Đang tải... (xem toàn văn)
Đề tài tập trung nghiên cứu các phương pháp tìm điểm làm việc cực đại của pin mặt trời xét trên 1 cá thể pin mặt trời và xét trên toàn thể cách đồng pin năng lương mặt trời, khi xét điểm làm việc cực đại của hệ thống cánh đồng pin mặt trời có xét đến ảnh hưởng của bóng. Trên đặc các đặc tuyến của pin mặt trời, tồn tại một điểm vận hành tối ưu nơi mà công suất nhận được từ pin mặt trời là cực đại. Tuy nhiên, điểm vận hành tối ưu này không cố định mà nó thay đổi theo các điều kiện môi trường đặc biệt là bức xạ mặt trời và nhiệt độ pin, đối với cán đồng pin năng lượng mặt trời điểm vận hành tối ưu này còn phụ thuộc vào vùng bóng của cách đồng pin. Vì vậy tìm điểm làm việc cực đại (MPP) của pin mặt trời là một phần không thể thiếu của hệ thống pin mặt trời nói chung và là của bộ chuyển đổi năng lượng từ pin mặt trời nói riêng. Bộ chuyển đổi năng lượng có nhiệm vụ chuyển toàn bộ năng lượng của pin mặt trời ra tải, dưới sự điều khiển của bộ tìm điểm cực đại của pin mặt trời.
Chương HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI DÙNG KỸ THUẬT DỊ ĐIỂM CƠNG SUẤT CỰC ĐẠI MPPT Chương Chương TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung lĩnh vực nghiên cứu, kết nghiên cứu ngồi nước cơng bố 1.2 Mục đích đề tài 1.3 Nhiệm vụ đề tài giới hạn đề tài 1.4 Phương pháp nghiên cứu chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Mơ hình pin mặt trời 2.2 Bộ chuyển đổi DC/DC 2.2.1 Bộ chuyển đổi DC/DC boost converter 2.2.2 Bộ chuyển đổi DC/DC buck converter 2.3 Điểm làm việc cực đại Pin mặt trời 2.4 Các phương pháp tìm điểm cực đại pin mặt trời phổ biến 2.4.1 Phương pháp điện áp số 2.4.2 Phương pháp P&O (Perturb and Observe) 2.4.3 Phương pháp INC (Incremental Conductance) 2.5 Pin mặt trời bị ảnh bóng che 11 11 14 17 20 20 22 23 25 Chương ĐỀ XUẤT BỘ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG ĐÁP ỨNG CÁC ĐIỀU KIỆN THAY ĐỔI 3.1 Xây dựng cấu hình chung cho chuyển đổi lượng 29 3.2 Giải thuật đề xuất cho việc tìm điểm cực đại cho pin mặt trời bị bóng 3.2.1 Cấu hình DC/DC cho tồn hệ thống cánh đồng pin (cấu hình 1) 3.2.2 Cấu hình DC/DC cho pin (cấu hình 2) 31 31 32 Chương 3.3 Xây dựng mơ hình mơ giải thuật 3.3.1 Mơ hình Pin mặt trời 33 33 3.3.2 Cấu hình chuyển đổi NL cho cánh đồng pin mặt trời đề xuất 37 3.3.3 Bộ chuyển đổi DC/DC boost converter 39 Chương KẾT QUẢ MƠ PHỎNG 4.1 Mơ hình mơ 43 4.1.1 Mơ hình hệ thống mơ cấu hình 43 4.1.2 Mơ hình hệ thống mơ cấu hình 46 4.2 Kết mơ 47 Chương KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 5.1 Mơ hình thực nghiệm 56 5.2 Kết thực nghiệm 66 chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 6.1 Kết luận 70 6.2 Hướng phát triển đề tài 71 Chương TỔNG QUAN 1.5 Tổng quan chung lĩnh vực nghiên cứu, kết nghiên cứu ngồi nước cơng bố Năng lượng mặt trời xạ vũ trụ lượng khổng lồ Mỗi giây phát 3,865.1026J, tương đương với lượng đốt cháy hết 1,32.10 16 than đá tiêu chuẩn Nhưng bề mặt đất nhận phần lượng nhỏ 17,57 1016 J hay tương đương lượng đốt cháy 6.106 than đá Chương Hình 1.1 Quang phổ mặt trời ngồi khí trái đất Hình 1.2 Thang sóng điện từ xạ mặt trời Hình 1.1 Trình bày thang sóng điện từ xạ mặt trời ánh sáng nhìn thấy có bước sóng 0,4µm đến gần 0,8µm, chiếm phần nhỏ phổ sóng điện từ xạ mặt trời Bảng 1.1: Phân bố xạ mặt trời theo bước sóng Quang phổ Tia vũ trụ Tia x Tia tử ngoại C Tia tử ngoại B Tia tử ngoại A Tia nhìn thấy Bc súng < 1nm 0,1 nm 0,2 ữ 0,28 àm 0,28 ữ 0,32 àm 0,32 ữ 0,4 àm 0,4 ữ 0,52 àm 0,52 ữ 0,62 àm 0,62 ữ 0,78 àm Mật độ lượng (W/m) 6,978.10 6,978.10 7,864.10 2,122.10 8,073.10 2,24.10 1,827.10 2,280.10 Tỷ lệ % 0,57 1,55 5,90 16,39 13,36 16,68 Chương Tia hồng ngoại Sóng vơ tuyến điện 4,125.102 1,836.102 2,637.101 6,987.10-9 6,987.10-10 6,987.10-9 0,78 ÷1,4 µm 1,4 ÷3 µm ÷100 µm 0,1 ÷10 cm 10 ÷100cm ÷ 20cm 30,18 13,43 1,93 Tuy nhiên, đất bị bao bọc xung quanh tầng khí có chiều dài khoảng 7991 km bao gồm phân tử khí, nước, hạt bụi, hạt chất lỏng, chất rắn đám mây Vì vậy, xạ mặt trời xuyên qua lớp khí để đến mặt đất lượng phổ bị thay đổi đáng kể Ơ bên ngồi lớp khí đất, lượng xạ mặt trời số có giá trị 1353 W/m Ở Việt Nam, Vị trí địa lý ưu cho nguồn lượng tái tạo vô lớn, đặc biệt lượng mặt trời Trải dài từ vĩ độ 23023’ Bắc đến 8027’ Bắc, Việt Nam nằm khu vực có cường độ xạ mặt trời tương đối cao, lượng xạ mặt trời trung bình đạt đến 5kWh/m2 ngày Chương Hình 1.3 Phân bố tổng số nắng tháng 1,2,3 năm 2011 Hình 1.4 Bức xạ mặt trời ba thành phố tiêu biểu năm 2009 Ngày nay, nhu cầu sử dụng nguồn lượng tái tạo tăng lên mạnh mẽ nguồn lượng hóa thạch dần cạn kiệt chúng gây Chương hậu mơi trường hiệu ứng nhà kính, lũ lụt… Trong nguồn lượng tái tạo, lượng mặt trời dần trở nên phổ biến chúng có nhiều ưu điểm phương pháp phát điện, chí phí bảo dưỡng thấp, an tồn cho người sử dụng không gây ô nhiễm môi trường Nguồn lượng điện mặt trời tăng 20% - 25% so với 20 năm qua yếu tố sau: - Hiệu suất phát điện pin mặt trời ngày cải thiện - Cải tiến công nghệ sản xuất pin - Giá thành giảm Tuy nhiên, thời điểm giá thành pin mặt trời cao Công suất phát pin mặt trời lại phụ thuộc trực tiếp vào xạ, nhiệt độ điều kiện thời tiết Đặc tính PV VI pin mặt trời lại khơng tuyến tính, đường đặc tuyến tồn điểm làm việc cực đại (MPP) mà cơng suất phát pin mặt trời lớn Nhưng điểm số, chúng thay đổi theo nhiệt độ xạ Vỳ vậy, dò tìm điểm làm việc cực đại pin mặt trời (MPPT) phải sử dụng để đưa pin mặt trời làm việc điểm này, nhằm nâng cao hiệu suất pin mặt trời Trên giới nước có nhiều nghiên cứu hệ thống pin mặt trời nối lưới Chủ yếu lĩnh vực như: Ổn định nâng cao điện áp phát hệ thống pin mặt trời [5,6] Các phương pháp điều khiển nhằm đưa hệ thống pin mặt trời làm việc điểm công suất cực đại [16-26] Các phương pháp nghịch lưu nhằm cải thiện chất lượng điện hệ thống lượng mặt trời [4-15] Các phương pháp điều khiển công suất tác dụng, cơng suất phản kháng dòng điện bơm vào lưới hệ thống pin mặt trời nối lưới [12,13] Chương Comparative Study of Maximum Power Point Tracking Algorithms [24] Comparison Of Maximum Power Point Tracking Algorithms For Photovoltaic System [7] A study of a two stage maximum power point tracking control of a photovoltaic system under partially shaded insolation conditions [28] 1.6 Mục đích đề tài Đề tài tập trung nghiên cứu phương pháp tìm điểm làm việc cực đại pin mặt trời xét cá thể pin mặt trời xét toàn thể cách đồng pin lương mặt trời, xét điểm làm việc cực đại hệ thống cánh đồng pin mặt trời có xét đến ảnh hưởng bóng Trên đặc đặc tuyến pin mặt trời, tồn điểm vận hành tối ưu nơi mà công suất nhận từ pin mặt trời cực đại Tuy nhiên, điểm vận hành tối ưu khơng cố định mà thay đổi theo điều kiện môi trường đặc biệt xạ mặt trời nhiệt độ pin, cán đồng pin lượng mặt trời điểm vận hành tối ưu phụ thuộc vào vùng bóng cách đồng pin Vì tìm điểm làm việc cực đại (MPP) pin mặt trời phần thiếu hệ thống pin mặt trời nói chung chuyển đổi lượng từ pin mặt trời nói riêng Bộ chuyển đổi lượng có nhiệm vụ chuyển toàn lượng pin mặt trời tải, điều khiển tìm điểm cực đại pin mặt trời Có nhiều chuyển đổi lượng từ pin mặt trời nghiên cứu công bố Các chuyển đổi lượng khác nhiều khía cạnh mức độ phức tạp, thông số đo lường, số lượng cảm biến yêu cầu, tốc độ chuyển đổi giá thành Đề tài nghiên cứu chuyển đổi lượng từ pin mặt trời Mục đích nghiên cứu đề tài đề xuất chuyển đổi lượng kết hợp với phương pháp MPPT tối ưu với khả đáp ứng điều kiện môi trường Chương nhiệt độ, xạ thay đổi chi phí thấp, có khả dò điểm làm việc tối ưu hệ thống cánh đồng pin lượng mặt trời 1.7 Nhiệm vụ đề tài giới hạn đề tài - Xây dựng mơ hình pin mặt trời xét đến ảnh hưởng bóng che, phân tích đặc tuyến I-V, P-V pin mặt trời, phụ thuộc đặc tính pin mặt trời điều kiện môi trường - Nghiên cứu giải thuật MPPT pin mặt trời, đề xuất phương pháp MPPT xét đến ảnh hưởng bóng che - Đề xuất cấu hình cánh đồng pin mặt trời - Thi cơng phần cứng dò tìm điểm cực đại bị bóng che - Dùng phần mềm Matlab/Simulink nghiên cứu xây dựng mơ hình pin mặt trời, chuyển đổi lượng giải thuật dò tìm điểm làm việc cực đại cho cánh đồng pin 1.8 Phương pháp nghiên cứu - Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu - Nghiên cứu mơ hình tốn học pin mặt trời Đề nghị mơ hình tính tốn cụ thể - Xây dựng mơ hình mơ pin mặt trời giải thuật MPPT kết hợp với chuyển đổi lượng DC/DC - Phân tích kết nhận kiến nghị - Đánh giá tổng quát toàn luận văn Đề nghị hướng phát triển đề tài Chương Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.6 Mơ hình pin mặt trời Một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả biến đổi trực tiếp lượng xạ mặt trời thành điện nhờ hiệu ứng quang điện gọi pin mặt trời Mạch điện tương đương pin mặt trời cho hình 2.1: Hình 2.1 Mạch điện tương đương pin mặt trời Mạch điện gồm có dòng quang điện Iph, điot, điện trở dòng rò Rsh điện trở nối tiếp Rs, đặc tuyến I-V pin mô tả biểu thức sau: Trong đó: Iph: dòng quang điện (A) Is: dòng bão hòa (A) q: điện tích electron, q = 1,6x10-19 C k: số Boltzmann’s, k =1,38x10-23 J/K 10 Chương Hình 5.2 Pin mặt trời 15W thơng số nhà sản xuất 60 Chương Hình 5.3 Pin mặt trời 80W thông số nhà sản xuất Mạch cơng suất phận đo lường dòng điện: Hình 5.4 Sơ đồ mạch công suất phận đo lường dòng điện Mạch điều khiển: 61 Chương Hình 5.5.Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển Sơ đồ mạch in: Hình 5.6 Sơ đồ mạch in mạch điều khiển 62 Chương Hình 5.7 Sơ đồ mạch in mạch cơng suất Hình 5.8 Mạch điều khiển mạch cơng suất thi cơng 63 Chương Lưu đồ chương trình chính: Hình 5.9 Lưu đồ chương trình Chương trình vi xử lý PIC16F887 while(1) 64 Chương { write_command(0x80); write_data('U');//1 write_data('(');//2 write_data('V');//3 write_data(')');//4 write_data(' ');//5 write_data(' ');//6 write_data('I');//7 write_data('(');//8 write_data('m');//9 write_data('A');//10 write_data(')');//11 write_data(' '); write_data('P');//13 write_data('(');//14 write_data('W');//15 write_data(')');//16 write_command(0xc0); ADC_volt(); ADC_volt_out(); ADC_amper(); congsuat (); giai_thuat (); } } void ADC_volt(void) { setup_adc(ADC_CLOCK_DIV_2); 65 Chương setup_adc_ports(sAN0); set_adc_channel(0); for (a=0;a < chongnhieu_ap;a++) { tmp_v = read_adc(); volt=(5000*tmp_v)/256; b = volt; c = c + b; } c = c/chongnhieu_ap; c = c*10; c = c/100; volt = c; V1=c; } void ADC_amper(void) { setup_adc(ADC_CLOCK_DIV_2); setup_adc_ports(sAN2); set_adc_channel(2); for (e=0;e < chongnhieu_dong;e++) { tmp_i = read_adc(); amper =(5000*tmp_i)/256; f = amper; g = g + f; } g = g/chongnhieu_dong; 66 Chương g = g*100; g = g/15; amper = g; } void congsuat(void) { c_s = V1*g; c_s = c_s/100; c_s = c_s/10; P1 = c_s; } void giai_thuat(void) { timer = timer + 1; duty = duty + 1; if (timer Pmpp) { Pmpp = P2; Vmpp = V1; Dmpp = duty; } } if (timer > 220) { duty = Dmpp; } 67 Chương trunggian_tren = Pmpp*12; trunggian_tren = trunggian_tren/10; can_tren = trunggian_tren; trunggian_duoi = Pmpp*8; trunggian_duoi = trunggian_duoi/10; can_duoi = trunggian_duoi; if (timer > 300) { if (P1>=can_tren) { timer = 30; duty = 30; Dmpp = 0; Pmpp = 0; Vmpp = 0; } if (P1