Tối ưu công suất hệ thống pin mặt trời

Nội dung text: Tối ưu công suất hệ thống pin mặt trời

1. TỐI ƯU CÔNG SUẤT HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI 1 2, Phan Thanh Nhi và Nguyễn Thanh Phương 1 Học viên cao học, Khoa Điện Điện Tử, Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM; 2Khoa Cơ Điện Điện Tử, Trường ĐH Kỹ Thuật Công Nghệ Tp. HCM. TÓM TẮT: Bài báo này thực hiện một phương pháp điều khiển tốt để tối ưu công suất hệ thống pin 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. 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 Atmelga32L 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. Từ khóa: Tấm pin mặt trời, tracking, 2 trục (2axis), cảm biến ánh sáng. OPTIMIZED SOLAR POWER SYSTEM Phan Thanh Nhi1, Nguyen Thanh Phuong2, 1 Graduate Students, Faculty of Electrical and Electronic Eng, Unive. of Technical Education of HCMC;2 Faculty of Mechanical, Electrical and Electronic Eng. Technical Univ. of Technology of HCMC. ABSTRACT: The paper 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 DC DC 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 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 Atmelga32L 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. Keyword: Solar panel, tracking, 2axes, light sensor. *Contact: Dr. Nguyen Thanh Phuong, Electrical and Electronic Eng.,hutech.edu.vn. 1.GIỚI THIỆU Hiện nay, nhu cầu về năng lượng ngày hạt nhân, năng lượng địa nhiệt, năng càng tăng, trong khi các nguồn nhiên liệu lượng gió và năng lượng mặt trời. hóa thạch như than đá, dầu mỏ, khí thiên Việc nghiên cứu và sử dụng năng lượng nhiên và ngay cả thủy điện là có hạn khiến mặt trời là một trong những hướng phát nhân loại đứng trước nguy cơ thiếu hụt triển được nhiều sự chú ý vì những tính năng lượng trong tương lai không xa. Do chất ưu việt của nó như: luôn có sẵn, đó, vấn đề tìm kiếm và khai thác các siêu sạch và gần như vô tận. nguồn năng lượng mới như năng lượng Hai động cơ được lắp đồng trục, động
2. Do vậy năng lượng mặt trời ngày càng cơ dưới điều khiển theo phương ngang, được nhiều nước trên thế giới sử dụng. động cơ trên điều khiển theo phương Con người đã biết khai thác và sử dụng dọc, tỉ số truyền 1:3. nguồn năng lượng này từ rất lâu, tuy nhiên việc sử dụng một cách có hiệu quả và phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau vẫn là vấn đề mà chúng ta quan tâm. Những thách thức chính liên quan đến sử dụng năng lượng mặt trời, đặc biệt là quang điện. Điều khiển chọn điểm công suất lớn nhất là một phương pháp tiếp cận được sử dụng để tối ưu hóa công suất trong hệ thống pin mặt trời, do đó năng lượng phát ra từ mặt trời có thể được trích xuất tối đa. Mô phỏng hệ thống dùng phần mềm matlab dựa trên thuật toán fuzzy logic. Thiết kế hệ thống điều khiển tấm pin mặt trời xoay theo hướng ánh sáng, nhằm giảm thiểu góc tới giữa tia nắng và pháp tuyến của tấm pin. Điều này làm tăng khả năng chuyển đổi quang – điện hơn so với tấm pin đặt cố định. Sử dụng cảm biến ánh sáng để xác định điện thế nạp các hướng khác nhau, vi xử lý sẽ so sánh và điều khiển motơ quay để dò tìm hướng có ánh sáng chính diện và nạp điện vào accu. Hệ solar tracking được thiết kế kết cấu cơ khí bằng thép, khung trên có kích thước 30 x 40 cm để gá lắp tấm pin 12V10W, như hình 1. Hình 2 : Động cơ 2 Hình 1: Sơ đồ khối hệ solar tracking 2. THIẾT KẾ MẠCH VÀ ĐIỀU KHIỂN 2.1. Hệ cơ khí chuyển động Hệ solar tracking được thiết kế kết cấu cơ khí bằng thép để tăng tính chính xác và bền vững, khung trên có kích thước 30 x 40 cm để gá lắp tấm pin 12V10W, như hình 2 và hình 3 là hệ thống cơ khí hoàn chỉnh.
3. xử lý tín hiệu từ bộ cảm biến, xuất ra tín hiệu điều khiển động cơ. Vì vậy cần lựa chọn chip phù hợp để thực hiện các chức năng trên. Atmelga32L là một vi xử lý cơ bản đa chức năng và rẻ. Với bộ nhớ, có 32kB Flash có khả năng đọc, ghi 10000 lần, 2kB bộ nhớ SRAM bay hơi và 1024byte EEPROM có khả năng đọc, ghi 100000 lần. Các đặc tính đáng chú ý khác là có 1 bộ định thời Watchdog, 1bộ so sánh tương tự 4 kênh PWM. Đặc biệt Atmelga có Hình 3. Hệ thống cơ khí hoàn chỉnh hỗ trợ giao tiếp UART, SPI, I2C và 8 kênh đầu vào ADC 10 bit. 2.2. Cảm biến ánh sáng Trong thiết kế này, chúng tôi chọn quang trở loại CdS vì chi phí thấp, dễ thiết kế. Bốn quang trở được bố trí theo hướng Đông (E) – Tây (W) – Nam (S) – Bắc (N) như hình 4. Giữa hai cảm biến là vách ngăn. Khi ánh sáng chiếu thẳng góc, hai tín hiệu từ hai cảm biến bằng nhau, động cơ không xoay. Cho đến khi hướng ánh sáng thay đổi, hai tín hiệu khác nhau, động cơ được điều khiển xoay theo hướng làm cho panel thẳng góc hướng ánh sáng. 2.3. Động cơ bước và mạch điều khiển Hình 4.Mạch điều khiển tracking hoàn chỉnh. Hai trục có thể được điều khiển bởi động cơ bước với những ưu điểm: không đánh 3. SỬ DỤNG LOGIC MỜ ĐIỀU lửa, tạo mômen giữ, điều khiển vị trí theo KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT dòng hở và quan trọng là tốc độ quay của 3.1. Thuật toán logic mờ rotor không phụ thuộc vào tải. 3.1.1. Phương pháp điều khiển 2.4. Vi điều khiển. Để thu được công suất cực đại cần xác định điểm MPP, và để đạt được điều Với mạch điều khiển cho mô hình hệ này người ta dùng bộ MPPT để tính thống solar tracking thì vi điều khiển toán điểm làm việc cực đại, sau đó điều được xem là trung tâm. Mọi tín hiệu từ khiển bộ dc/dc để đạt được điểm làm cảm biến, công tắc hành trình đưa và vi việc. Bộ MPPT có tác dụng theo dõi điều khiển để xử lý, cuối cùng xuất ra 4 dòng điện và điện áp hiện hành để điều tín hiệu điều khiển động cơ bước làm khiển công suất cấp cho tải là lớn nhất, quay tấm pin đến vị trí thích hợp. bất kể nhiệt độ và cường độ bức xạ thay Atmega32L được chọn vì thỏa mãn được đổi. các yêu cầu sau: có 4 PORT vào ra điều Trong nghiên cứu của luận văn sử dụng khiển động cơ bước. bộ điểu khiển logic mờ (FLC) (FLC: fuzzy logic controller) để theo dõi 2.5. Mạch điều khiển trung tâm điểm MPP của hệ thống PV. Bộ điều Mạch điều khiển trung tâm tiếp nhận và khiển logic mờ (FLC) làm việc với hiệu
4. suất cao, chắc chắn và thiết kế đơn giản. Ngoài kỹ thuật FLC làm việc với đầu vào không chính xác, không cần một mô hình toán học chính xác và nó có thể xử lý phi tuyến. Nó dựa trên kiến thức và kinh nghiệm của người dùng chứ không phải là sự hiểu biết kỹ thuật của hệ thống. 3.1.2. Giải thuật Hình 7: Cường độ bức xạ của năng lượng mặt trời Hình 8: Dòng điện của PV Hình 5: Lưu đồ giải thuật chương trình 4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 4.1. So sánh phương pháp P&O và FLC Hình 9: Điện áp của PV Hình 6: Mô hình bộ MPPT dùng phương pháp P&O và FLC trong simulink 4.2 Kết quả mô phỏng phương pháp Hình 10: Công suất của PV P&O và FLC
5. Hình 12: Đáp ứng điện áp ngõ ra Hình 11: Đáp ứng dòng điện ngõ ra
6. (b) (c) Hình 7. Các vị trí tấm pin: (a) lúc 9h00, Hình 13: Đáp ứng công suất ngõ ra (b) lúc 11h50, (c) lúc 14h00. Với ứng dụng hệ solar tracking Qua đáp ứng điện áp, dòng điện và động, tấm pin lúc nào cũng nhận công suất của phương pháp P&O và được ánh sáng chiếu vuông góc cho phương pháp FLC điều khiển tối ưu công suất tối ưu. công suất, ta nhận thấy đáp ứng của phương pháp FLC nhanh, ít dao động 5. KẾT LUẬN và thời gian đi vào trạng thái ổn định ngắn hơn phương pháp P&O trong Kết quả mô phỏng thu được của bộ điều trường hợp cường độ sáng thay đổi về khiển mờ được so sánh với bộ điều biên độ và thời gian. khiển quan sát nhiễu loạn (P&O). Kết quả cho thấy bộ điều khiển mờ làm việc 4.KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM với hiệu suất cao, chắc chắn. Thực nghiệm khi xoay tấm pin quay theo hướng mặt trời đạt được công suất tối ưu hơn tấm pin đặt cố định. Như vậy, qua nghiên cứu và kết quả mô phỏng của phương pháp đề xuất đã kết hợp được bài toán điều khiển mờ và bài toán tối ưu công suất trong hệ thống pin mặt trời. (a) TÀI LIỆU THAM KHẢO
7. [1] Roberto Faranda, S.L., Energy Comparison of MPPT Techniques for PV Systems. WSEAS Trans. on POWER SYSTEMS, vol. 3, No.6. [2] V. Salas, E.O., A. Barrado, A. Lazaro, Review of the Maximum Power Point Tracking Algorithms for Standalone Photovoltaic Systems, Solar Energy Materials and Solar Cells, 2006, p.p 1555–1578. [3] Hohm, D.P. and M.E. Ropp, Comparative Study of Maximum power point tracking algorithms, Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 2003, Vol.11, No.1, pp. 4762. [4] Nguyễn Công Vân, 2005, Năng lượng mặt trời,nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật [5] dungdoisong/144ungdungnangluongmattroitai vietnam.html. [6] Gilbert, 2004, Chapter 8, Chapter 9, Renewable and efficient electric power systems. [7] MUHAMMAD H. RASHID Ph.D., Fellow IEE, Fellow IEEE Power Electronics Handook. [9] Nguyễn Trừờng Đan Vũ luận văn: Nghiên cứu và ứng dụng giải thuật ANNIncCond MPPT cho hệ thống Pin mặt trời dựa trên nền tảng FPGA.– năm 2010 [10] Trishan Esram, Student Member, IEEE, and Patrick L. Chapman, Senior Member, IEEE Comparison of Photovoltaic Array Maximum Power Point Tracking Techniques IEEE TRANSACTIONS ON ENERGY CONVERSION, VOL. 22, NO. 2, JUNE 2007 [11] B. Amrouche, M. Belhame and A. Guessoum Artificial intelligence based P&O MPPT method for photovoltaic systems Revue des Energies Renouvelables ICRESD07 Tlemcen (2007) 11 – 16 [12] Weidong Xiao, Student Member, IEEE, William G. Dunford, Senior Member, IEEE, Patrick R. Palmer, Member, IEEE, and Antoine Capel Application of Centered Differentiation and Steepest Descent to Maximum Power Point Tracking IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, VOL. 54, NO. 5, OCTOBER 2007. [13] TingChung Yu, YuCheng Lin A Study on Maximum Power Point Tracking Algorithms for Photovoltaic Systems lunghwa university of Science and Technology 2010.12. [14] Mei Shan Ngan, Chee Wei Tan A Study of Maximum Power Point Tracking Algorithms for Standalone Photovoltaic Systems 2011 IEEE Applied Power Electronics Colloquium (IAPEC). [15] Slamet Widodo Microcontroller Implementation of LowCost Maximum Power Point Tracking Methods for Photovoltaic System Southern Taiwan University , Master’s Thesis, 2010. [16] Pongsakor Takun, Somyot Kaitwanidvilai and Chaiyan JettanasenMaximum Power Point Tracking using Fuzzy Logic Control for Photovoltaic Systems Proceedings of
8. International Multiconference of Engineers and Computer Scientists 2011 Vol II, IMECS 2011, March 1618. 2011, Hong Kong. [17] M.S. Aït Cheikh, C. Larbes, G.F. Tchoketch Kebir and A. Zerguerras Maximum power point tracking using a fuzzy logic control scheme Revue des Energies Renouvelables Vol. 10 N03 (2007) 387 – 395. [18] Kiều Xuân Thực Vũ Thị Thu Hương, Vũ trung Kiên Vi điều khiển: cấu trúc – lập trình và ứng dụng Nhà xuất bản giáo dục viện nam 11 năm 2010 [19]
9. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.