ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS TRẦN QUANG THỌ Chương GIỚI THIỆU VỀ BỘ DÒ CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI VÀ ACQUY 2.1 Vai trò việc dò công suất cực đại: Tại thời điểm khác ngày, với điều kiện thời tiết nhiệt độ khác nhau, ta biết trước điểm công suất cực đại pin quang điện dựa đồ thị đặc tính I-V thay đổi Chẳng hạn, Hình 2.1 mô tả đặc tính I-V pin ứng với mức xạ tăng dần nhiệt độ không đổi 25oC, Hình 2.2 mô tả đặc tính I-V pin ứng với mức xạ tăng dần nhiệt độ không đổi 50 oC, ta thấy điểm công suất cực đại hai đặc tính hoàn toàn khác Do đó, cần phải dò điểm công suất cực đại thuật toán dò tìm, nhiệm vụ quan trọng dò công suất cực đại Có nhiều giải thuật phù hợp giúp ta thực điều này, chẳng hạn hai phương pháp điều khiển vòng hở sau Phương pháp thứ nhất, tiến hành đo lường điện áp hở mạch (Voc) pin quang điện 30 giây cách tháo pin khỏi mạch điện thời gian ngắn Sau lắp pin trở lại, điều chỉnh điện áp pin 76% điện áp hở mạch vừa đo Đây cách đơn giản giúp ta tìm điện áp ứng với điểm công suất cực đại, nhiên tỉ lệ phần trăm thay đổi phụ thuộc vào loại pin quang điện sử dụng Hơn nữa, hiệu suất phương pháp tương đối thấp, khoảng 73÷91% Phương pháp thứ hai, ta mua thiết bị đo độ rọi xạ dùng phép tính đơn giản để đoán vị trí điểm công suất cực đại Tuy nhiên, thực tế phương pháp sử dụng không đáp ứng kịp thời thay đổi vật lý Hơn nữa, giá thiết bị đo xạ tương đối đắt tiền Những nhược điểm khắc phục ta sử dụng phương pháp điều khiển vòng kín Điều khiển vòng kín cho phép nâng cao hiệu suất, đáp ứng nhanh hơn, đồng thời tiết kiệm chi phí Nội dung chương trình bày thuật toán điều khiển vòng kín Perturb & Observe (P&O) Trang ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS TRẦN QUANG THỌ Dòng điện (A) Điện áp (V) Hình 2.1: Đặc tính I-V ứng với xạ thay đổi quỹ đạo điểm công suất cực đại (25oC) Dòng điện (A) Điện áp (V) Hình 2.2: Đặc tính I-V ứng với xạ thay đổi quỹ đạo điểm công suất cực đại (50oC) Trang ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS TRẦN QUANG THỌ 2.2 Thuật toán Perturb & Observe (P&O): Giải thuật P&O hay gọi phương pháp “leo đồi” phổ biến sử dụng rộng rãi thực tế giải thuật tương đối đơn giản dễ thực thi Hình 2.3 thể mối quan hệ điện áp công suất ngõ (đặc tính P-V) pin quang điện ứng với xạ nhiệt độ không đổi, với giả thiết ban đầu điểm công suất pin cách xa điểm công suất cực đại Theo giải thuật này, ban đầu điện áp tăng lượng nhỏ quan sát thay đổi công suất Nếu công suất tăng thêm tức điểm công suất tiến gần đến điểm công suất cực đại Lúc này, ta tiếp tục tăng điện áp để tiếp cận điểm công suất cực đại Cho đến thấy công suất bắt đầu giảm, tức điểm công suất vọt lố qua khỏi điểm công suất cực đại, ta phải giảm độ rộng xung để dịch chuyển điểm công suất theo hướng ngược lại trở điểm công suất cực đại Lưu đồ minh họa giải thuật trình bày Hình 2.4 Công suất (W) Điện áp (V) Trang Hình 2.3: Đặc tính công suất – điện áp pin ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS TRẦN QUANG THỌ Bắt đầu Đo : I(k), V(k) P(k)=V(k)×I(k) ΔP=P(k) - P(k-1) Sai Đúng ∆P>0 Đúng Đúng D(K)-D(K-1)>0 D(K)-D(K-1)>0 Sai Giảm độ rộng xung Sai Tăng độ rộng xung Giảm độ rộng xung Tăng độ rộng xung D(k-1) = D(k) P(k-1) = P(k) Hình 2.4: Lưu đồ giải thuật P&O Tuy nhiên, có số hạn chế làm giảm hiệu suất giải thuật sau: - Giải thuật xác định xác điểm có công suất cực đại, mà điểm công suất dao động xung quanh điểm công suất cực đại với tốc độ dao động giảm dần Điều làm giảm hiệu suất pin quang điện điều kiện xạ không thay đổi Trang ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - GVHD: ThS TRẦN QUANG THỌ Trong điều kiện thời tiết không ổn định, ngày có mây, giải thuật bộc lộ hạn chế Để hiểu rõ hơn, ta phân tích đặc tính P-V điều kiện xạ thay đổi Hình 2.5 Công suất Điện áp (V) ` Hình 2.5: Phản ứng giải thuật P&O điều kiện xạ tăng dần Giả sử ban đầu điểm công suất dao động xung quanh điểm công suất cực đại A thời điểm có độ rọi 250W/m2 Vì lý đó, xạ tăng lên 500W/m 2, công suất thu tăng lên lượng ΔP>0 Nếu điểm công suất chạy từ bên phải sang bên trái điểm công suất cực đại, lúc giải thuật P&O cho đường tiến đến điểm công suất cực đại ΔP>0, thực tế tiến đến điểm E thay điểm B mong đợi Đây điểm yếu giải thuật này, không phân biệt lượng công suất tăng lên ΔP>0 kết việc gia tăng lượng xạ Mặt Trời Tương tự, xạ tiếp tục tăng lên, giải thuật lại thấy công suất tăng lên lượng ΔP>0, lại cho di chuyển đường đến điểm công suất cực đại, tiếp tục di chuyển sang trái Kết quả, điểm công suất di chuyển cách lệch lạc qua điểm A, E, F G xạ Mặt Trời thay đổi chậm dần ổn định Trang ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS TRẦN QUANG THỌ Tình trạng thường xảy vào ngày trời có nhiều mây, giải thuật P&O tỏ không hiệu điểm công suất cực đại không cố định mà liên tục thay đổi vị trí Ngày nay, công nghệ điều khiển số phát triển cách nhanh chóng tạo điều kiện thuận lợi cho việc thực thi giải thuật cách dễ dàng Vấn đề hạn chế dao động xung quanh điểm công suất cực đại thực cách tạo vòng nối tắt nhằm hạn chế dịch chuyển điểm công suất trường hợp lượng công suất thay đổi ΔP nhỏ (khi dao động gần điểm công suất cực đại) Ta đưa thêm vào giải thuật hàm “đợi” sẵn sàng cản trở dao động phát hướng di chuyển điểm công suất đảo chiều nhiều lần thời gian ngắn (dao động quanh điểm công suất cực đại) Cách hoạt động tốt điều kiện xạ số, nhiên điều kiện môi trường thay đổi làm cho tốc độ đáp ứng bị chậm Một cách khác dùng bước nhảy thay đổi, với biến số độ dốc hàm công suất Vref,new = Vref + C.ΔP/ΔV (2.1) Tương tự, cách hoạt động tốt điều kiện xạ không thay đổi, ngày trời nhiều mây, thay đổi đột ngột xạ Mặt Trời khiến cho công suất thay đổi nhanh chóng tạo bước nhảy lớn nên tốc độ đáp ứng chậm hiệu suất không cao Cách giải tốt cho giải thuật có lẽ việc đo công suất pin hai lần mức điện áp, cách giúp phân biệt công suất thay đổi nguyên nhân thay đổi xạ Mặt Trời, công suất thay đổi điểm công suất hướng tiến đến điểm công suất cực đại Vấn đề lại số lượng mẫu lớn làm giảm thời gian đáp ứng tăng tính phức tạp thuật toán 2.3 Tính toán chế tạo mạch dò công suất cực đại (MPPT): 2.3.1 Cơ sở tính toán: Trang ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS TRẦN QUANG THỌ Hình 2.6: Sơ đồ chuyển đổi DC/DC Tổng trở ngõ vào chuyển đổi điều chỉnh với tổng trở tối ưu pin Mặt Trời, thể công thức 2.2: Rin = = (2.2) Trong đó: VMPP : điện áp pin điểm công suất cực đại IMPP : dòng điện pin điểm công suất cực đại Mối quan hệ tổng trở tải hệ số D biểu diễn sau: D =1+ (2.3) Trong đó: Rin : tổng trở ngõ vào chuyển đổi Rload : điện trở tải Điện áp ngõ chuyển đổi là: Vout = Vin (2.4) Và dòng điện ngõ chuyển đổi là: Iout = Iin*(1-D) (2.5) 2.3.2 Lựa chọn cuộn dây: Thông số điện cảm cuộn dây lựa chọn cho dòng điện qua cuộn dây thay đổi không 5% dòng điện trung bình cuộn dây Phương trình 2.6 cho biết độ thay đổi dòng điện qua cuộn dây: ΔiL = Trang (2.6) ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS TRẦN QUANG THỌ Trong đó: Vs : điện áp ngõ vào (V) f: tần số đóng cắt (Hz) D : chu trình làm việc L : điện cảm cuộn dây (H) Từ phương trình 2.6, ta rút điện cảm cuộn dây : L= (2.7) Giả sử điểm công suất cực đại, dòng điện lại dao động cực đại (5%) Lúc này, dòng điện trung bình IL cuộn dây L 4,35A, độ dao động dòng điện IL là: ΔiL = 0,05*IL = (0,05)*(4,35) = 0,2175 A Từ phương trình 2.7, ta có : L = = = 2,54 mH (2.8) (2.9) 2.3.3 Lựa chọn tụ điện: Tiêu chí lựa chọn thông số điện dung cho tụ điện phải đảm bảo điện áp rơi tụ không vượt 5% Điện áp trung bình rơi tụ điện C là: VC = VS + VO = 21 + 21 = 42 (V) Điện áp gợn sóng tối đa là: ΔVC = 0,05*42 = 2,1 (V) Điện trở tải tương đương là: R = = = 6,3 (Ω) Giá trị tụ C tính theo công thức sau: C = = = 42 (µF) (2.10) (2.11) (2.12) (2.13) 2.3.4 Chọn diode: Dòng điện thuận chạy qua diode công tắc hở mạch Ta có, I D = IL = 8A Sau thêm vào hệ số an toàn 30%, dòng điện ngưỡng có giá trị 10,4A Như vậy, với yêu cầu dòng điện điện áp trên, ta chọn Diode từ nhiều nhà cung cấp khác 2.3.5 Chọn linh kiện đóng cắt (SW): Trong số linh kiện điện tử công suất hoạt động chế độ đóng cắt, ta thấy MOSFET thường sử dụng rộng rãi cho ứng dụng có công suất vừa nhỏ Áp dụng định luật Kirrchoff điện áp cho mạch điện Hình 2.6 ta có kết quả: VSW = VS Trang (2.14) ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS TRẦN QUANG THỌ Dòng điện đỉnh chảy qua SW với dòng điện qua cuộn dây 8A, thêm vào hệ số an toàn 30%, dòng điện ngưỡng có giá trị 10,4A 2.4 Acquy: 2.4.1 Giới thiệu Acquy: Bình Acquy dạng nguồn điện hóa học, dùng để lưu trữ điện dạng hóa Acquy chì: Hình 2.7: Cấu tạo Acquy chì Acquy chì gồm có cực chì ôxít chì ngâm dung dịch Acid Sulfuric Các cực thường có cấu trúc phẳng, dẹp, dạng khung lưới, làm hợp kim Chì - Antimone, có nhồi hạt hóa chất tích cực Các hóa chất nạp đầy Dioxit chì cực dương, chì nguyên chất cực âm Các cực nối với chì phía trên, cực dương nối với cực dương, cực âm nối với cực âm Chiều dài, chiều ngang, chiều dầy số lượng cực xác định dung lượng bình Acquy Thông thường, Trang ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS TRẦN QUANG THỌ cực âm đặt bên ngoài, số lượng cực âm nhiều cực dương Các cực âm thường mỏng hơn, chúng sử dụng diện tích tiếp xúc Chất lỏng dùng bình Acquy dung dịch Acid Sulfuric Nồng độ dung dịch biểu trưng tỷ trọng đo được, tuỳ thuộc vào loại bình Acquy, tình trạng phóng nạp bình Trước dùng làm nguồn điện ta phải nạp điện cho Acquy Lúc Acquy đóng vai trò máy thu, tích trữ điện dạng hóa Khi nạp điện cho Acquy người ta cho dòng điện chiều vào Acquy Dung dịch axit sunfuric bị điện phân, làm xuất hiđrô ôxit hai chì nối với cực âm nguồn điện chì ôxit PbO2 bị khử ôxi thành chì Pb Bản thành cực âm Acquy Còn nối với cực dương nguồn điện có ôxit bám vào, ôxi hóa Pb3O4 thành chì điôxit PbO2 Bản trở thành cực dương Acquy Khi hai cực trở thành Pb PbO2 chúng có hiệu điện Acquy trở thành nguồn điện tự phát dòng điện Nếu ta nối hai cực acquy nạp điện dây dẫn dòng điện chạy dây có chiều ngược với dòng điện lúc nạp vào Acquy Dòng điện gây trình hóa học ngược lại, dung dịch axit lại bị điện phân lần iôn chuyển dời ngược chiều với lúc đầu: hiđrô chạy PbO2 khử ôxi, làm cho chở thành chì ôxit PbO Cho đến hai cực hoàn toàn giống dòng điện tắt Bây muốn Acquy lại phát điện, ta phải nạp điện cho để hai cực trở thành Pb PbO2 Dung lượng Acquy lượng điện (điện tích) mà Acquy sau nạp đầy phát trước hiệu điện giảm xuống đến mức ngừng Mức ngừng mức mà không nên bắt Acquy phát điện tiếp, để Acquy phát điện mức ngừng giảm tuổi thọ Acquy, chí làm Acquy chết Đó trường hợp dùng nhiều Acquy mắc nối tiếp Acquy phát hết điện mà khác chưa hết điện ta tiếp tục dùng hết điện trước bị đảo cực Trang 10 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS TRẦN QUANG THỌ hỏng hoàn toàn Với Acquy chì thông thường mức ngừng 1,67V cho ngăn; 10V cho ngăn Đơn vị để đo điện tích vật lý Coulomb Đại lượng điện tích không phụ thuộc vào điện Acquy Coulomb = Ampere * sec: dùng Ampere * second để đại lượng điện tích Dung lượng bình Acquy thường tính Ampe (AH) AH đơn giản tích số dòng điện phóng với thời gian phóng điện Dung lượng thay đổi tùy theo nhiều điều kiện dòng điện phóng, nhiệt độ chất điện phân, tỷ trọng dung dịch, điện cuối sau phóng Nhà sản xuất thường đặt số dung lượng ký hiệu Acquy Ví dụ N100 Acquy 100Ah Thông số dung lượng Acquy nhà sản xuất công bố thường tính phát điện với dòng điện nhỏ 20 Ví dụ Acquy 100Ah phát điện với dòng điện 5A dùng 20 Khi dòng điện phát lớn thời gian phát điện nhỏ thời gian giảm nhanh không theo tỉ lệ nghịch với dòng điện Nghĩa dòng điện lớn điện tích phát giảm 2.4.2 Các phương pháp phóng nạp Acquy: 2.4.2.1 Phóng điện Acquy: Phóng điện tiến hành vào thời điểm dòng điện nhỏ trị số ghi bảng dẫn nhà chế tạo Khi phóng điện chế độ dài hơn, phóng liên tục điện ngăn giảm xuống đến 1,8V Khi phóng với chế độ 1, giờ, ngừng phóng điện ngăn xuống đến 1,75V Khi phóng với dòng điện nhỏ không xác định việc kết thúc phóng theo điện Trong trường hợp này, việc kết thúc phóng xác định theo tỷ trọng chất điện Trang 11 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS TRẦN QUANG THỌ phân Việc phóng kết thúc tỷ trọng giảm từ 0,03 đến 0,06 g/cm3 so với tỷ trọng ban đầu (Nhưng không để điện ngăn giảm xuống thấp 1,75V) Việc nạp Acquy lần sau tiến hành sau phóng thử dung lượng Acquy không 12 tính từ lúc ngừng phóng Tuỳ theo phương pháp vận hành Acquy, thiết bị nạp thời gian cho phép nạp, phương pháp nạp, việc nạp thực theo cách sau: • Nạp với dòng điện không đổi • Nạp với dòng điện giảm dần • Nạp với điện không đổi • Nạp thay đổi với điện không đổi 2.4.2.2 Nạp với dòng điện không đổi: Việc nạp tiến hành theo kiểu bước bước - Nạp kiểu bước: để dòng nạp không vượt 12 % dung lượng phóng mức 10 tức 0, 12 x C(10) - Nạp kiểu bước: Bước 1: để dòng điện nạp dòng điện định mức thiết bị nạp, không vượt 0,25 x C(10) Khi điện tăng lên đến 2,3V - 2,4V chuyển sang bước Bước 2: để dòng điện nạp không vượt 0,12 C x (10) Đến cuối thời gian nạp, điện Acquy đạt đến 2,6V - 2,8V, tỷ trọng Acquy tăng lên đến 1,200 -1,210 g/cm3, cực Acquy trình bốc khí xảy mãnh liệt Việc nạp coi kết thúc điện tỷ trọng Acquy ngừng tăng lên khoảng giờ, Acquy sau nghỉ nạp nạp lại sôi tức Thời gian nạp Acquy phóng hoàn toàn theo kiểu nạp bước với dòng 0,12 x C(10) khoảng 12 giờ, nạp bước với dòng 0,25 x C(10) 0,12 x C(10) khoảng 7-8 Ở giá trị mà dòng điện nạp bé thời gian nạp phải tăng lên tương ứng Trang 12 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS TRẦN QUANG THỌ 2.4.2.3 Nạp với dòng điện giảm dần: Tiến hành nạp giống phần trên, với dòng điện giảm dần, ban đầu 0,25 C(10) sau 0,12 x C(10) Ở giá trị dòng nạp nhỏ: thời gian tương ứng tăng lên Dấu hiệu kết thúc nạp giống trường hợp nạp với dòng điện không đổi 2.4.2.4 Nạp với điện không đổi: Nạp với điện không đổi tiến hành với thiết bị nạp làm việc với chế độ ổn áp Điện chọn giới hạn từ 2,2V- 2,35 V trì ổn định suốt trình nạp Thời gian nạp độ vài ngày đêm Trong 10 nạp đầu tiên, Acquy nhận tới 80% dung lượng bị phóng Khi tỷ trọng chất điện phân giữ nguyên 10 kết thúc việc nạp 2.4.2.5 Nạp thay đổi với điện không đổi: Việc nạp tiến hành theo bước: Bước 1: dòng điện nạp hạn chế 0,25xC(10), điện thay đổi tự tăng lên đến 2,2V-2,35V chuyển sang bước Bước 2: nạp với điện không đổi 2.4.3 Các chế độ vận hành: 2.4.3.1 Chế độ nạp thường xuyên: Đối với loại bình Acquy tĩnh điện, việc vận hành Acquy tiến hành theo chế độ phụ nạp thường xuyên Acquy đấu vào chiều song song với thiết bị nạp Nhờ vậy, tuổi thọ độ tin cậy Acquy tăng lên hạ thấp cho phí bảo dưỡng Để bảo đảm chất lượng Acquy, trước đưa vào chế độ phụ nạp thường xuyên phải phóng nạp tập dợt lần Trong trình vận hành Acquy chế độ phụ nạp thường Trang 13 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS TRẦN QUANG THỌ xuyên, Acquy không cần phóng tập dợt nạp lại Trường hợp sau thời gian dài làm việc chế độ phụ nạp thường xuyên mà thấy chất lượng Acquy bị giảm phải thực việc phóng nạp đột xuất Ở chế độ phụ nạp thường xuyên cần trì điện Acquy 2,2 ± 0,5V để bù trừ tự phóng trì Acquy trạng thái nạp đầy Dòng điện phụ nạp thông thường trì từ 50-100 mA cho 100Ah dung lượng Ở chế độ phụ nạp này, điện Acquy phải dược trì tự động khoảng 2% Việc phóng thử dung lượng thực tế Acquy tiến hành 1-2 năm lần có nghi ngờ dung lượng Acquy Dòng điện phóng giới hạn chế độ mức 3-10 Để đánh giá xác dung lượng phóng Acquy nên tiến hành chế độ phóng nhiều lần phóng Dung lượng quy đổi tính theo công thức: C20 = Ct / [1+(0,008*(t - 20))] (2.15) Trong đó: C20 : dung lượng 20oC Ct : dung lượng toC 2.4.3.2 Chế độ phóng nạp xen kẽ: Acquy làm việc chế độ phóng nạp xen kẽ Acquy thường xuyên cấp vào phụ tải sau ngưng nạp Sau phóng đến giá trị phải nạp trở lại Trường hợp sử dụng Acquy không nhiều tháng phải tiến hành phụ nạp với dòng điện không đổi 0,1 x C(10) Việc nạp lại nhằm loại trừ việc Sunfat hóa cực Trang 14 ... thay đổi công suất Nếu công suất tăng thêm tức điểm công suất tiến gần đến điểm công suất cực đại Lúc này, ta tiếp tục tăng điện áp để tiếp cận điểm công suất cực đại Cho đến thấy công suất bắt... bắt đầu giảm, tức điểm công suất vọt lố qua khỏi điểm công suất cực đại, ta phải giảm độ rộng xung để dịch chuyển điểm công suất theo hướng ngược lại trở điểm công suất cực đại Lưu đồ minh họa giải... ban đầu điểm công suất dao động xung quanh điểm công suất cực đại A thời điểm có độ rọi 25 0W/m2 Vì lý đó, xạ tăng lên 500W/m 2, công suất thu tăng lên lượng ΔP>0 Nếu điểm công suất chạy từ bên