đồ án kỹ thuật điều khiển tự động THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG BỘ NẠP NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI SỬ DỤNG CHO NGUỒN CHIẾU SÁNG ĐƯỜNG PHỐ CÔNG SUẤT 100 W

Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật GVHD: TS. Lưu Hồng Việt


Nguyễn Minh Chương Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI


Nguyễn Minh Chương





ĐỀ TÀI

THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG BỘ NẠP NĂNG LƯỢNG
ĐIỆN MẶT TRỜI SỬ DỤNG CHO NGUỒN CHIẾU
SÁNG ĐƯỜNG PHỐ CÔNG SUẤT 100 W




Chuyên ngành : ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA (KT)





LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

…





NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS. LƯU HỒNG VIỆT





Hà Nội – Tháng 6 Năm 2012


Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật GVHD: TS. Lưu Hồng Việt


Nguyễn Minh Chương Trang 2

Phần A
GIỚI THIỆU












Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật GVHD: TS. Lưu Hồng Việt


Nguyễn Minh Chương Trang 3

LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, nền kinh tế của mỗi quốc gia càng phát triển, năng lượng được coi
là nguồn sống của mỗi quốc gia. Do vậy, nhu cầu sử dụng năng lượng, đặc biệt là

điện năng ngày càng cao. Năng lượng hóa thạch thì ngày càng cạn kiện, kèm theo
đó là các vấn đề ô nhiễm môi trường của nguồn năng lượng này gây ra. Năng lượng
hạt nhân có công suất lớn, nhưng gây nguy hiểm cho con người. Gần đây, vấn đề rò
rỉ phóng xạ tại các nhà máy điện hạt nhân của Nhật bản cũng gây cho nhân loại sự
lo lắng về tính an toàn của nguồn năng lượng này. Vì thế việc tìm và sử dụng các
nguồn năng lượng sạch, an toàn đang là mối quan tâm của các quốc gia trên thế
giới. Trong các nguồn năng lượng sạch con người đã và đang sử dụng, những nguồn
năng lượng về sức gió, thủy triều, năng lượng mặt trời là những nguồn năng lượng
sạch đáng lưu tâm nhất. Các nguồn năng lượng sức gió hay thủy triều thường có
yêu cầu vị trí lắp đặt và công suất lớn. Ngược lại, năng lượng mặt trời có thể lắp đặt
hầu hết tất cả các nơi và các dải công suất. Do vậy, phát triển các hệ thống năng
lượng mặt trời là một trong những hướng phát triển của khoa học kỹ thuật ngày nay.
Đồ án “THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG BỘ NẠP NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT
TRỜI SỬ DỤNG CHO NGUỒN CHIẾU SÁNG ĐƯỜNG PHỐ CÔNG SUẤT 100
W” nằm trong đề tài lớn: “Nghiên cứu và thiết kế thiết bị biến đổi nguồn điện một
chiều sang xoay chiều (DC-AC) một pha công suất 2kW ứng dụng trong hệ thống
biến đổi năng lượng mặt trời” nhằm nghiên cứu và sử dụng năng lượng mặt trời
chuyển về dạng điện năng một cách hiệu quả nhất sử dụng trong lưu trữ, truyền tải
và sử dụng.
Luận văn đi sâu vào nghiên cứu phương pháp biến đổi năng lượng mặt trời
nạp cho hệ acquy, áp dụng cho một phương pháp biến đổi để đưa vào thực tế. Sử
dụng năng lượng mặt trời không còn là mới nhưng hầu hết ở Việt Nam đều sử dụng
với công suất nhỏ và tải thường là 12V hoặc xoay chiều 1 pha.
Việc nghiên cứu để đưa năng lượng mặt trời sử dụng trực tiếp trong sản xuất
cũng là một hướng đi mới, nhằm tăng cường sử dụng các nguồn năng lượng xanh,
sạch ở Việt Nam.
Học viên thực hiện đề tài
Nguyễn Minh Chương
Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật GVHD: TS. Lưu Hồng Việt

Nguyễn Minh Chương Trang 4

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian thực hiện đề tài, em đã lĩnh hội được nhiều kinh nghiệm và
kiến thức bổ ích.Việc thi công mạch luận văn đã giúp em có điều kiện tiếp xúc với
thực tiễn, bổ sung những kiến thức thực tế còn thiếu.
Để hoàn thành luận văn này, em đã nhận được sự giúp đở rất nhiều từ quí
Thầy Cô, và bạn bè.
Em xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy TS. Lưu Hồng Việt đã trực tiếp
hướng dẫn và tận tình giúp đỡ tạo điều kiện để hoàn thành tốt đề tài.

Xin chân thành cảm ơn!
Học viên thực hiện đề tài
Nguyễn Minh Chương

Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật GVHD: TS. Lưu Hồng Việt


Nguyễn Minh Chương Trang 5

MỤC LỤC
NỘI DUNG TRANG
PHẦN A: GIỚI THIỆU 2
Lời mở đầu 3
Lời cảm ơn 4
Mục lục 5
Liệt kê hình vẽ 8
Liệt kê bảng…………………………………………………………… 10

PHẦN B: NỘI DUNG 11

CHƯƠNG I: DẪN NHẬP 12
1.1. Lý do chọn đề tài. 12
1.2. Nhiệm vụ của để tài 12
1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 13
1.4. Ý nghĩa thực tiển 14
1.5. Phương pháp nghiên cứu 14
2.1 Giới thiệu chung 15
2.1.1. Vai trò của năng lượng mặt trời trong cung cấp năng lượng 15
2.1.2. Tổng quan về hệ thống pin năng lượng mặt trời 16
2.2. Acquy và các phương pháp nạp acquy 18
2.3 Nguyên lý nạp năng lượng mặt trời 23
2.3.1 Sơ đồ biến đổi DC-DC không cách ly 23
2.3.2 Sơ đồ biến đổi DC-DC có cách ly 24
2.3.3 Lựa chọn sơ đồ nguyên lý cho bộ biến đổi DC-DC 26

2.3.4 Sơ đồ biến đổi DC-DC không cách ly Cuk 27
CHƯƠNG III: LÝ THUYẾT LIÊN QUAN 31
3.1 Tổng quan Vi Điều Khiển dsPIC30F4011 31
3.1.1 Khối xử lý trung tâm CPU 31
3.1.2 Bộ chuyển đổi tương tự số AD 32
3.1.3 Các cổng vào ra I/O Port và các ngoại vi 32
3.1.4 Bộ xử lý tín hiệu số 32
Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật GVHD: TS. Lưu Hồng Việt


Nguyễn Minh Chương Trang 6

3.1.5 Một số đặc điểm khác 32
3.2 Giới thiệu các linh kiện khác 33
3.2.1 Cảm biến dòng ACS712 33
a. Các đặc tính ……………………………………………………… 33
b. Mô tả ……………………………………………………… 33
3.2.2 IC Driver IR2104 35
a. Các đặc tính ……………………………………………………… 35
b. Mô tả ……………………………………………………… 35
3.2.3 Graphic LCD……………………………………………………… 37
a. Giới thiệu 37
b. Sơ đồ chân 38
c. Tổ chức bộ nhớ 41
d. Tập lệnh cho chip KS0108 43
CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ THỰC THI 46
4.1. Sơ đồ thực thi hệ thống 46
4.2 Tính toán thiết kế mạch nạp theo nguyên lý Cuk 46
4.3 Mô hình hóa bộ biến đổi DC – DC Cuk 50
4.4 Thiết kế mạch điều khiển 51

4.5 Thiết kế mạch lực 52
CHƯƠNG V: SƠ ĐỒ KHỐI VÀ CHƯƠNG TRÌNH. 57
5.1 Sơ đồ khối 57
5.2 Sơ đồ nguyên lý 58
5.3 Sơ đồ mạch in 59
5.4 Sơ đồ bố trí linh kiện 60
5.5 Một số hình ảnh thực tế 61
5.6 Lưu đồ…. 76
5.7 Chương trình 77

CHƯƠNG VI: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU, KẾT LUẬN, HƯỚNG PHÁT
TRIỂN. 82
6.1 Kết luận. 82
6.2 Kết quả nghiên cứu và hướng phát triển . 82
Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật GVHD: TS. Lưu Hồng Việt


Nguyễn Minh Chương Trang 7

Tài liệu tham khảo 83







Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật GVHD: TS. Lưu Hồng Việt

Nguyễn Minh Chương Trang 8

LIỆT KÊ HÌNH VẼ
Hình Trang
Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ thống năng lượng mặt trời 13
Hình 2.1: Bảng thống kê sử dụng các nguồn năng lượng năm 2008 15
Hình 2.2: Lượng khí thải CO2 sinh ra trên tạo ra 1KWh của các nguồn 16
Hình 2.3: Hệ thống năng lượng mặt trời 16
Hình 2.4: Cách bố trí góc ghiêng β của hệ thống pin 18
Hình 2.5: Đặc tính điện thế và tỷ trọng khi phóng và nạp với dòng không đổi 19
Hình 2.6 Đặc tuyến phóng điện thế với Điện thế cuối cùng 19
Hình 2.7: Dung lượng định mức dựa trên mức 8 giờ 20
Hình 2.8: Đặc tính phóng của acquy 20
Hình 2.9: Đặc tính nạp của acquy 21
Hình 2.10: Sơ đồ bộ biến đổi DC-DC không cách ly 23
Hình 2.11: Sơ đồ bộ biến đổi DC_DC cách ly 25
Hình 2.12: Sơ đồ khối mạch nạp năng lượng mặt trời DC-DC Cuk 27
Hình 2.13: Sơ đồ nguyên lý mạch DC-DC Cuk 27
Hình 2.14: Tín hiệu điều chế độ rộng xung PWM 28
Hình 2.15: Bộ biến đổi ở hai trạng thái đóng/mở van 28
Hình 2.16: Dòng điện và điện áp trên các cuộn dây 29
Hình 3.1: Sơ đồ kết nối chân ACS712 33
Hình 3.2: Sơ đồ kết nối bên trong ACS712 34
Hình 3.3: Chức năng các cảm biến ACS712 35
Hình 3.4: Bảng tóm tắt thông số IC Driver IR2104 35
Hình 3.5: Chức năng chân và điều kiện hoạt động IC Driver IR2104 36
Hình 3.6: Sơ đồ kết nối bên trong IR2104 36
Hình 3.7: Giản đồ xung của Ir2104 37
Hình 3.8: GLCD 12864B 37
Hình 3.9: Sơ đồ chân GLCD 12864B 38

Hình 3.10: Sơ đồ điều khiển GLCD 128*64 40
Hình 3.11: Tổ chức của RAM 41
Hình 3.12: Hiển thị chữ trên GLCD 42
Hình 3.13: Tóm tắt các lệnh của chip KS0108 43
Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật GVHD: TS. Lưu Hồng Việt


Nguyễn Minh Chương Trang 9

Hình 4.1 : Sơ đồ thực thi hệ thống 46
Hình 4.2 : Sơ đồ khối DC-DC Cuk trong bộ nạp năng lượng mặt trời 46
Hình 4.3 : Mạch DC-DC Cuk ở hai chế độ đóng/mở van 51
Hình 4.4: Mạch DC-DC Cuk ở chế độ van đóng D=1 51
Hình 4.5: Mạch DC-DC Cuk ở chế độ van mở D=0 51
Hình 4.6: Khối Vi Điều Khiển Dspic30F4011 52
Hình 4.7: Mạch đảo và mạch lặp điện áp 53
Hình 4.8: Mạch so sánh bảo vệ điện áp 54
Hình 4.9: Khối so sánh bảo vệ cứng 55
Hình 4.10: Tín hiệu điều khiển vào Driver 56
Hình 4.11: Sơ đồ mạch kết nối GLCD 56
Hình 5.1 : Sơ đồ khối toàn mạch 57
Hình 5.2: Sơ đồ nguyên lý 58
Hình 5.3: Sơ đồ mạch in 59
Hình 5.4: Sơ đồ bố trí linh kiện 60
Hình 5.5: một số hình ảnh thực tế 61

Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật GVHD: TS. Lưu Hồng Việt


Nguyễn Minh Chương Trang 10

LIỆT KÊ BẢNG
Bảng Trang
Bảng 2.1: So sánh chỉ tiêu chất lượng của các topology cho bộ biến đổi DC-DC . 26
Bảng 4.1 Kết quả tính toán mạch Cuk 49

Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật GVHD: TS. Lưu Hồng Việt


Nguyễn Minh Chương Trang 11

Phần B
NỘI DUNG


Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật GVHD: TS. Lưu Hồng Việt


Nguyễn Minh Chương Trang 12


CHƯƠNG I: DẪN NHẬP
1.1 Lý do chọn đề tài:
Cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật thì con người
ngày càng chú tâm vào việc tìm các nguồn năng lượng để phục vụ cuộc sống và nhu
cầu phát triển. Vì vậy, năng lượng sạch xanh không gây ô nhiễm cho môi trường
luôn là yêu cầu thiết yếu cho các quốc gia trên thế giới. Trong đó, nguồn năng
lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch, chi phí nhiên liệu và bảo dưỡng thấp, an

toàn cho người sử dụng… Vì thế, đây được coi là nguồn năng lượng quý giá, có thể
thay thế những dạng năng lượng cũ đang ngày càng cạn kiệt.
Pin mặt trời là phương pháp sản xuất điện trực tiếp từ năng lượng mặt trời
(NLMT) qua thiết bị biến đổi quang điện. Pin mặt trời (PMT) có ưu điểm là gọn
nhẹ, có thể lắp bất kỳ ở đâu có ánh sáng mặt trời, đặc biệt là trong lĩnh vực tàu vũ
trụ. Ứng dụng NLMT dưới dạng này được phát triển với tốc độ rất nhanh, nhất là ở
các nước phát triển. Do nó là nguồn năng lượng tự nhiên và vô tận. Việc sử dụng
được nguồn năng lượng này là nhu cầu thiết yếu đối với nền kinh tế và sự phát triển
của mọi quốc gia.
Xuất phát từ ý tưởng đó, em đã nghiên cứu và thực hiện đề tài: “THIẾT KẾ
VÀ XÂY DỰNG BỘ NẠP NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI SỬ DỤNG CHO
NGUỒN CHIẾU SÁNG ĐƯỜNG PHỐ CÔNG SUẤT 100 W”
1.2 Nhiệm vụ của đề tài:
Năng lượng mặt trời (NLMT) được khai thác chủ yếu hiện nay là biến đổi
trực tiếp thành điện năng nhờ các tế bào quang điện. Các tế bào quang điện ghép
với nhau tạo thành Pin mặt trời. Một trong những nhiệm vụ cơ bản được đặt ra
trong khai thác nguồn NLMT là lưu trữ bởi lý do chính như sau: (1) Nguồn NLMT
không ổn định hoặc yếu vì vậy không đảm bảo cung cấp đủ công suất để được biến
đổi trực tiếp thành điện theo nhu cầu tiêu thụ, (2) Nguồn NLMT dư thừa có thể
được tích trữ để sử dụng khi có nhu cầu.
Hệ thống năng lượng mặt trời có sơ đồ khối cấu trúc sau:
Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật GVHD: TS. Lưu Hồng Việt


Nguyễn Minh Chương Trang 13

Solar sell
Bộ nạp
acquy
acquy

DC - DC DC - AC Phụ tải
48 V
400 V
380 V~
12 V
Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống năng lượng mặt trời
Bộ nạp NLMT thực hiện quá trình điều tiết luồng năng lượng từ pin mặt trời
dẫn vào acqui để tích trữ. Sau đó bộ DC – DC sẽ biến đổi điện áp 48V thành 400V
và bộ DC – DC sẽ nghịch lưu ra thành điện áp 380V xoay chiều. Bộ nạp NLMT
nhằm tối ưu hóa quá trình nạp nhằm đảm bảo tích trữ được công suất lớn nhất.
1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
Trong nghiên cứu thiết kế hệ thống nạp các vấn đề được quan tâm bao gồm:
 Mức điện áp của hệ acqui (thường ở các mức 12V, 24V, 48V), đầu
vào là điện áp ra của pin mặt trời có dòng và áp thay đổi theo điều
kiện chiếu sáng của mặt trời.
 Acqui và các phương pháp phóng nạp theo nguyên tắc hoạt động của
công nghệ.
 Cải thiện nâng cao hiệu suất thu NLMT như thay đổi hướng của pin
mặt trời nhằm bám theo mặt trời để thu được hiệu suất cao nhất.
 Thời gian và các phương pháp nạp cho Acquy.
Trong đề tài này, giải pháp cho bộ nạp pin mặt trời là sử dụng bộ biến đổi
DC-DC cấu trúc mạch Cuk. Nội dung nghiên cứu được trình bày bao gồm
các phần chính như sau:
 Nguyên lý điều khiển quá trình nạp NLMT vào Acqui
 Thiết kế phần mạch lực thực thi bộ nạp theo cấu trúc Cuk
 Tổng hợp bộ điều khiển
 Kết quả và thực nghiệm.
Phạm vi áp dụng:
Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật GVHD: TS. Lưu Hồng Việt

Nguyễn Minh Chương Trang 14

Bộ nạp năng lượng mặt trời có thể sử dụng trong hệ thống năng lượng sử
dụng pin mặt trời hoặc trong các bộ biến đổi nguồn DC-DC không cách ly, công
suất 1 vài KW trở lại.
1.4. Ý nghĩa thực tiễn:
Năng lượng chính là nguồn sống của mỗi quốc gia. Do vậy, nhu cầu sử dụng
năng lượng ngày càng cao. Năng lượng là nhu cầu thiết yếu trong cuộc sống. Năng
lượng từ than,dầu…ngày càng khan hiếm. Năng lượng nguyên tử thì rất nguy
hiểm.Vì vậy, nhu cầu tìm ra nguồn năng lượng mới là cần thiết. Trong đó, năng
lượng mặt trời là năng lượng sạch và vô tận. Tuy nhiên việc sử dụng nó để thay thế
các nguồn năng lượng đang sử dụng là hết sức khó khăn. Nhưng trong tương lai sẽ
được sử dụng rộng rãi.
Do vậy, phát triển các hệ thống năng lượng mặt trời là một trong những
hướng phát triển của khoa học kỹ thuật ngày nay.
Đề tài nhằm mục đích phục vụ cho việc sử dụng nguồn năng lượng mặt trời.
Trong đó, việc thiết thực biến đổi năng lượng điện quang năng thành điện 1 chiều
có công suất lớn nhằm phục vụ cho nền công nghiệp ngày càng phát triển.
1.5 Phương pháp nghiên cứu:
Nghiên cứu tính toán giá trị cho các phần tử trong bộ biến đổi DC-DC cấu
trúc mạch Cuk để tạo ra giá trị điện áp 48V nạp cho acquy.
Thiết kế mạch điều khiển với chip vi xử lý dsPIC30F4011, viết chương trình
điều khiển mạch nạp cho Acquy và đọc giá trị ADC về để hiển thị giá trị dòng áp
vào ra lên GLCD.
Thiết kế mạch bảo vệ cho Acquy trong trường hợp quá dòng hay quá áp đầu
vào đầu ra.

Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật GVHD: TS. Lưu Hồng Việt


Nguyễn Minh Chương Trang 15

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG

2.1. Giới thiệu chung:
2.1.1. Vai trò của năng lượng mặt trời trong cung cấp năng lượng:

Hình 2.1: Bảng thống kê sử dụng các nguồn năng lượng năm 2008
Qua bảng thống kê ta thấy, năng lượng mặt trời vẫn chiếm tỷ lệ thấp.
Tuy nhiên một trong những đánh giá cao về năng lượng mặt trời là khả năng
lắp đặt ở nhiều nơi cũng như công suất cho một hệ thống có thể từ hộ gia đình đến
cả nhà máy điện công suất lớn. Bên cạnh đó nguồn nguyên liệu của năng lượng mặt
trời là vô tận, cũng như chất thải ra môi trường gần như không có.
Lượng khí thải CO
2
trên 1KWh điện năng theo các dạng nguồn được thống
kê theo biểu đồ dưới đây.
Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật GVHD: TS. Lưu Hồng Việt


Nguyễn Minh Chương Trang 16

Hình 2.2: Lượng khí thải CO2 sinh ra trên tạo ra 1KWh của các nguồn
Đây có thể coi là những ưu thế lớn cho các hệ thống năng lượng mặt trời
ngày nay.
Tuy nhiên, nhược điểm của nguồn năng lượng mặt trời là công suất không
cao, giá thành đắt và phục thuộc nhiều vào thời tiết.
2.1.2. Tổng quan về hệ thống pin năng lượng mặt trời:
Hệ thống năng lượng mặt trời:

Hình 2.3: Hệ thống năng lượng mặt trời
Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật GVHD: TS. Lưu Hồng Việt


Nguyễn Minh Chương Trang 17

Hệ thống điện mặt trời là một hệ thống bao gồm một số các thành phần như:
các tấm pin mặt trời (máy phát điện), các thiết bị tích trữ năng lượng (Acquy), các
tải tiêu thụ điện và các thiết bị điều phối năng lượng (chuyển đổi),…
Đầu vào của pin là bức xạ mặt trời, nó luôn thay đổi phức tạp theo thời gian,
theo địa điểm và phụ thuộc vào các điều kiện khí hậu, thời tiết… do vậy, bộ điều
khiển cần phải điều khiển được quá trình nạp khi đầu vào thay đổi để thu được công
suất lớn nhất.
Thiết kế một hệ thống điện mặt trời bao gồm nhiều công đoạn, từ việc lựa
chọn sơ đồ khối, tính toán dung lượng dàn pin mặt trời và bộ Acquy, thiết kế các
thiết bị điện tử điều phối như các bộ điều khiển, đổi điện… đến việc tính toán lắp
đặt các hệ giá đỡ pin mặt trời, hệ định hướng dàn pin mặt trời theo vị trí mặt trời,
nhà xưởng đặt thiết bị, acquy,…
Trong khi thiết kế, cần phải có sự cân đối giữa công suất dàn pin và dung
lượng Acquy, để có thể thu được công suất tối đa của dàn pin cũng như không để

cho Acquy bị “đói”, dẫn đến hư hỏng. Có nhiều phương án lựa chọn hệ thống điện
mặt trời trong đó giữa dung lượng dàn pin mặt trời và bộ acquy có quan hệ tương
hỗ sau:
- Tăng dung lượng acquy thì giảm được dung lượng dàn pin mặt trời.
- Tăng dung lượng dàn pin mặt trời thì giảm được dung lượng acquy.
Các thông số cần thiết để thiết kế hệ thống điện mặt trời:
Để thiết kế, tính toán một hệ thống điện mặt trời trước hết cần một số thông
số chính sau đây:
- Các yêu cầu và các đặc trưng của phụ tải.
- Vị trí lắp đặt hệ thống.
Yêu cầu và các đặc trưng của phụ tải:
Đối với các phụ tải, cần phải biết các thông số sau:
- Gồm bao nhiều thiết bị, các đặc trưng điện của mỗi thiết bị như công
suất tiêu thụ, hiệu điện thế và tần số làm việc, hiệu suất của các thiết
bị điện,…
- Thời gian làm việc của mỗi thiết bị bao gồm thời gian biểu và quãng
thời gian trong ngày, trong tuần, trong tháng,…
Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật GVHD: TS. Lưu Hồng Việt


Nguyễn Minh Chương Trang 18

- Thứ tự ưu tiên của các thiết bị. Thiết bị nào cần phải hoạt động liên
tục và yêu cầu độ ổn định cao, thiết bị nào có thể ngừng tạm thời.
Vị trí lắp đặt hệ thống:
Yêu cầu này xuất phát từ việc thu thập các số liệu về bức xạ mặt trời và các
số liệu thời tiết khí hậu khác. Bức xạ mặt trời phụ thuộc vào từng địa điểm trên mặt
đất và các điều kiện tự nhiên của địa điểm đó. Do vậy, khi thiết kế phải lấy số liệu ở
các trạm khí tượng. Khi thiết kế, rõ ràng để cho hệ có thể cung cấp đủ năng lượng
cho tải trong suốt cả năm, ta phải chọn giá trị cường độ tổng xạ của tháng thấp nhất

trong năm làm cơ sở. đồng thời cũng phải tính đến cường độ bức xạ theo mùa.
Vị trí lắp đặt hệ thống điện mặt trời còn dùng để xác định góc nghiêng của
dàn pin mặt trời sao cho khi đặt cố định hệ thống có thể nhận được tổng cường độ
bức xạ lớn nhất.

Hình 2.4: Cách bố trí góc ghiêng β của hệ thống pin
Nếu gọi β là góc nghiêng của dàn pin mặt trời so với mặt phẳng ngang, thì
thông thường ta chọn β= φ ± 10
o
với φ là vĩ độ nơi lắp đặt. Còn hướng, nếu ở bán
cầu Nam thì quay về hướng Bắc, nếu ở bán cầu Bắc thì quay về hướng Nam.
Ngoài ra, cần có bộ điều khiển hướng cho dàn pin mặt trời để tia nắng mặt trời luôn
chiếu vuông góc với mặt tấm pin.
2.2. Acquy và các phương pháp nạp acquy:
Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật GVHD: TS. Lưu Hồng Việt


Nguyễn Minh Chương Trang 19

Trong đề tài sử dụng hệ acquy chì-axit nên ta đi tìm hiểu đặc tính của acquy
chì-axít và các phương pháp nạp.
Acquy chì-axit gồm có các bản cực bằng chì (
Pb
)và ô xít chì
()PbO
ngâm
trong dung dịch axít sulfuaric
24
()H SO
.

Các thông số của acquy:
Dung lượng của acquy là điện lượng đã được nạp đầy, rồi đem phóng điện
liên tục với dòng phóng 1A tới khi điện áp của acquy giảm xuống đến một trị số
giới hạn quy định ở nhiệt độ xác định. Dung lượng đơn vị là Ampe-giờ (Ah).
Điện trở trong là trị số điện trở bên trong của acquy, bao gồm điện trở của
các bản cực, điện trở dung dịch điện phân có xét đến sự ngăn cách của các tấm ngăn
giữa các bản cực. Thường là (0,001 – 0,0015)

khi nạp đầy và (0,02 – 0,025)Ω khi
phóng hoàn toàn.
Các biến đổi của thông số của bình acquy được cho trên các biểu đồ sau:

Hình 2.5: Đặc tính điện thế và tỷ trọng khi phóng và nạp với dòng không đổi

Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật GVHD: TS. Lưu Hồng Việt


Nguyễn Minh Chương Trang 20

Hình 2.6: Đặc tuyến phóng điện thế với Điện thế cuối cùng

Hình 2.7: Dung lượng định mức dựa trên mức 8 giờ
Đặc tính phóng của acquy:
Đặc tính phóng của acquy là đồ thị biểu diễn mối quan hệ phụ thuộc của sức
điện động, điện áp của acquy và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian phóng
khi dòng điện phóng không thay đổi.

Hình 2.8 : Đặc tính phóng của acquy
Từ thời gian t
gh

trở đi, độ dốc của đồ thị thay đổi đột ngột. Nếu sau khoảng
thời gian này, mà vẫn cho acquy phóng điện, thì sẽ gây hỏng acquy ví dụ như các
tinh thể sunfat chì sẽ có dạng khô, rất khó hòa tan cho acquy sau này. Thời điểm t
gh
được gọi là giới hạn phóng điện cho phép của acquy.
Đặc tính nạp của acquy:
Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật GVHD: TS. Lưu Hồng Việt


Nguyễn Minh Chương Trang 21

Đặc tính nạp của acquy là đồ thị biểu diễn quan hệ phụ thuộc của sức điện
động, điện áp acquy và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian nạp khi trị số
dòng nạp không thay đổi.

Hình 2.9 : Đặc tính nạp của acquy

Từ đồ thị ta có nhận xét sau:
Trong khoảng thời gian từ t
n
= 0 đến t
n
= t
s
, sức điện động, điện áp, nồng độ
dung dịch điện phân tăng dần lên.
Tới thời điểm t
n
= t
s

, trên bề mặt các bản cực xuất hiện các bọt khí quá trình
điện phân H
2
O thành H
2
và O
2
, lúc này điện thế giữa các bản cực tăng dần tới giá trị
2,4V và giũ nguyên. Đây là thờ gian nạp no.
Thời gian nạp no cho acquy kéo dài từ 2 – 3h, trong suốt thời gian đó, hiệu
điện thế trên hai bản cực của acquy và nồng độ dung dịch điện phân luôn luôn nhỏ
hơn dung lượng cần thiết để nạp cho no acquy.
Sau khi ngắt mạch nạp, điện áp, sức điện động của acquy giảm xuống và ổn
định. Thời gian này được gọi là thời gian nghỉ của acquy sau khi nạp.
Dòng điện nạp ảnh hưởng đến chất lượng và tuổi thọ của acquy. Dòng điện
nạp định mức là : I
n
= 10%C
10
. trong đó, C
10
là dung lượng của acquy mà với chế
độ nạp dòng điện định mức là I
n
= 0,1C
10
thì sau 10h acquy sẽ đầy.
 Các phương pháp nạp acquy:
Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật GVHD: TS. Lưu Hồng Việt

Nguyễn Minh Chương Trang 22

Tuỳ theo phương pháp vận hành acquy, thiết bị nạp và thời gian cho phép nạp,
việc nạp có thể được thực hiện theo các cách như sau:
 Phương pháp nạp theo dòng.
 Phương pháp nạp theo áp.
 Phương pháp nạp theo dòng áp.
a. Phương pháp nạp theo dòng:
Đây là phương pháp cho phép chọn được dòng nạp thích hợp với mỗi loại
acquy, đảm bảo cho acquy được no. Trong quá trình nạp, sức điện động của acquy
sẽ tăng dần lên. Nhược điểm của phương pháp này là thời gian nạp kéo dài, các
acquy đưa vào nạp phải có cùng dung lượng định mức. Để khắc phục, người ta chọn
nạp với dòng thay đổi hay nhiều nấc. Ví dụ hai nấc, dòng nạp ở nấc 1 chọn bằng
(0,3 – 0,6)C
10
hay là nạp cưỡng bức, kết thúc khi acquy bắt đầu sôi.Dòng điện nạp ở
nấc thứ hai là 0,1C
10
.
b. Phương pháp nạp theo áp:
Phương pháp này yêu cầu acquy phải mắc song song với nguồn nạp. Hiệu
điện thế của nguồn nạp không đổi và tính bằng (2,3 – 2,5)V cho mỗi ngăn đơn.
Phương pháp này có thời gian nạp ngắn, dòng nạp tự động giảm theo thời gian. Tuy
nhiên với phương pháp nạp này thì acquy không được no, do vậy chỉ dùng bổ sung
nạp cho acquy trong quá trình sử dụng.
c. Phương pháp nạp theo dòng áp:
Đây là phương pháp tổng hợp của hai phương pháp trên, nó tận dụng được
ưu điểm của mỗi phương pháp
d. Lựa chọn phương pháp nạp:

Với yêu cầu của đề tài là thiết kế mạch nạp tự động, nên nhóm đã chọn
phương pháp nạp theo dòng áp. Do acquy sử dụng là acquy axit, nên trong khoảng
thời gian đầu, nạp với dòng không đổi I
n
= 0,1C
10
. Sau khi acquy bắt đầu sôi, ta
chuyển sang chế độ nạp ổn áp. Sau khi acquy no, nạp bổ xung thêm 2 – 3h.
2.3. Nguyên lý nạp năng lượng mặt trời:
Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật GVHD: TS. Lưu Hồng Việt


Nguyễn Minh Chương Trang 23

Đầu ra của pin mặt trời có điện áp ra max là 17,4V và công suất ra thay đổi
tùy theo cường độ ánh sáng của mặt trời. Do vậy, bộ nạp acquy này phải đảm bảo
lấy được công suất lớn nhất của pin tùy thuộc các điều kiện làm việc. Đây cũng là
khác biệt lớn nhất so với các acquy trên thị trường.
Mạch nạp cần đưa điện áp thay đổi nhỏ hơn 17,4V lên điện áp lớn hơn hoặc
bằng 48V để nạp acquy, vì thế ta có thể áp dụng các phương pháp của mạch DC-
DC ở đây.
Về nguyên lý, sơ đồ biến đổi DC-DC có thể được phân thành 2 nhóm:
- Sơ đồ biến đổi DC-DC không cách ly
- Sơ đồ biến đổi DC-DC cách ly
2.3.1. Sơ đồ biến đổi DC-DC không cách ly:
Với nhóm sơ đồ này, điện áp một chiều được tạo ra nhờ việc phóng nạp tụ từ
dòng điện qua cuộn cảm L được cung cấp bởi nguồn cấp. Điện áp một chiều đầu ra
thay đổi nhờ có việc phóng nạp được thay đổi bởi van công suất được mắc tùy
thuộc vào từng sơ đồ. Các sơ đồ điển hình theo nguyên lý này gồm có:
- Sơ đồ biến đổi Buck,

- Sơ đồ biến đổi Boost,
- Sơ đồ biến đổi Buck-Boost
- Sơ đồ biến đổi Cuk
Q
D
C
R
L
C
R
R
R
C2
C
Q
Q
Q
D
D
D
L
L
L1
Vs
Vs
Vs
C1
L2
Vs
a b

c
d

Hình 2.10: Sơ đồ bộ biến đổi DC-DC không cách ly
Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật GVHD: TS. Lưu Hồng Việt


Nguyễn Minh Chương Trang 24

a: bộ Buck, b:bộ Boost, c: bộ Buck-Boost, d:bộ Cuk
Nhận xét :
Với bộ biến đổi Buck, biến đổi điện áp một chiều thành điện áp một chiều
thấp hơn. Bộ Buck được ứng dụng trong các bộ ổn định điện áp thay cho các mạch
analog truyền thống. Công thức biến đổi :
Vout
D
Vin


Với sơ đồ biến đổi Boost, biến đổi điện áp một chiều thành điện áp một
chiều lớn hơn, dùng trong các thiết bị nguồn nuôi với công suất nhỏ như mobile,
notebook…Công thức biến đổi.
1
1
Vout
Vin D



Với bộ biến đổi Buck-Boost, biến điện áp một chiều thành điện áp một chiều

có biên độ cao hơn hoặc thấp hơn biên độ điện áp vào. Công thức biến đổi:
1
Vout D
Vin D



Với bộ biến đổi Cuk, biến đổi điện áp một chiều thành điện áp một chiều có
biên độ thấp hơn hoặc lớn hơn điện áp vào. Bộ Cuk cho công suất lớn hơn và có
khả năng tận dụng được tối đa công suất nguồn. Công thức biến đôi:
1
Vout D
Vin D



Các sơ đồ không cách ly cho công suất hạn chế, do đó chỉ phù hợp với công
suất nhỏ và yêu cầu chất lượng không cao.
2.3.2. Sơ đồ biến đổi DC-DC có cách ly:
Với nhóm sơ đồ này, điện áp một chiều đầu vào được biến đổi thành điện áp
xoay chiều cao tần và biên độ điện áp xoay chiều được nâng lên qua biến áp xung,
sau khi qua một hệ thống lọc LC sẽ cho ta điện áp một chiều với biên độ mong
muốn. Các sơ đồ biến đổi điển hình gồm có :
- Sơ đồ biến đổi FlyBack,
- Sơ đồ biến đổi Forward,
- Sơ đồ biến đổi Half-Bridge,
- Sơ đồ biến đổi Full-Bridge.
Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật GVHD: TS. Lưu Hồng Việt

Nguyễn Minh Chương Trang 25

C
+
- +
-
V1
V2
D
N1:N2
Lm
Q
Vs
R
+
- +
-
Lm
Q
L
D1
D2
D3
N3
+
-
V3
V1 V2
C
+

-
V0
Vs
N1 N2
R
+
-
Vd
C1
C2
Vs/2
Q1
Q2
+
-
V1
N1
N2
N2
D1
D2
L
C
+
-
V0
+
-
Vs
Q1

C2
Q3
Q4
+
-
V1
N1
N2
N2
D1
D2
L
C
+
-
+
-
vL
V0
(a) (b)
(d)(c)

Hình 2.11 : Sơ đồ bộ biến đổi DC_DC cách ly
a: Sơ đồ FlyBack, b: Sơ đồ Forward, c: Sơ đồ Half – Bridge, d: Sơ đồ Full – Bridge
Nhận xét :
Với bộ biến đổi FlyBack biến đổi điện áp một chiều thành điện áp một chiều
lớn hơn, công suất khoảng 250W, được dùng trong các bộ nguồn công suất nhỏ như
tivi, loa… công thức biên đổi:
2
1

N
Vout
D
Vin N

với N
1
,N
2
là số vòng cuộn sơ cấp và thứ cấp, D là độ rộng xung.
Với bộ biến đổi Half - Bridge sử dụng 2 van công suất và sự phóng nạp của
tụ. bộ biến đổi Half – Bridge được sử dụng trong các nguồn xung cách ly với công
suất lên tới 1KW. Công thức biến đổi :
2
1
N
Vout
D
Vin N

. Với D là độ rộng xung
Với bộ biến đổi Full – Bridge sử dụng 4 van công suất mắc theo sơ đồ cầu H.
Bộ biến đổi Full – Bridge cho chất lượng đầu ra khá cao và công suất đạt được
khoảng hàng vài KW. Công thức biến đổi :
2
1
2
N
Vout
D

Vin N

, D là độ rộng xung.
Đối với các sơ đồ cách ly sử dụng biến áp thì ưu điểm hơn về mặt công suất
và vấn đề nâng cao công suất với nguyên lý trên có thể thực hiện dễ dàng, do đó
phù hợp với các ứng dụng có công suất lớn và yêu cầu chất lượng cao hơn.