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài 6 vii
11. 1.4.1.Nhiệm vụ của đề tài. 6 1.4.2.Giới hạn đề tài 6 1.5.Dự kiến kết quả đạt được. 7 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1.Tình hình năng lượng mặt trời: 8 2.1.1.Tình hình chung: 8 2.1.2. Ứng dụng năng lượng mặt trời ở Việt nam: 8 2.2.Năng lượng mặt trời : 10 2.2.1. Phổ Của Mặt Trời : 10 2.2.2. Định nghĩa tỷ số AM : 13 2.2.3. Hiệu suất của vật liệu quang điện: 14 2.3.Pin quang điện PV: 15 2.3.1. Sơ đồ mạch đơn giản của pin PV: 16 2.3.2. Sơ đồ mạch PV khi có tính đến các tổn hao: 17 2.3.3. Array PV và các ảnh hưởng tác động: 19 2.4 Điểm làm việc có công suất cực đại (MPP) và điều khiển MPPT 24 2.4.1 Điểm làm việc có công suất cực đại (MPP) 24 2.4.2 Các thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT) 26 2.4.2.1 Thuật toán quan sát và nhiễu loạn P&O 26 2.4.2.2. Thuật toán độ dẫn (Incremental Conductance): 29 viii
12. CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG XOAY THEO HƯỚNG MẶT TRỜI 3.1.Giới thiệu và sơ đồ khối 31 3.2. Hệ thống cơ khí 32 3.3. Hệ solar tracking 34 3.3.1. Thiết kế bộ cảm biến ánh sáng. 34 3.3.2. Điều khiển động cơ 36 3.3.3. Mạch điều khiển trung tâm 37 3.4. Giải thuật và chương trình điều khiển 38 3.4.1. Giải thuật chương trình 39 3.4.2. Chương trình điều khiển 39 CHƯƠNG 4. SỬ DỤNG LOGIC MỜ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT 4.1. Thuật toán logic mờ 40 4.1.1. Phương pháp điều khiển 40 4.1.2. Giải thuật: 41 4.1.3. Biến mờ 42 4.3. 4. Qui tắc điều khiển mờ 46 4.4 4.1.5 Giải mờ 49 4.2. Mô hình hóa và kết quả mô phỏng các thành phần của hệ thống: 50 4.2.1. Pin qunag điện: . 50 ix
13. 4.2.2. Bộ chuyển đổi DC – DC: . 54 4.2.2.1. Bộ chuyển đổi buck: 54 4.2.2.2. Bộ chuyển đổi Boost: 55 4.2.2.3. Bộ chuyển đổi Buck Boost 56 4.2.3. Mô hình hóa bộ điều khiển MPPT: 58 4.2.3.1. Phương pháp P&O: 58 4.2.3.2. Phương pháp FLC: 61 4.2.3.3. So sánh phương pháp P&O và FLC: 64 CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 5.1. Khảo sát chuyển động và hoạt động tracking 70 5.1.1. Chế độ hoạt động bằng tay (manual) 70 5.1.2. Đo điện áp tấm pin với vị trí khác nhau 70 5.1.3. Chế độ tự động (automatic) 73 5.2. Nạp điện từ solar cell 75 5.2.1. Nạp điện từ tấm pin cố định (chưa tracking) 76 5.2.2. Nạp điện từ tấm pin có tracking 79 5.2.3. Phân tích kết quả 79 CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ PHÁT TRIỂN 6.1. Kết luận 81 x
14. 6.2 Hạn chế 81 6.3. Hướng phát triển 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO 83 PHỤ LỤC 85 xi
15. DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ HÌNH TRANG Hình 1.1. Đặc tính pin PV 2 Hình 1.2. Sơ đồ khối của bộ điều khiển MPPT 3 Hình 1.1.1111 Lưu đồ giải thuật P&O 4 Hình 1.2 Lưu đồ giải thuật cho phương pháp IncCond 5 Hình 2.1 Phổ của vật thể đen 11 Hình 2.2 Phổ của mặt trời ngoài khí quyển 12 Hình 2.3 Tỷ số AM 13 Hình 2. 4 Phổ của mặt trời theo AM khác nhau 14 Hình 2.5 Phổ năng lượng mặt trời có ích và hao phí 15 Hình 2.6 Nguyên lý hoạt động pin quang điện 16 Hình 2.7 Sơ đồ mạch đơn giản của pin PV 16 Hình 2.8 Dòng điện ngắn mạch và điện áp hở mạch của pin quang điện 16 Hình 2. 9 Mô hình pin PV thực tế 17 Hình 2. 10 PV ảnh hưởng bởi Rs 17 Hình 2. 11 PV ảnh hưởng bởi cả Rs và Rp 17 Hình 2. 12 Module PV 18 Hình 2. 13 Đường đặc tính của Module PV 18 Hình 2.14 Nối nối tiếp nhiều module PV để tăng điện áp 19 xii
16. Hình 2.15 Nối song song nhiều module PV để tăng dòng điện 19 Hình 2.16 Kết nối hỗn hợp để tăng áp và dòng 20 Hình 2.17 Đặc tính PV phụ thuộc cường độ sáng và nhiệt độ 20 Hình 2.18 Hiện tượng một pin PV bị bóng râm 21 Hình 2.19 Đặc tính PV khi một pin bị bóng râm 21 Hình 2.20 Đặc tính PV khi nhiều pin bị bóng râm 22 Hình 2. 21 Bảo vệ pin PV khi bị bóng râm 22 Hình 2. 22 Đặc tính PV khi không có và có diode bypass bảo vệ 23 Hình 2. 23 Một Array PV dùng sạc cho bộ ắc qui 65 V, khi không có và có Diode bypass bảo vệ 23 Hình 2.24 Những điểm công suất cực đại theo chiếu độ 24 Hình 2.25 Điểm làm việc phụ thuộc vào thông số của R 25 Hình 2.26 Điểm MPP của PV. 25 Hình 2.27 Các điểm làm việc của tải thuần trở. 26 Hình 2.28 Lưu đồ thuật toán P&O. 27 Hình 2.29 Khi chiếu độ thay đổi điểm MPP sẽ sai theo thuật toán P&O. 28 Hình 2.30 Đặc tính PV 29 Hình 2.31 Lưu đồ giải thuật cho phương pháp IncCond 30 Hình 3.1 Sơ đồ khối Hệ pin mặt trời tự xoay (solar tracking system). 32 Hình 3.2 Động cơ 2 32 xiii
17. Hình 3.3 Động cơ 1 33 Hình 3.4. Hệ thống cơ khí hoàn chỉnh 33 Hình 3.5. Quang trở. 34 Hình 3.6. Vị trí cảm biến khi hướng ánh sáng thay đổi 34 Hình 3.7. Mạch quang trở 35 Hình 3.8. Bộ cảm biến hoàn chỉnh 35 Hình 3.9. Động cơ hỗn hơpf. 36 Hình 3.10. Mạch điều khiển động cơ transistor. 36 Hình 3.11. Mạch hệ tracking hoàn chỉnh. 37 Hình 3.12 Lưu đồ giải thuật điều khiển động cơ 39 Hình 4. 1 Sơ đồ khối của bộ MPPT 40 Hình 4. 2 Sơ đồ khối của bộ FLC . 41 Hình 4. 3 Lưu đồ giải thuật thuật toán FLC . 42 Hình 4. 4 Mô tả các giá trị ngôn ngữ của sai số ngõ vào E, thay đổi của sai số CE và ngõ ra tỷ số độ rộng xung D bằng các tập mờ . 43 Hình 4. 5 Hoạt động của luật điều khiển mờ 49 Hình 4. 6 Sơ đồ hệ thống FLC 50 Hình 4.7 Mạch điện tương của PV 51 Hình 4.8 Đặc tính của PV 52 Hình 4.9 Đặc tính của PV khi cường độ bức xạ thay đổi 53 xiv
18. Hình 4.10 Bộ chuyển đổi Buck trong simulik 54 Hình 4.111 Điện áp và dòng điện ngõ ra bộ chuyển đổi Buck 55 Hình 4.1212 Bộ chuyển đổi Boost trong simulik 55 Hình 4.133 Kết quả mô phỏng bộ chuyển đổi Boost 56 Hình 4.14 Bộ chuyển đổi Buck Boost trong simulik 56 Hình 4.15 Kết quả mô phỏng bô chuyển đổi Buck Boost 57 Hình 4.146 Mô hình bộ MPPT dùng phương pháp P&O trong simulink 58 Hình 4. 17 Cường độ bức xạ của năng lượng mặt trời 58 Hình 4.18 Dòng điện, điện áp và và công suất của PV 59 Hình 4.19 Đáp ứng điện áp, dòng điện và công suất theo phương pháp PO 60 Hình 4.20 Mô hình bộ MPPT dùng phương pháp FLC trong simulink 61 Hình 4.21 Dòng điện, điện áp và và công suất của PV 62 Hình 4.22 Đáp ứng điện áp,dòng điện và công suất theo phương pháp FLC . 63 Hình 4.23 Mô hình bộ MPPT dùng phương pháp P&O và FLC trong simulink 64 Hình 4.24 Cường độ bức xạ của năng lượng mặt trời 64 Hình 4.25 Dòng điện, điện áp và và công suất của PV 65 Hình 4.26 Đáp ứng dòng điện 66 Hình 4. 27 Đáp ứng điện áp 67 Hình 4.28 Đáp ứng công suất 68 xv
19. Hình 5.1 Biến trở chỉnh chế độ bằng tay 70 Hình 5.2 Mạch đo điện áp pin. 70 Hình 5.3 Đồ thị dòng điện, điện áp khi xoay trục 1 71 Hình 5.4 Đồ thị dòng điện, điện áp khi xoay trục 1 72 Hình 5.5 Nút nhấn chọn chế độ tự động 73 Hình 5.6 Bốn cảm biến. 74 Hình 5.7 Vị trí tấm pin lúc 9h00 74 Hình 5.8 Vị trí tấm pin lúc 11h50. 75 Hình 5.9 Vị trí tấm pin lúc 14h00. 75 Hình 5.10 Mạch nạp cho accu từ solar cell. 76 Hình 5.11. Đo dòng điện, điện áp. 77 xvi
20. DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 2 .1 Tiềm năng năng lượng mặt trời khu vực phía Nam 9 Bảng 2 .2 Lượng tổng bức xạ mặt trời trung bình ngày của các tháng trong năm ở một số địa phương Việt Nam 9 Bảng 4.1 Bảng chọn tỷ số D của FLC 47 Bảng 5.1 Dòng điện, điện áp khi xoay trục 1. 71 Bảng 5.2 Dòng điện, điện áp khi xoay trục 2. 72 Bảng 5.3 Độ nhạy của tấm pin. 73 Bảng 5.4. Cường độ dòng điện và điện thế nạp vào accu từ tấm pin khi đo ngày 17/08/2012. 77 Bảng 5.5. Cường độ dòng và điện thế nạp vào accu từ tấm pin khi đo ngày 20/08/2012. 78 Bảng 5.6 Cường độ dòng và điện thế nạp vào accu từ tấm pin khi đo ngày 23/08/2012. 79 xvii
21. Luận văn thạc sĩ Chương 1: Tổng quan Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề [4],[5] Trong lịch sử phát triển của loài người là việc phát minh ra lửa và dùng các loại nhiên liệu tự nhiên như củi rừng để duy trì ngọn lửa, nhờ đó đã phát triển thành một nền văn minh của nhân loại và thoát khỏi cuộc sống của động vật. Sau nhiều nghìn năm mãi đến thế kỷ thứ nhất trước công nguyên con người mới biết dùng sức nước để làm quay guồng nước, và đến đầu thế kỷ thứ XII mới biết sử dụng sức gió để làm quay cối xay gió. Khoảng nửa cuối thế kỹ thứ XVIII con người mới phát hiện được nguồn nhiên liệu hóa thạch như: than đá, dầu và khí đốt tự nhiên. Đến giữa thế kỷ XX nhà máy điện nguyên tử đầu tiên của thế giới ra đời, nhờ đó đã thỏa mãn được nhu cầu năng lượng của con người và đưa nền văn minh của nhân loại tiến một bước dài như ngày nay. Tuy nhiên, các nguồn năng lượng hóa thạch là có hạn, con người khai thác đến một lúc nào đó sẽ hết, hơn nữa khi khai thác và sử dụng các nguồn nhiên liệu hóa thạch, thủy điện và điện nguyên tử đã để lại cho loài người những hậu quả về tác động môi trường là vô cùng lớn lao. Một trong những hậu quả đó là khi sử dụng các nguồn nhiên liệu này đã thải ra môi trường các loại khí độc làm ô nhiễm bầu khí quyển bao quanh Trái Đất, mà hậu quả tai hại của hiện tượng này đã làm thay đổi khí hậu, tác động xấu đối với cuộc sống hiện nay và tương lai của loài người. Hiện nay, nhu cầu về năng lượng ngày càng tăng, trong khi các nguồn nhiên liệu hóa thạch như than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên và ngay cả thủy điện là có hạn khiến nhân loại đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng trong tương lai không xa. Do đó, vấn đề tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng mới như năng lượng hạt nhân, năng lượng địa nhiệt, năng lượng gió và năng lượng mặt trời. GVHD:T.S Nguyễn Thanh Phương 1 HVTH: Phan Thanh Nhi