Nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển nạp acquy từ nguồn năng lượng mặt trời
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.51 MB, 70 trang )
..
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
VŨ TIẾN DŨNG
“Nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển nạp acquy từ
nguồn năng lượng mặt trời ”
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Chuyên ngành :
Điều khiển tự động
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
TS. Lưu Hồng Việt
Hà Nội – Năm 2011
Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển nạp acquy từ năng lượng mặt trời
Mục lục
Danh mục hình vẽ .......................................................................................................3
LỜI MỞ ĐẦU .............................................................................................................5
Chương 1 : Giới thiệu chung.......................................................................................7
1. Năng lượng mặt trời và vai trò trong phân bố năng lượng hiện nay ..................7
2. Mục đích và yêu cầu của đề tài: ..........................................................................8
Chương 2 : Cơ sở lý thuyết .......................................................................................11
1. Năng lượng mặt trời và hệ thống pin năng lượng mặt trời ...............................11
2. Acquy và các phương pháp nạp.........................................................................16
3. Nguyên lý bộ nạp năng lượng mặt trời thực hiện..............................................25
3.1 Sơ đồ biến đổi DC-DC không cách ly..........................................................25
3.2 Sơ đồ biến đổi DC-DC có cách ly................................................................26
3.3 Lựa chọn sơ đồ nguyên lý cho bộ biến đổi DC-DC.....................................27
3.4 Sơ đồ biến đổi DC-DC không cách ly Cuk .................................................28
Chương 3 : Triển khai thực hiện ...............................................................................31
1. Phương thức điều khiển dịng cơng suất từ pin mặt trời sang acquy................31
2. Tính tốn thiết kế mạch nạp theo ngun lý Cuk...............................................34
3. Xây dựng mơ hình bộ biến đổi (DC-DC Cuk converter)...................................43
4. Mơ hình khâu đo dịng .......................................................................................49
5. Xây dựng bộ điều khiển .....................................................................................49
6. Thiết kế mạch điều khiển ...................................................................................53
7. Thiết kế mạch lực...............................................................................................55
8. Thuật toán điều khiển ........................................................................................59
9. Lập trình cài đặt trên vi điều khiển ...................................................................61
Chương 4 Kết quả và đánh giá.................................................................................67
Kết luận..................................................................................................................69
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................70
2
Vũ Tiến Dũng – ĐKTĐ 2008-2010
Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển nạp acquy từ năng lượng mặt trời
Danh mục hình vẽ
Hình 1.1: Bảng thống kê các nguồn năng lượng sử dụng năm 2008 ..........................7
Hình 1.2: Lượng khí thải CO2 sinh ra trên tạo ra 1KWh của các nguồn ....................8
Hình 1.3: Sơ đồ khối hệ thống năng lượng mặt trời ...................................................9
Hình 2.1: Cách bố trí góc ghiêng β của hệ thống pin ...............................................14
Hình 2.2: Sơ đồ khối hệ thống năng lượng mặt trời .................................................15
Hình 2.3: Đặc tính điện thế và tỷ trọng khi phóng và nạp với dịng khơng đổi........17
Hình 2.4: Đặc tuyến phóng điện thế với Điện thế cuối cùng....................................18
Hình 2.5: Dung lượng định mức dựa trên mức 8 giờ................................................18
Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý mạch DC-DC Cuk..........................................................29
Hình 2.8: Giản đồ xung mạch của sơ đồ biến đổi Cuk ở chế độ liên tục. ................30
Hình 2.9: Giản đồ xung mạch của sơ đồ biến đổi Cuk ở chế độ gián đoạn..............30
Hình 3.1: Bộ MPPT và bộ DC-DC Cuk converter ...................................................31
Hình 3.2: Đặc tuyến dịng-áp với cường độ ánh sáng 1000w/m2, nhiệt độ thay đổi 33
Hình 3.3: Đặc tuyến dịng-áp với cường độ ánh sáng thay đổi 200÷1000w/m2, nhiệt
độ PV 25°C ...............................................................................................................33
Hình 3.5: Sơ đồ khối DC-DC Cuk trong bộ nạp năng lượng mặt trời......................34
Hình 3.6: Mạch so sánh bảo vệ điện áp ....................................................................40
Hình 3.7: Khối so sánh bảo vệ cứng .........................................................................41
Hình 3.8: Mạch hỗ trợ mở van snubber RDC ...........................................................42
Hình 3.9: Mạch DC-DC Cuk ở hai chế độ đóng/mở van..........................................43
Hình 3.10: Mạch DC-DC Cuk ở chế độ van đóng D=1............................................43
Hình 3.10: Mạch DC-DC Cuk ở chế độ van mở D=0 ..............................................44
Hình 3.11: Đáp ứng với tín hiệu step của hàm truyền và hàm xấp xỉ.......................48
Hình 3.13: Mơ phỏng bộ điều khiển PI số ................................................................52
Hình 3.14: Đáp ứng hệ thống khi sử dụng bộ điều khiển PI số ................................52
Hình 3.16: Đáp ứng hệ thống khi sử dụng bộ điều khiển PI số ................................53
Hình 3.16: Khối vi điều khiển dsPic30F2020...........................................................54
Hình 3.17: Tín hiệu PWM ra từ RE0, tần số 50kHz, Duty 70% ..............................55
Hình 3.18: Mạch thực tế được chế tạo ......................................................................55
Hình 3.19: Đo áp sử dụng mạch phân áp..................................................................56
Hình 3.20: Đo dịng sử dụng LEM LA-25NP...........................................................56
Hình 3.21: Tín hiệu điều khiển vào Driver ...............................................................57
Hình 3.22: Tín hiệu đưa vào driver...........................................................................57
3
Vũ Tiến Dũng – ĐKTĐ 2008-2010
Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển nạp acquy từ năng lượng mặt trời
Hình 3.23: Tín hiệu vào chân gate của Mosfet .........................................................58
Hình 3.24: Hệ mạch lực và khối cuộn dây và tụ.......................................................58
Hình 3.25: Lưu đồ thuật tốn điều khiển ..................................................................60
Hình 4.1: Thử nghiệm tải LED cho bộ biến đổi .......................................................67
4
Vũ Tiến Dũng – ĐKTĐ 2008-2010
Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển nạp acquy từ năng lượng mặt trời
LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, cuộc sống con người ngày càng phát triển, nhu cầu sử dụng
năng lượng, đặc biệt là điện năng ngày càng cao. Mặt khác các dạng năng
lượng hóa thạch dùng để phát điện ngày càng cạn kiện, ngồi ra chúng cịn
gây ra rất nhiều những ô nhiễm môi trường. Năng lượng hạt nhân cũng gây
những nguy hiểm tiềm ẩn bởi sự khơng an tồn. Vì thế việc tìm và sử dụng
các nguồn năng lượng sạch đang là mối quan tâm của những nhà chiến lược
hàng đầu. Trong các nguồn năng lượng 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 u 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 cơng suất. Chính vì
điều này việc 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 “Nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển nạp acquy từ nguồn
năng lượng mặt trời ” 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 sinh hoạt và sản xuất.
Đồ án đi sâu vào nghiêm 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 khơng cịn là mới nhưng hầu hết ở Việt
Nam đều sử dụng với công suất nhỏ và tải thường là 12V hoặc xoay chiều 1
5
Vũ Tiến Dũng – ĐKTĐ 2008-2010
Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển nạp acquy từ năng lượng mặt trời
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.
Tôi xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn chu đáo tận tình của thầy TS.
Lưu Hồng Việt đã giúp đỡ tơi hồn thành đồ án này.
Đề tài còn nhiều vấn đề cần được chỉnh sửa và cải thiện, tôi cũng hy
vọng sẽ tiếp tục thực hiện theo hướng đề tài trong quá trình học tập và cơng
tác sau này.
Người thực hiện
Vũ Tiến Dũng
6
Vũ Tiến Dũng – ĐKTĐ 2008-2010
Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển nạp acquy từ năng lượng mặt trời
Chương 1 : Giới thiệu chung
1. Năng lượng mặt trời và vai trò trong phân bố năng lượng hiện
nay
Trong các nguồn điện năng ngày nay thì năng lượng mặt trời vẫn đang chiếm
tỷ lệ thấp.
Hình 1.1: Bảng thống kê các nguồn năng lượng sử dụng năm 2008
Tuy nhiên một trong những đánh giá cao về năng lượng mặt trời là khả năng
lắp đặt ở nhiều nơi cũng như cơng suất cho một hệ thống có thể từ hộ gia đình đến
7
Vũ Tiến Dũng – ĐKTĐ 2008-2010
Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển nạp acquy từ năng lượng mặt trời
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 khơng có.
Lượng khí thải CO2 trên 1KWh điện năng theo các dạng nguồn được thống
kê theo biểu đồ dưới đây.
Hình 1.2: 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, bên cạnh nhược điểm về công suất và giá thành.
2. Mục đích và yêu cầu của đề tài:
Năng lượng mặt trời (NLMT) là nguồn năng lượng mà con người biết sử
dụng từ rất sớm. Từ sau cuộc khủng hoảng năng lượng thế giới năm 1968-1973,
năng lượng mặt trời càng được đặc biệt quan tâm. Hướng khai thác NLMT được
quan chủ yếu hiện nay là biến đổi trực tiếp thành điện năng nhờ các tế bào quang
điện, hay gọi là 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 khơng
ổn định hoặc yếu vì vậy khơng đảm bảo cung cấp đủ công suất để được biến đổi
8
Vũ Tiến Dũng – ĐKTĐ 2008-2010
Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển nạp acquy từ năng lượng mặt trời
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 nạp NLMT thường được tích hợp vào hệ biến đổi năng lượng mặt
trời có cấu trúc như sau:
Hình 1.3: 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. Bộ nạp NLMT tối ưu hóa q trình nạp nhằm đảm bảo
tích trữ năng lượng mặt trời với hiệu suất cao nhất.
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 dịng 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.
Trong nghiên cứu thiết kế trình bày ở đây, giải pháp sử dụng bộ biến đổi DCDC theo cấu trúc mạch Cuk đã được sử dụng cho hệ thống nạp. 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
9
Vũ Tiến Dũng – ĐKTĐ 2008-2010
Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển nạp acquy từ năng lượng mặt trời
Tổng hợp bộ điều khiển
Kết quả mô phỏng và thực nghiệm.
Phạm vi áp dụng
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.
10
Vũ Tiến Dũng – ĐKTĐ 2008-2010
Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển nạp acquy từ năng lượng mặt trời
Chương 2 : Cơ sở lý thuyết
1. Năng lượng mặt trời và hệ thống pin năng lượng mặt trời
Việt Nam nằm trong khu vực nhiệt đới, vì vậy có nhiều tiềm năng về các
nguồn năng lượng xanh như năng lượng sức gió, năng lượng mặt trời hay cả năng
lượng thủy triều, sóng biển. Do vậy việc sử dụng NLMT ở nước ta sẽ đem lại hiệu
quả kinh tế lớn đồng thời giảm ảnh hướng đến môi trường
Trong đồ án này tôi quan tâm đến việc biến đổi năng lượng mặt trời thành
điện năng sử dụng Pin mặt trời (Photovoltaic : PV) và lưu trữ bằng acquy.
Trước hết ta đi tổng quan về các hệ thống điện năng lượng mặt trời nói chung.
Hệ thống năng lượng mặt trời:
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 tải tiêu thụ điện, các thiết bị tích trữ năng
lượng và các thiết bị điều phối năng lượng,…
Thiết kế một hệ thống điện mặt trời là xây dựng một quan hệ tương thích
giữa các thành phần của hệ về mặt định tính và định lượng, để đảm bảo một sự
truyển tải năng lượng hiệt quả cao từ máy phát – pin mặt trời đến các tải tiêu thụ.
Không như các hệ năng lượng khác, “nhiên liệu” của máy phát điện là bức
xạ mặt trời, nó ln thay đổi phức tạp theo thời gian, theo địa phương và phụ thuộc
vào các điều kiện khí hậu, thời tiết,… nên với cùng một tải điện yêu cầu, có thể có
một số thiết kế khác nhau tuỳ theo các thơng số riêng của hệ. Vì vậy, nói chung
khơng nên áp dụng các hệ thiết kế “mẫu” dùng cho tất cả hệ thống điện mặt trời.
11
Vũ Tiến Dũng – ĐKTĐ 2008-2010
Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển nạp acquy từ năng lượng mặt trời
Thiết kế một hệ thống điện mặt trời bao gồm nhiều công đoạn, từ việc lựa
chọn sơ đồ khối, tính tốn 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 tốn 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 hai thành phần được quan tâm ở đây – dàn pin mặt trời và bộ acquy –
là hay thành phần chính của hệ thống và chiếm một tỉ trọng lớn nhất trong chi phí
cho một hệ thống điện mặt trời. Cùng một phụ tải tiêu thụ, 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.
Tuy nhiên, nếu lựa chọn dung lượng dàn pin mặt trời q nhỏ thì acquy sẽ bị
phóng kiệt hoặc ln ln bị “đói”, dẫn đến hư hỏng. Ngược lại, nếu dung lượng
dàn pin mặt trời quá lớn sẽ gây ra lãng phí lớn. Do vậy phải lựa chọn thích hợp để
hệ thống hoạt động có hiệu quả nhất.
Trong thực tế có những hệ thống điện mặt trời nằm trong những tổ hợp hệ
thống năng lượng, gồm hệ thống điện mặt trời, máy phát điện gió, máy phát
diezen,… Trong hệ thống đó, điện năng từ hệ thống điện mặt trời được “hoà” vào
lưới điện chung của tổ hợp hệ thống.
Các thông số cần thiết để thiết kế hệ thống điện mặt trời
Để thiết kế, tính tốn 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
12
Vũ Tiến Dũng – ĐKTĐ 2008-2010
Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển nạp acquy từ năng lượng mặt trời
Đối với các phụ tải, cần phải biết các thông số sau:
-
Gồm bao nhiêu 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,…
-
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.
Các thơng số trên trước hết cần thiết cho việc lựa chọn sơ đồ khối. Ví dụ nếu
tải làm việc vào ban đêm thì hệ cần phải có thành phần tích trữ năng lượng, tải làm
việc với điện xoay chiều hiệu điện thế cao thì cần dùng các bộ đổi điện. Ngồi ra
các thơng số này cũng chính là cơ sở để tính tốn định lượng dung lượng của hệ
thống.
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. Như đã trình bày, bức xạ mặt trời phụ thuộc vào từng
địa điểm trên mặt đất và các điều kiện tự nhiên của địa điểm đó. Các số liệu về bức
xạ mặt trời và khí hậu, thời tiết được các trạm khí tượng ghi lại và xử lý trong các
khoảng thời gian rất dài, hàng chục, có khi hàng trăm năm. Vì các thơng số này biển
đổi rất phức tạp, nên với mục đích thiết kế đúng hệ thống điện mặt trời cần phải lấy
số liệu ở các trạm khí tượng đã hoạt động trên mười năm. Cường độ bức xạ mặt trời
tại một thời điểm bất kì trên trái đất chúng ta có thể xác định. Khi thiết kế hệ thống
điện mặt trời, 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.
Tất nhiên khi đo, ở các tháng mùa hè năng lượng của hệ sẽ dư thừa và có thể gây
lãng phí lớn nếu khơng dùng thêm các tải phụ. Ta khơng thể dùng các bộ tích trữ
năng lượng như acquy để tích trữ điện năng trong các tháng mùa hè để dùng trong
các tháng mùa đơng vì khơng kinh tế. Để giải quyết vấn đề trên người ta có thể
13
Vũ Tiến Dũng – ĐKTĐ 2008-2010
Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển nạp acquy từ năng lượng mặt trời
dùng thêm một nguồn điện dự phòng (ví dụ máy phát diezen, máy nổ) cấp điện
thêm cho những tháng có cường độ bức xạ mặt trời thấp hoặc sử dụng công nghệ
nguồn tổ hợp (hybrid system technology). Trong trường hợp này có thể chọn cường
độ bực xạ trung bình trong năm để tính tốn và do đó giảm được dung lượng dàn
pin mặt trời.
Ngồi ra cịn một thông số khác liên quan đến bức xạ mặt trời là số ngày
khơng có nắng trung bình trong năm. Nếu khơng tính đến thơng số này, vào mùa
mưa, có thể có một số ngày khơng có năng, acquy sẽ bị cạn kiệt và tải phải ngừng
hoạt động. Muốn cho tải có thể làm việc liên tục trong các ngày khơng có nắng cần
phải tăng thêm dung lượng acquy dự trữ điện năng.
Vị trí lắp đặt hệ thống điện mặt trời cịn 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 2.1: 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
thơng thường ta chọn β= φ ± 10o với φ là vĩ độ nơi lắp đặt. Cịn hướng, nếu ở bán
cầu Nam thì quay về hướng Bắc, nếu ở bán cầu Bắc thì quay về hướng Nam.
14
Vũ Tiến Dũng – ĐKTĐ 2008-2010
Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển nạp acquy từ năng lượng mặt trời
Ngoài ra việc đặt nghiêng dàn pin cịn có một ý nghĩa khác đó là khả năng tự
làm sạch. Khi có mưa, do mặt dàn pin nghiêng nên nước mưa sẽ tẩy rửa bụi bẩn
bám trên mặt pin, làm tăng khả năng hấp thụ bức xạ mặt trời của dàn pin.
Ở các vị trí lắp đặt khác nhau, nhiệt độ môi trường cũng khác nhau và do đó
nhiệt độ làm việc của pin mặt trời cũng khác nhau. Thông thường nhiệt độ làm việc
của pin mặt trời cao hơn nhiệt độ của mơi trường (20÷25oC) và tuỳ thuộc vào tốc độ
gió. Vì khi nhiệt độ tăng, hiệu suất của module pin mặt trời ηM giảm và có thể biểu
diễn bằng quan hệ sau: ηM(T) = ηM(TC).{1+PC.(T – TC)}
đây :
ở
ηM(T) là hiệu suất của module ở nhiệt độ T;
ηM(TC) là hiệu suất của module ở nhiệt độ chuẩn TC=25oC;
PC là hệ số nhiệt độ của module. Trong tính toán thực tế thường lấy giá
trị gần đúng bằng PC = -0,005/oC.
Các bước thiết kế hệ thống điện mặt trời
Lựa chọn sơ đồ khối
Từ sự phân tích các yêu cầu và các đặc trưng của các phụ tải điện ta sẽ chọn
một sơ đồ khối thích hợp. Sau đây là sơ đồ khối thường dùng đối với các hệ thống
điện mặt trời.
Solar
Cell
Bộ điều
khiển nạp
DC-DC
DC-AC
Acquy
Bộ nạp năng lượng mặt trời
Hình 2.2: Sơ đồ khối hệ thống năng lượng mặt trời
15
Vũ Tiến Dũng – ĐKTĐ 2008-2010
Phụ tải
Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển nạp acquy từ năng lượng mặt trời
Để đạt được hiệu quả cao hơn, người ta thường thiết kế bộ tự động chỉnh
hướng cho bộ pin mặt trời, nhằm “bám theo” sự thay đổi vị trí của mặt trời trong
ngày và theo mùa trong năm.
2. Acquy và các phương pháp nạp
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 và ơ xít chì ngâm trong dung
dịch axít sulfuaric. Các bản cực thường có cấu trúc phẳng, dẹp, dạng khung lưới,
làm bằng hợp kim chì antimon, có nhồi các hạt hóa chất tích cực. Các hóa chất này
khi được nạp đầy là điơxít chì ở cực dương, và chì nguyên chất ở cực âm.
Các bản cực được nối với nhau bằng những thanh chì ở phía trên, bản cực
dương nối với bản cực dương, bản cực âm nối với bản cực âm. Chiều dài, chiều
ngang, chiều dầy và số lượng các bản cực sẽ xác định dung lượng của bình acquy.
Thơng thường, các bản cực âm được đặt ở bên ngồi, do đó số lượng các bản cực
âm nhiều hơn bản cực dương. Các bản cực âm ngồi cùng thường mỏng hơn, vì
chúng sử dụng diện tích tiếp xúc ít hơn.
Chất lỏng dùng trong bình acquy này là dung dịch xít sunfuaric. Nồng độ của
dung dịch biểu trưng bằng tỷ trọng đo được, tuỳ thuộc vào loại bình acquy, và tình
trạng phóng nạp của bình.
Trị số tỷ trọng của bình acquy khi được nạp đầy được quy ra ở 25⁰C (77⁰F)
được cho ở bảng sau:
16
Vũ Tiến Dũng – ĐKTĐ 2008-2010
Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển nạp acquy từ năng lượng mặt trời
Loại bình ắc quy
Tỷ trọng chất điện phân
Bình acquylàm việc ở chế độ tải nặng, thí dụ các xe tải điện
cơng nghiệp lớn.
Bình acquydùng cho xe ơtơ, phi cơ.
1,275
1.260
Bình acquydùng cho tải khơng nặng lắm: thí dụ như chiếu
sáng tàu điện, hoặc khởi động các động cơ lớn…
Bình acquytĩnh, hoặc dùng cho các ứng dụng dự phịng
1.245
1.215
Dung lượng của bình acquy thường được tính bằng ampe giờ (AH). AH đơn
giản chỉ là tích số giữa dịng điện phóng với thời gian phóng điện. Dung lượng này
thay đổi tuỳ theo nhiều điều kiện như dịng điện phóng, nhiệt độ chất điện phân, tỷ
trọng của dung dịch, và điện thế cuối cùng sau khi phóng. Các biến đổi của thơng số
của bình acquy được cho trên các biểu đồ sau:
Hình 2.3: Đặc tính điện thế và tỷ trọng khi phóng và nạp với dịng khơng đổi
17
Vũ Tiến Dũng – ĐKTĐ 2008-2010
Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển nạp acquy từ năng lượng mặt trời
Hình 2.4: Đặc tuyến phóng điện thế với Điện thế cuối cùng
Hình 2.5: Dung lượng định mức dựa trên mức 8 giờ
Các phương pháp phóng và nạp
Nạp acquy lần thứ nhất
Acquy mới lắp hoặc sau khi sửa chữa thay thế bản cực xong, phải nạp hình
thành. Sau khi đã đổ dung dịch vào các bình acquyphải để cho acquy ổn định từ 2
đến 4 giờ mới được nạp.
Chất điện phân đổ vào bình phải có tỷ trọng 1,18 ± 0.05 g/cm³ ở nhiệt độ 20
độ C. Sau khi rót vào thì tỷ trọng chất điện phân có giảm xuống đơi chút. Sau đó vài
18
Vũ Tiến Dũng – ĐKTĐ 2008-2010
Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển nạp acquy từ năng lượng mặt trời
giờ, tỷ trọng chất điện phân lại bắt đầu tăng lên trở lại. Đó là hiện tượng bình
thường.
Kiểm tra lại việc đấu dây: cực dương của máy nạp phải đấu với cực dương
của ắc quy, tương tự, cực âm của máy nạp phải được nối với cực âm của acquy.
Nạp hình thành acquy chì
Việc nạp hình thành acquy được tiến hành theo các bước:
Nạp liên tục cho đến khi truyền cho acquy từ 4 đến 5 lần định mức. Không
được gián đoạn trong thời gian này.
Ngừng nạp 1 giờ cho các ngăn acquy ổn định. Trong thời gian này, tiến hành
kiểm tra và sửa chữa các bình bị hư hỏng.
Nạp tiếp tục cho đến khi khí thốt mạnh ở tất cả các bình.
Lập lại các bước 2 và 3. Như vậy sau mỗi lần nạp và nghỉ xen kẽ 1 giờ,
acquy sẽ được truyền thêm 1 lần dung lượng định mức. Quá trình nạp, nghỉ xen kẽ
như vậy tiến hành cho đến khi truyền cho acquy từ 8 đến 10 lần dung lượng định
mức.
Kết thúc giai đoạn nạp hình thành được xác định theo các điều kiện sau:
Điện thế acquy đạt tới 2,5 - 2,75 vôn.
Tỷ trọng chất điện phân bằng 1,205 +/- 0,005 g/cm³ ở 20 độ C và không thay
đổi trong 3 đến 4 giờ.
Bốc hơi đều trên các tấm cực dương và âm ở tất cả các bình.
Ghi chú: trước khi thực hiện chương trình này, phải lập chương trình thật cụ
thể, để việc thực hiện được chính xác. Chất lượng và tuổi thọ sau này của bình phụ
thuộc rất nhiều vào việc nạp hình thành ban đầu. Khơng được để q nạp, vì bản
cực sẽ bị sunfat hoá, làm giảm tuổi thọ của acquy.
19
Vũ Tiến Dũng – ĐKTĐ 2008-2010
Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển nạp acquy từ năng lượng mặt trời
Dịng điện nạp khơng được q 0,1 lần dung lượng định mức. Nhiệt độ chất
điện phân không được vượt quá 40 độ C. Nếu nhiệt độ vượt quá trị số này thì phải
ngưng nạp để hạ nhiệt độ. Tuy nhiên, vào giai đoạn đầu khi chưa truyền cho acquy
đủ 4 đến 5 lần dung lượng định mức khơng được phép ngừng nạp, mà chỉ giảm
dịng nạp cho đến khi nhiệt độ ổn định. Như vậy, thời gian nạp phải tăng lên tương
ứng để để bảo đảm dung lượng nạp.
Điều chỉnh tỷ trọng và mức dung dịch chất điện phân
Cuối thời gian nạp, tỷ trọng của chất điện phân quy về 20 độ C cần phải là
1,205 +/- 0,005 g/cm³. Hệ số hiệu chỉnh Tỷ trọng chất điện phân F hoặc 1,67 độ C.
Sau khi nạp, ở một số°bằng - 0,001 g/cm³ cho mỗi 3 bình, có thể có tỷ trọng khác
biệt hẳn so với quy định. Khi thấy tỷ trọng cao hơn phải làm giảm bằng cách rút ra
một lượng dung dịch chất điện phân và thay vào đó một lượng nước cất tương ứng.
Sau đó tiếp tục nạp thêm 3 giờ nữa rồi kiểm tra lại. Cứ thế tiếp tục cho đến khi đạt
được tỷ trọng quy định.
Khi vận hành bình thường, nếu tỷ trọng thấp hơn quy định tới 0,02 g/cm³ thì
cần tiến hành nạp cân bằng. Nếu mức dung dịch cạn gần bằng mức tối thiểu, thì
dùng nước cất bổ sung cho đến khi bằng mức tối đa, sau đó tiến hành nạp cân bằng
để làm đồng nhất chất điện phân.
Để hiệu chỉnh Tỷ trọng chất điện phân, cần thực hiện như sau:
-
Đo nhiệt độ, mức, và Tỷ trọng chất điện phân.
-
So sánh với nhiệt độ tiêu chuẩn và mức tiêu chuẩn.
Cộng thêm 0,001 g/cm3 cho mỗi 3°F hoặc 1,67 ° C cao hơn nhiệt độ tiêu
chuẩn, trừ bớt đi 0,015 g/cm³ cho mỗi 1/2 inch thấp hơn mức tiêu chuẩn để bù trừ
khi bổ sung nước cất.
Ví dụ: Tỷ trọng đo được ở 89°F là 1,235 g/cm3, và mực chất điện phân thấp hơn
tiêu chuẩn 1/2 inch. Như vậy các hiệu chỉnh cần thiết là:
20
Vũ Tiến Dũng – ĐKTĐ 2008-2010
Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển nạp acquy từ năng lượng mặt trời
Nhiệt độ cao hơn tiêu chuẩn là : 89 - 77 = 12° F. : phải cộng thêm: 12 / 3 *
0,001 = 0,004 g/cm³ để ứng với 77° F
Mực chất điện phân thấp hơn 1 / 2 inch, vậy phải trừ bớt đi 0,015 g/cm³ để
ứng với khi bổ sung nước cất thêm cho đủ.
Như vậy Tỷ trọng ứng với 77° F và sau khi châm thêm nước cất sẽ là:
1,235 + 0,004 - 0,015 =1,224 g/cm³.
Sau khi nạp acquy lần đầu xong, phải tiến hành phóng nạp tập dợt 3 lần để
acquy bảo đảm được dung lượng định mức. Dịng điện phóng được thực hiện theo
mức 3 giờ hoặc mức 10 giờ, phóng cho đến khi điện thế mỗi bình cịn 1,8 vơn.
Trong thời gian nạp hình thành và phóng nạp tập dợt, phải đo và ghi điện thế,
tỷ trọng, và nhiệt độ từng ngăn một, định kỳ mỗi giờ một lần. Trong trường hợp có
đột biến trên các ngăn, ( thí dụ điện thế trên các ngăn thay đổi quá nhanh), phải đo
và ghi thơng số thường xun hơn.
Phóng và nạp acquy lần sau
Phóng điện acquy
Phóng điện có thể tiến hành vào bất kỳ thời điểm nào và bất kỳ dòng điện
nào nhỏ hơn trị số ghi trong bảng chỉ dẫn của nhà chế tạo.
Khi phóng diện bằng chế độ 3 giờ hoặc dài hơn, có thể phóng liên tục cho
đến khi Điện thế ở mỗi ngăn giản xuống đến 1,8 vơn. Khi phóng với chế độ 1, 2
giờ, thì ngừng phóng khi Điện thế ở mỗi ngăn xuống đến 1,75 vơn.
Khi phóng với dịng điện nhỏ thì khơng xác định việc kết thúc phóng theo
Điện thế. Trong trường hợp này, việc kết thúc phóng được xác định theo Tỷ trọng
chất điện phân. Việc phóng được kết thúc khi Tỷ trọng giảm đi từ 0,03 đến 0,06
21
Vũ Tiến Dũng – ĐKTĐ 2008-2010
Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển nạp acquy từ năng lượng mặt trời
g/cm3 so với Tỷ trọng ban đầu. (Nhưng cũng không được để Điện thế mỗi ngăn
giảm xuống thấp hơn 1,75 vôn.)
Việc nạp acquy lần sau được tiến hành sau khi phóng thử dung lượng acquy
nhưng khơng được q 12 giờ tính từ lúc ngừng phóng.
Tuỳ theo phương pháp vận hành acquy, thiết bị nạp và thời gian cho phép
nạp, phương pháp nạp, việc nạp có thể được thực hiện theo các cách như sau:
• Nạp với dịng điện khơng đổi.
• Nạp với dịng điện giảm dần.
• Nạp với Điện thế khơng đổi.
• Nạp thay đổi với Điện thế khơng đổi.
Nạp với dịng điện khơng đổi
Đối với acquy chì
Việc nạp có thể tiến hành theo kiểu 1 bước hoặc 2 bước.
a) Nạp kiểu 1 bước:
Để dịng nạp khơng vượt quá 12 % của dung lượng phóng mức 10 giờ tức là
0, 12 x C(10).
b) Nạp kiểu 2 bước:
Bước 1: để dòng điện nạp bằng dòng điện định mức của thiết bị nạp, nhưng
không vượt quá 0,25 x C(10). Khi Điện thế tăng lên đến 2,3 2,4 vơn thì chuyển
sang bước 2.
Bước 2: để dịng điện nạp khơng vượt quá 0,12 C x (10). Đến 2,8 vôn, Tỷ
trọng acquy cuối thời gian nạp, Điện thế acquy đạt đến 2,6 1,210 g/cm3, giữa các
bản cực acquy quá◊Quy tăng lên đến 1,200 trình bốc khí xảy ra mãnh liệt. Việc nạp
22
Vũ Tiến Dũng – ĐKTĐ 2008-2010
Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển nạp acquy từ năng lượng mặt trời
được coi là kết thúc khi Điện thế và Tỷ trọng của acquy ngừng tăng lên trong
khoảng 1 giờ, và các acquy sau khi nghỉ nạp 1 giờ khi nạp lại sẽ sơi ngay tức thì.
Thời gian nạp đối với acquy đã được phóng hồn tồn theo kiểu nạp 1 bước với
dòng 0,12 x C(10) mất khoảng 12 giờ, còn nạp 2 bước với dòng 8 giờ. Ở các giá trị
mà dòng◊0,25 x C(10) và 0,12 x C(10) mất khoảng 7 điện nạp bé hơn thì thời gian
nạp phải tăng lên tương ứng.
Nạp với dòng điện giảm dần
Tiến hành nạp giống như phần trên, nhưng với dòng điện giảm dần, ban đầu
0,25 C(10) và sau đó 0,12 C(10). Ở giá trị dòng nạp nhỏ: thời gian tương ứng được
tăng lên. Dấu hiệu kết thúc nạp cũng giống như trưịng hợp nạp với dịng điện
khơng đổi.
Nạp với Điện thế không đổi
Nạp với Điện thế không đổi được tiến hành với thiết bị nạp làm việc ở 2,35
vôn đối chế độ ổn áp. Điện thế được chọn trong giới hạn từ 2,2 1,55 vôn đối với
acquy Sắt - kền◊với acquy chì - A - xít và 1,5 và được duy trì ổn định trong suốt
quá trình nạp. Thời gian nạp độ vài ngày đêm. Trong 10 giờ nạp đầu tiên, acquy có
thể nhận được tới 80% dung lượng bị mất khi phóng.
Khi Tỷ trọng chất điện phân giữ nguyên trong 10 giờ (đối với acquy chì - A xít) thì có thể kết thúc việc nạp.
Nạp thay đổi với Điện thế không đổi
Việc nạp được tiến hành theo 2 bước:
Bước 1: dòng điện nạp được hạn chế ở 0,25 x C(10), còn Điện ◊thế thay đổi
tăng tự do. Cho đến khi Điện thế acquy tăng lên đến 2,2 1,55 vơn đối với ắc -◊2,35
vơn đối với acquy chì - A - xít và 1,5 Quy Sắt - kền thì chuyển sang bước 2.
23
Vũ Tiến Dũng – ĐKTĐ 2008-2010
Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển nạp acquy từ năng lượng mặt trời
Bước 2: Nạp với Điện thế không đổi. Việc nạp này được tự động hoá bằng
thiết bị nạp có ổn định Điện thế và giới hạn dịng điện
Các chế độ vận hành:
Chế độ nạp thường xuyên
Đối với các loại bình acquy tĩnh, việc vận hành acquy được tiến hành theo
chế độ phụ nạp thường xuyên. acquy được đấu vào thanh cái một chiều song song
với thiết bị nạp. Nhờ vậy, tuổi thọ và độ tin cậy của acquy tăng lên, và chi phí bảo
dưỡng cũng được giảm xuống.
Để bảo đảm chất lượng acquy, trườc khi đưa vào chế độ phụ nạp thường
xuyên phải phóng nạp tập dượt 4 lần. Trong quá trình vận hành acquy ở chế độ phụ
nạp thường xun, acquy khơng cần phóng nạp tập dượt cũng như nạp lại. Trường
hợp sau một thời gian dài làm việc ở chế độ phụ nạp thường xuyên mà thấy chất
lượng acquy bị giảm thì phải thực hiện việc phóng nạp đột xuất.
Ở chế độ phụ nạp thường xuyên, cần duy trì Điện thế trên mỗi bình acquy là
2,2 +/- 0,05 vơn đối với acquy chì - A - xít và 1,5 +/- 0,05 vơn đối với acquy Sắt kền để bù trừ sự tự phóng và duy trì acquy ở trạng thái ln được nạp đầy.
Dịng điện phụ nạp thơng thường được duy trì bằng 50 .. 100 mA cho mỗi
100 AH dung lượng đối với acquy chì - A - xít và bằng 40 .. 60 mA cho mỗi 100
AH dung lượng đối với acquy Sắt - kền. Ở chế độ phụ nạp này, Điện thế trên acquy
phải được duy trì tự động trong khoảng +/- 2 %.
Việc phóng thử dung lượng thực tế của acquy được tiến hành 1.. 2 năm 1 lần
hoặc khi có nghi ngờ dung lượng acquy kém. Dịng điện phóng được giới hạn ở chế
độ mức 3 đến 10 giờ. Để đánh giá chính xác dung lượng phóng của acquy, nên tiến
hành ở cùng 1 chế độ phóng như nhau trong nhiều lần phóng.
Dung lượng quy đổi được tính theo cơng thức:
24
Vũ Tiến Dũng – ĐKTĐ 2008-2010
Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển nạp acquy từ năng lượng mặt trời
C20 = Ct / 1 + ( 0,008 ( t - 20 ) )
Với C20 : dung lượng ở 20°C. Ct : dung lượng ở t°C.
Chế độ phóng nạp xen kẽ
Acquy làm việc ở chế độ nạp phóng là acquy thường xuyên phóng vào 1 phụ
tải nào đó sau khi đã ngưng nạp. Sau khi đã phóng đến 1 giá trị nào đó thì phải nạp
trở lại.
Trường hợp sử dụng acquy khơng nhiều thì mỗi tháng phải tiến hành phụ nạp với
dịng điện khơng đổi, = 0,1 x C(10). Việc xác định tiến trình nạp được kết thúc dựa
theo các điều ghi ở chương 3. Việc nạp lại nhằm loại trừ việc Sun - phát hóa ở các
bản cực. Việc nạp lại tến hành 3 tháng một lần, hoặc khi acquy bị phóng với một
dịng phóng lớn hơn dịng phóng cho phép.
3. Ngun lý bộ nạp năng lượng mặt trời thực hiện
Đầu ra của bộ pin mặt trời có điện áp ra max là 19V và cơng suất ra thay đổi
tùy theo cường độ ánh sáng mặt trời.
Mục đích của bộ nạp năng lượng mặt trời này khác với các bộ nạp đang bán
trên thị trường do đặc điểm cần nạp cho bộ acquy 48V, dùng để sử dụng cho mạch
DC-DC 48-400V phía sau.
Chúng ta cần đưa điện áp thay đổi nhỏ hơn 20,4V 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 :
3.1 Sơ đồ biến đổi DC-DC không cách ly
25
Vũ Tiến Dũng – ĐKTĐ 2008-2010
