Luận văn tốt nghiệp: Mô phỏng thi công hệ thống pin mặt trời nuôi tải DC. Tìm hiểu vận hành hệ thống pin mặt trời độc lập (AA10-121107-Isole)

Chia sẻ: Phan Minh Điền Điền | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:137

Thêm vào BST

Báo xấu

411
lượt xem 170
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung luận văn: giới thiệu về năng lượng mặt trời và hệ thống pin mặt trời, mô phỏng hệ thống pin mặt trời nuôi tải dc bằng chương trình bond-graph, thi công mạch điện và chương trình điều khiển nạp acquy từ pin mặt trời, tìm hiểu vận hành hệ thống pin mặt trời độc lập AA-121107-Isole, kết quả, hướng phát triển của đề tài.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn tốt nghiệp: Mô phỏng thi công hệ thống pin mặt trời nuôi tải DC. Tìm hiểu vận hành hệ thống pin mặt trời độc lập (AA10-121107-Isole)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN THIẾT BỊ ĐIỆN ------------ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP MÔ PHỎNG, THI CÔNG HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI NUÔI TẢI DC. TÌM HIỂU VẬN HÀNH HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI ĐỘC LẬP (AA10-121107_ISOLE). GVHD: PGSTS. NGUYỄN HỮU PHÚC ThS. PHAN QUANG ẤN SVTH: NGÔ MINH AN MSSV: 40200009 TP Hồ Chí Minh, Tháng 6/2008 1
Đại học Quốc Gia TPHCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Đại học Bách Khoa TPHCM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc Khoa Điện – Điện tử NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP SVTH: Ngô Minh An MSSV: 40200009 Lớp: DD02KTD1 Ngành: Kĩ thuật điện Bộ môn: Thiết bị điện 1 - Đề tài: MÔ PHỎNG, THI CÔNG HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI NUÔI TẢI DC. TÌM HIỂU VẬN HÀNH HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI ĐỘC LẬP (AA-121107_ISOLE). 2 - Nhiệm vụ: - Mô phỏng hệ thống pin mặt trời độc lập bằng chương trình Bond-Graph: + Giới thiệu phần mềm 20 SIM (Bond - Graph). + Pin mặt trời (tính toán, cơ sở lý thuyết, mô phỏng). + Mạch biến đổi DC-DC (tính toán, cơ sở lý thuyết, mô phỏng). + Acquy (tính toán, cơ sở lý thuyết, mô phỏng). + Mô phỏng hệ thống. - Thiết kế và thi công mạch nạp acquy trong hệ thống pin mặt trời. - Tìm hiểu vận hành hệ thống pin mặt trời độc lập (AA-121107_ISOLE). 3 – Ngày nhận đề tài luận văn: 03-03-2008. 4 – Ngày hoàn thành luận văn: 22-06-2008. 5 - Giáo viên hướng dẫn : Phần hướng dẫn: 1. NGUYỄN HỮU PHÚC 50% 2. PHAN QUANG ẤN 50% Nội dung và yêu cầu LATN đã được thông qua Bộ môn. Ngày……. tháng…….năm 2008 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN (ký và ghi rõ họ tên) (ký và ghi rõ họ tên) 2
LỜI CẢM ƠN Kính thưa quý thầy cô! Em xin được gửi lời cám ơn chân thành đến Ban Giám Hiệu và các thầy cô trong trường, đặc biệt là các thầy cô trong khoa Điện- Điện tử trường Đại học Bách Khoa TPHCM, đã tận tình chỉ dạy, truyền đạt kiến thức cũng như tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình học tập vừa qua. Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Hữu Phúc và thầy Phan Quang Ấn đã dành nhiều thời gian, công sức, quan tâm theo dõi, tận tình hướng dẫn, động viên và nhắc nhở em hoàn thành tốt luận văn này. Qua đây, em cũng xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các bạn bè và người thân xung quanh đã động viên, giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình học tập. TP.HCM, tháng 6 / 2008 Sinh viên NGÔ MINH AN 3
TÓM TẮT LUẬN VĂN. Năng lượng mặt trời cũng như nhiều nguồn năng lượng mới khác như năng lượng gió, năng lượng thủy triều…, tuy không còn là đề tài mới đối với thế giới nhưng đối với Việt Nam vấn đề này gần đây mới được quan tâm. Luận văn “MÔ PHỎNG, THI CÔNG HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI NUÔI TẢI DC , TÌM HIỂU VẬN HÀNH HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI ĐỘC LẬP” là một đề tài chỉ nghiên cứu một mảng nhỏ trong hệ thống pin mặt trời, đó là phần nuôi tải DC. Luận văn gồm 2 phần chính: - Phần mô phỏng : mô phỏng hệ thống pin mặt trời nuôi tải DC bằng chương trình Bond-Graph gồm có: mô phỏng tấm pin mặt trời, mô phỏng bộ biến đổi DC-DC, mô phỏng Acquy và mô phỏng hệ thống gồm 3 phần trên. - Phần thi công: thiết kế và thi công mạch nạp cho acquy và cung cấp cho phụ tải từ nguồn pin mặt trời. Mạch điện có hai phần chính là mạch điều khiển dùng PIC 18F8722 và mạch biến đổi DC-DC (Cuk converter). Nội dung luận văn gồm 5 chương: Chương 1: GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI. Chương 2: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI NUÔI TẢI DC BẰNG CHƯƠNG TRÌNH BOND-GRAPH. Chương 3: THI CÔNG MẠCH ĐIỆN VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN NẠP ACQUY TỪ PIN MẶT TRỜI. Chương 4: TÌM HIỂU VẬN HÀNH HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI ĐỘC LẬP AA-121107_ISOLE . Chương 5: KẾT QUẢ, HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI. Trong luận văn này tôi đã cố gắng đưa vào nội dung những phần lý thuyết quan trọng về hệ thống pin mặt trời. Đặc biệt là phần mô phỏng trong chương 2, nội dung giới thiệu về một công cụ mô phỏng mới, đó là chương trình 20Sim. Qua đây tôi không chỉ muốn giới thiệu về mô phỏng pin mặt trời mà còn mong muốn người đọc xem như đây là một ví dụ để tìm hiểu về chương trình mô phỏng này. Phần mạch điện chưa thật sự hoàn thiện nhưng những ai quan tâm đến vi điều khiển PIC, các mạch hồi tiếp dòng áp, mạch Cuk và mạch nguồn cách ly đều có thể lấy đây làm ví dụ để tham khảo. Mặc dù là kết quả tâm huyết của gần 3 tháng làm việc nhưng cũng không tránh được những sai xót, xin quý thầy cô và các bạn đóng góp ý kiến. Rất tiếc tôi đã không có đủ thời gian và khả năng để theo đuổi đến cùng đề tài này, mong các bạn khóa sau phát triển và hoàn thiện hơn nữa. Xin đừng nghĩ đây chỉ là một luận văn, hãy nghĩ đến một ngày có một sản phẩm hệ thống pin mặt trời mang thương hiệu Việt Nam. 4
MỤC LỤC Đề mục: Trang bìa......................................................................................................................................i Nhiệm vụ luận văn Lời cảm ơn..................................................................................................................................ii Tóm tắt luận văn ........................................................................................................................iii Mục lục ......................................................................................................................................iv Danh sách bảng và hình vẽ ........................................................................................................vi CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI........................................................................................................................................... 1 1.1 Mặt trời và nguồn bức xạ Mặt trời ........................................................................1 1.2 Ứng dụng của năng lượng Mặt trời.......................................................................4 1.3 Pin mặt trời, cấu tạo và nguyên lý hoạt động…………………………………………...6 1.3.1 Cấu tạo.................................................................................................................... 7 1.3.2 Nguyên lý hoạt động .......................................................................................... 10 1.4 Hệ thống pin mặt trời …………………………………………………………………13 1.4.1 Thiết kế một hệ thống pin mặt trời ................................................................... 14 1.4.2 Ứng dụng của pin mặt trời ................................................................................. 16 CHƯƠNG 2: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI NUÔI TẢI DC BẰNG CHƯƠNG TRÌNH BOND-GRAPH........................................................................................................... 18 2.1 Giới thiệu chương trình Bond-Graph..................................................................18 2.1.1 Giao diện và các công cụ cơ bản………………………………………….19 2.1.2 Một số mô hình cơ bản của chương trình Bond Graph…………………..23 2.1.3 Một số quy tắc xây dựng mô hình mạch điện trên Bond-Graph…………25 2.1.4 Các quy ước biểu diễn đường liên kết .............................................................. 26 2.2 Mô phỏng pin mặt trời ........................................................................................28 2.2.1 Sơ đồ tương đương của pin mặt trời ................................................................. 28 2.2.2 Dòng ngắn mạch Isc............................................................................................... 29 2.2.3 Điện áp hở mạch VOC ........................................................................................ 29 2.2.4 Mạch điện tương đương chính xác ................................................................... 31 2.2.5 Tấm pin mặt trời.................................................................................................. 34 2.2.6 Điểm công suất cực đại MPP ............................................................................ 36 2.2.7 Hệ số lấp đầy và hiệu suất của pin mặt trời ..................................................... 38 2.2.8 Mô phỏng pin mặt trời........................................................................................ 38 2.3 Mạch biến đổi DC-DC ........................................................................................42 2.3.1 Mạch Cuk converter ........................................................................................... 42 2.3.2 Tính thông số chi tiết mạch Cuk ....................................................................... 44 2.3.3 Mô phỏng mạch Cuk bằng chương trình Bond-Graph................................... 46 2.4 Acquy ..................................................................................................................48 2.4.1 Giới thiệu về Acquy............................................................................................ 48 2.4.2 Các phương pháp phóng và nạp Acquy ........................................................... 50 5
2.4.3 Các chế độ vận hành ........................................................................................... 51 2.4.4 Mô hình Bond Graph của Acquy ...................................................................... 51 2.5 Mô phỏng mạch nạp Acquy trong hệ thống pin mặt trời độc lập .......................53 CHƯƠNG 3: THI CÔNG MẠCH ĐIỆN VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN NẠP ACQUY TỪ PIN MẶT TRỜI .............................................................................................. 57 3.1 Thi công mạch nạp Acquy từ nguồn pin mặt trời ...............................................57 3.1.1 Mạch điều khiển .................................................................................................. 58 3.1.2 Mạch Cuk converter ........................................................................................... 61 3.1.3 Các mạch hồi tiếp dòng áp................................................................................. 63 3.1.4 Các mạch nguồn .................................................................................................. 67 3.2 Chương trình điều khiển .....................................................................................71 CHƯƠNG 4: TÌM HIỂU VẬN HÀNH HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI ĐỘC LẬP AA-121107_ISOLE ………………………………………………………………………..74 4.1 Giới thiệu về hệ thống pin mặt trời độc lập AA10-121107_ISOLE...................74 4.2 Vận hành hệ thống pin mặt trời độc lập AA10-121107_ISOLE ........................84 4.2.1 Trình tự vận hành tủ điều khiển ........................................................................ 85 4.2.2 Giới thiệu về bộ điều khiển BP-GM ................................................................. 86 4.2.3 Vận hành bằng Datapex ..................................................................................... 94 Chương 5: KẾT QUẢ, HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ............................................ 106 5.1 Kết quả: .............................................................................................................106 5.1.1 Kết quả khảo sát pin mặt trời........................................................................... 106 5.1.2 Kết quả phần thi công mạch ............................................................................ 110 5.2 Nhận xét ............................................................................................................112 5.3 Hướng phát triển ...............................................................................................112 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................... 114 PHỤ LỤC : DATASHEET CỦA PIC 18F8722..................................................................... 115 6
DANH SÁCH BẢNG VÀ HÌNH ẢNH. Bảng 4.1 Thông số của tấm pin mặt trời. Bảng 4.2 Thông số Acquy. Bảng 4.3 Tính chất và chức năng của thiết bị. Bảng 4.4 Thông số bộ nghịch lưu. Bảng 4.5: Các kí hiệu hiển thị trên màn hình BP –GM. Bảng 4.6 Các menu chính trong BP-GM. Bảng 5.1 Kết quả khảo sát lần 1(10h, ngày 29/5/08). Bảng 5.2 Kết quả khảo sát lần 2(10h 30’, ngày 29/5/08). Bảng 5.3 Kết quả khảo sát lần 3(11h, ngày 29/5/08). Bảng 5.4 Kết quả khảo sát lần 4(11h 30’, ngày 29/5/08). Bảng 5.5 Kết quả khảo sát lần 5(12h, ngày 29/5/08). Bảng 5.6 Kết quả khảo sát lần 6(12h 30’, ngày 29/5/08). Hình 1.1 Cấu trúc của mặt trời. Hình 1.2 Dải bức xạ điện từ. Hình 1.3 Các tuốc bin gió phát điện nhờ sức gió và thủy triều, tận thu một cách gián tiếp năng lượng Mặt Trời. Hình 1.4 Nhà máy điện mặt trời. Hình 1.5 Một cell pin mặt trời. Hình 1.6 Cấu tạo của pin mặt trời. Hình 1.7 Các loại cấu trúc tinh thể của pin mặt trời. Hình 1.8 Một số loại panel pin mặt trời. Hình 1.9 Quá trình tạo một panel pin mặt trời. Hình 1.10 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời. Hình 1.11 Hệ thống 2 mức năng lượng trong đó E1 < E2. Hình 1.12 Các vùng năng lượng. Hình 1.13 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời. Hình 1.14 Sơ đồ khối hệ thống pin mặt trời độc lập. Hình 1.15 Sơ đồ khối hệ thống pin mặt trời. Hình 1.16 Bộ Acquy của hãng KesslerSun. Hình 1.17 Bộ điều khiển. Hình 1.18 Inverter của Sunny Boy. Hình 1.19 Trạm vũ trụ ISS. Hình 1.20 Robot tự hành trên sao hỏa và vệ tinh nhân tạo. Hình 1.21 Pin mặt trời được ứng dụng tại các hộ gia đình và trong nông nghiệp. Hình 2.1 Chương trình mô phỏng 20-SIM. 7
Hình 2.2 Cửa sổ 20-Sim Editor. Hình 2.3 Cửa sổ Editor với mô hình Central Heating System. Hình 2.4 Cửa sổ Icon Editor. Hình 2.5 Cửa sổ Type Editor. Hình 2.6 Cửa sổ mô phỏng. Hình 2.7 Cửa sổ Parameter/Initial Values Editor. Hình 2.8 Cửa sổ Variable Chooser. Hình 2.9 Cửa sổ Run Properties. Hình 2.10 Cửa sổ Plot Properties. Hình 2.11 Sơ đồ mạch điện cần được mô phỏng và mô hình chưa được rút gọn. Hình 2.12 Cách biểu diễn thứ hai của ví dụ trên. Hình 2.13 Ví dụ một nguồn pin cấp cho tải. Hình 2.14 Sơ đồ tương đương của pin mặt trời. Hình 2.15 Sơ đồ tương đương đơn giản của pin mặt trời gồm một nguồn dòng mắc song song với một diode lý tưởng. Hình 2.16 Đồ thị V-A của pin mặt trời. Hình 2.17 Đồ thị V-A của ví dụ trên. Hình 2.18 Mô hình đơn giản với một pin bị khuất sáng. Hình 2.19 Sơ đồ tương đương đơn giản với Rsh mắc song song. Hình 2.20 Đồ thị V-A của sơ đồ tương đương có Rsh mắc song song. Hình 2.21 Sơ đồ tương đương đơn giản với Rs mắc nối tiếp. Hình 2.22 Đồ thị V – A của mạch điện tương đương có Rs mắc nối tiếp. Hình 2.23 Sơ đồ tương đương gồm Rsh và Rs. Hình 2.24 Đồ thị V – A của sơ đồ tương đương trên với Rsh = 1Ω, Rs = 0,05Ω. Hình 2.25 Mắc nối tiếp hoặc song song các pin mặt trời tạo thành tấm hay kết nối các tấm pin lại tạo thành mảng để đạt công suất cao hơn. Hình 2.26 Đồ thị V - A của một tấm pin mặt trời. Hình 2.27 Khi mắc nối tiếp các tấm pin mặt trời, dòng ngắn mạch của hệ thống sẽ bằng dòng ngắn mạch của một tấm, áp hở mạch của hệ thống bằng tổng áp hở mạch của tất cả tấm pin mặt trời trong hệ thống. Hình 2.28 Khi mắc song song các tấm pin mặt trời, dòng ngắn mạch của hệ thống sẽ bằng tổng dòng ngắn mạch của tất cả tấm pin mặt trời trong hệ thống, áp hở mạch của hệ thống bằng áp hở mạch của một tấm. Hình 2.29 Pin mặt trời khi hở mạch, ngắn mạch và mắc với tải. Hình 2.30 Đồ thị V – A và đồ thị công suất của pin mặt trời. Hình 2.31 Xác định điểm MPP. Hình 2.32 Mô hình Bond-Graph của pin mặt trời. Hình 2.33 Mô hình nguồn dòng và tải. 8
Hình 2.34 Đặc tuyến V-A của pin mặt trời. Hình 2.35 Đường đặc tuyến V-A, đồ thị công suất và điểm cực đại công suất MPP. Hình 2.36 Đồ thị V – A với sự thay đổi của cường độ ánh sáng. Hình 2.37 Đặc tuyến V – A dưới sự thay đổi của nhiệt độ. Hình 2.38 Đồ thị V – A khi mắc nối tiếp các pin lại với nhau. Hình 2.39 Đồ thị V – A khi các pin được mắc song song. Hình 2.40 Sơ đồ mạch sạc acquy từ hệ thống pin mặt trời dùng mạch Cuk Converter. Hình 2.41 Sơ đồ mạch nguyên lý. Hình 2.42 Sơ đồ tương đương của mạch Cuk khi Q dẫn. Hình 2.43 Sơ đồ tương đương của mạch Cuk khi Q ngắt. Hình 2.44 Khảo sát chế độ dòng tải liên tục. Hình 2.45 Sơ đồ nguyên lý mạch Cuk. Hình 2.46 Sơ đồ Bond Graph của mạch Cuk Converter. Hình 2.47 Đồ thị Vin, Vout của mạch Cuk converter. Hình 2.48 Đồ thị Iin, Iout của mạch Cuk converter. Hình 2.49 Cấu tạo của Acquy chì. Hình 2.50 Sơ đồ tương đương của Acquy. Hình 2.51 Mô hình Bond Graph của Acquy. Hình 2.52 Đồ thị điện áp và dòng điện của Acquy khi nối tải 30Ω. Hình 2.53 Đồ thị điện áp và dòng điện của Acquy khi nạp từ nguồn 30V. Hình 2.54 Sơ đồ nguyên lý mạch nạp acquy từ pin mặt trời. Hình 2.55 Sơ đồ chu trình hoạt động của mạch. Hình 2.56 Chu trình kín của dòng IL2. Hình 2.57 Sơ đồ khái quát chu trình điện áp. Hình 2.58 Sơ đồ điều khiển vòng kín mạch nạp Acquy. Hình 2.59 Mô hình Bond Graph mạch nạp acquy từ hệ thống pin mặt trời. Hình 3.1 Mô hình hệ thống. Hình 3.2 Sơ đồ khối mạch điện. Hình 3.3 Sơ đồ chân của PIC 18F8722. Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển. Hình 3.5 Mạch chỉnh điện áp chuẩn cho bộ ADC. Hình 3.6 Mạch giao tiếp máy tính dùng MAX232. Hình 3.7 Sơ đồ chân MAX232. Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý mạch Cuk converter. Hình 3.9 Sơ đồ chân của FGA25N120 ANTD. 9
Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý mạch kích IGBT. Hình 3.11 Sơ đồ chân HCPL 2231. Hình 3.12 Sơ đồ chân HEF40106BP. Hình 3.13 Sơ đồ chân của OP07. Hình 3.14 Sơ đồ nguyên lý mạch hồi tiếp áp ngõ vào. Hình 3.15 Sơ đồ chân LM393. Hình 3.16 Sơ đồ nguyên lý mạch hồi tiếp áp ngõ ra. Hình 3.17 Cảm biến dòng LTS25-NP. Hình 3.18 Sơ đồ chân của LTS25-NP. Hình 3.19 Sơ đồ nguyên lý mạch hồi tiếp dòng ngõ vào. Hình 3.20 Mạch hồi tiếp dòng ngõ ra. Hình 3.21 Mạch nguồn DC 5V. Hình 3.22 Sơ đồ chân của 205S24FR. Hình 3.23 Sơ đồ mạch nguồn DC 12V. Hình 3.24 Sơ đồ mạch nguồn DC ±15V. Hình 3.25 Sơ đồ chân của B688. Hình 3.26 Sơ đồ chân của LM78XX Hình 3.27 Sơ đồ chân 0515. Hình 3.28 Mạch điện sau khi hoàn thành. Hình 3.29 Giao diện chương trình MPLAB. Hình 3.30 Giao diện chương trình WinPic800. Hình 3.31 Lưu đồ giải thuật. Hình 3.32 Chương trình điều khiển giao tiếp với máy tính. Hình 4.1 Sơ đồ khối hệ thống pin mặt trời độc lập AA10 – 121107_Isole. Hình 4.2 Tủ điện hệ thống pin mặt trời độc lập. Hình 4.3 Hệ thống pin mặt trời độc lập AA10 – 121107_ISOLE. Hình 4.4 Acquy dùng trong hệ thống. Hình 4.5 Bộ biến tần sử dụng trong hệ thống. Hình 4.6 Sơ đồ đấu dây của tủ điều khiển. Hình 4.7 Sơ đồ đấu dây bộ BP controller. Hình 4.8 Bộ điều khiển BP-GM. Hình 4.9 Giao diện đầu tiên của BP –GM. Hình 4.10 Giao diện menu A. Hình 4.11 Giao diện menu C. Hình 4.12 Giao diện menu D. Hình 4.13 Giao diện menu E. Hình 4.14 Giao diện menu F. 10
Hình 4.14 Giao diện menu F. Hình 4.16 Đăng nhập và chọn đường dẫn. Hình 4.17 Cửa sổ làm việc chính. Hình 4.18 Nhập site number, site name, địa chỉ, số điện thoại, ngày tháng năm. Hình 4.19 Nhập các thông số kĩ thuật của acquy. Hình 4.20 Chọn thiết bị,nhập số seri của BP- GM. Hình 4.21 Pin quang điện, acquy, tải, BP-GM kết nối. Hình 4.22 Chọn cổng kết nối. Hình 4.23 Chọn tốc độ bauds. Hình 4.24 Kết nối BP-GM. Hình 4.25 Kết nối thành công. Hình 4.26 Các giá trị Ip1, P, Iu1, P của pin và tải. Hình 4.27 Ngắt khóa S3, S7. Hình 4.28 Chọn kiểu điện áp acquy, ngày giờ. Hình 4.29 Chọn kiểu acquy S3, S7. Hình 4.30 Chọn giá trị dòng I1, I3. Hình 4.31 Xem cài đặt BP-GM. Hình 4.32. Chọn ngày giờ bắt đầu và kết thúc vận hành. Hình 4.33. Kết nối dữ liệu. Hình 4.34 Chọn ngày, tháng, năm hiển thị. Hình 4.35 Đồ thị điện áp acquy. Hình 4.36 Đồ thị dòng điện của pin quang điện. Hình 4.37 Đồ thị dòng điện pin quang điện và tải. Hình 4.38 Đồ thị dòng nạp, dòng phóng điện, dòng bão hòa của acquy. Hình 5.1 Đồ thị V – A khảo sát lần 1. Hình 5.2 Đồ thị V – A khảo sát lần 2. Hình 5.3 Đồ thị V – A khảo sát lần 3. Hình 5.4 Đồ thị V – A khảo sát lần 4. Hình 5.5 Đồ thị V – A khảo sát lần 5. Hình 5.6 Đồ thị V – A khảo sát lần 6. Hình 5.7 Mạch nạp Acquy sau khi hoàn thiện. Hình 5.8 Tín hiệu kích IGBT sau khi qua bộ đệm. Hình 5.9 Áp trên cuộn cảm L1. Hình 5.10 Áp trên cuộn cảm L2. Hình 5.11 Điện áp ngõ ra trên tụ C2. Hình 5.12 Điện áp trên tụ C1. 11
Chương 1: GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI. 1.1 Mặt trời và nguồn bức xạ Mặt trời : Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1,390.106km (lớn hơn 110 lần đường kính trái đất), cách xa trái đất 150.106km (bằng một đơn vị thiên văn AU ánh sáng mặt trời cần khoảng 8 phút để vượt qua khoảng này đến trái đất). Khối lượng mặt trời khoảng Mo = 2.1030kg. Nhiệt độ T ở trung tâm mặt trời thay đổi trong khoảng từ 10.106K đến 20.106K, trung bình khoảng 15600000 K. Ở nhiệt độ như vậy vật chất không thể giữ được cấu trúc trật tự thông thường gồm các nguyên tử và phân tử. Nó trở thành plasma trong đó các hạt nhân của nguyên tử chuyển động tách biệt với các electron. Khi các hạt nhân tự do có va chạm với nhau sẽ xuất hiện những vụ nổ nhiệt hạch. Khi quan sát tính chất của vật chất nguội hơn trên bề mặt nhìn thấy được của mặt trời, các nhà khoa học đã kết luận rằng có phản ứng nhiệt hạch xảy ra ở trong lòng mặt trời. Mặt Trời không có ranh giới rõ ràng như ở các hành tinh có đất đá. Ngược lại, mật độ các khí giảm dần xuống theo quan hệ số mũ theo khoảng cách tính từ tâm Mặt Trời. Bán kính của Mặt Trời được đo từ tâm tới phần rìa ngoài của quang quyển. Hình 1.1 Cấu trúc của mặt trời. Nhiệt độ To tại trung tâm mặt trời thay đổi trong khoảng từ 10.106K đến 20.106K, trung bình khoảng 15600000 K. Ở nhiệt độ như vậy vật chất không thể giữ được cấu trúc trật tự thông thường gồm các nguyên tử và phân tử. Nó trở thành plasma trong đó các hạt nhân của nguyên tử chuyển động tách biệt với các electron. Khi các hạt nhân tự do có va chạm với nhau sẽ xuất hiện những vụ nổ nhiệt hạch. Khi quan sát tính chất của vật chất nguội hơn trên bề mặt nhìn thấy được của mặt trời, các nhà khoa học đã kết luận rằng có phản ứng nhiệt hạch xảy ra ở trong lòng mặt trời. 12
Về cấu trúc, mặt trời có thể chia làm 4 vùng, tất cả hợp thành một khối cầu khí khổng lồ. Vùng giữa gọi là nhân hay “lõi” có những chuyển động đối lưu, nơi xảy ra những phản ứng nhiệt hạt nhân tạo nên nguồn năng lượng mặt trời, vùng này có bán kính khoảng 175.000km, khối lượng riêng 160kg/dm3, nhiệt độ ước tính từ 14 đến 20 triệu độ, áp suất vào khoảng hàng trăm tỷ atmotphe. Vùng kế tiếp là vùng trung gian còn gọi là vùng “đổi ngược” qua đó năng lượng truyền từ trong ra ngoài, vật chất ở vùng này gồm có sắt (Fe), can xi (Ca), nát ri (Na), stronti (Sr), crôm (Cr), kền (Ni), cácbon ( C), silíc (Si) và các khí như hiđrô (H2), hêli (He), chiều dày vùng này khoảng 400.000km. Tiếp theo là vùng “đối lưu” dày 125.000km và vùng “quang cầu” có nhiệt độ khoảng 6000K, dày 1000km ở vùng này gồm các bọt khí sôi sục, có chỗ tạo ra các vết đen, là các hố xoáy có nhiệt độ thấp khoảng 4500K và các tai lửa có nhiệt độ từ 7000K -10000K. Vùng ngoài cùng là vùng bất định và gọi là “khí quyển” của mặt trời. Ánh sáng nói riêng, hay bức xạ điện từ nói chung, từ bề mặt của Mặt Trời được xem là nguồn năng lượng chính cho Trái Đất. Hằng số năng lượng mặt trời được tính bằng công suất của lượng bức xạ trực tiếp chiếu trên một đơn vị diện tích bề mặt Trái Đất, bằng khoảng 1370 W/m2. Ánh sáng Mặt Trời bị hấp thụ một phần trên bầu khí quyển Trái Đất, nên một phần nhỏ hơn tới được bề mặt Trái Đất, gần 1000 W/m² năng lượng Mặt Trời tới Trái Đất trong điều kiện trời quang đãng. Năng lượng này có thể dùng vào các quá trình tự nhiên hay nhân tạo. Quá trình quang hợp trong cây sử dụng ánh sáng mặt trời và chuyển đổi CO2 thành ôxy và hợp chất hữu cơ, trong khi nguồn nhiệt trực tiếp là làm nóng các bình đun nước dùng năng lượng Mặt Trời, hay chuyển thành điện năng bằng các pin năng lượng Mặt Trời. Năng lượng dự trữ trong dầu mỏ được giả định rằng là nguồn năng lượng của Mặt Trời được chuyển đổi từ xa xưa trong quá trình quang hợp và phản ứng hóa sinh của sinh vật cổ. Trong toàn bộ bức xạ của Mặt trời, bức xạ liên quan trực tiếp đến các phản ứng hạt nhân xảy ra trong Mặt trời không quá 3%. Bức xạ γ ban đầu khi đi qua 5.105 km chiều dầy của lớp vật chất Mặt trời của biến đổi rất mạnh. Tất cả các dạng của bức xạ điện từ đều có bản chất sóng và chúng khác nhau ở bước sóng. Bức xạ γ là sóng ngắn nhất trong các sóng đó, tứ tâm Mặt trời đi ra cho sự va chạm hoặc tán xạ mà năng lượng của chúng giảm đi và bây giờ chúng ứng với bức xạ có bước sóng dài. Như vậy bức xạ chuyển thành bức xạ Rơnghen có bước sóng dài hơn. Gần đến bề mặt Mặt trời nơi có nhiệt độ đủ thấp để có thể tồn tại vật chất trong trạng thái nguyên tử và các cơ chế khác bắt đầu xảy ra. 13
Hình 1.2 Dải bức xạ điện từ. Đặc trưng của bức xạ Mặt trời truyền trong không gian bên ngoài Mặt trời là một phổ rộng trong đó cực đại của cường độ bức xạ nằm trong dải 10-1 – 10 µm và hầu như một nửa tổng năng lượng Mặt trời tập trung trong khoảng bước sóng 0,38 – 0,78 µm đó là vùng nhìn thấy của phổ. Chùm tia truyền thẳng từ Mặt trời gọi là bức xạ trực xạ.Tổng hợp các tia trực xạ và tán xạ gọi là tổng xạ. Mật độ dòng bức xạ trực xạ ở ngoài lớp khí quyển, tính đối với 1m2 bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ, được tính theo công thức: q = ϕD-T.C0(T/100)4 (1.1) Trong đó: ϕD-T : hệ số góc bức xạ giửa Trái đất và Mặt trời. ϕD-T = β2/4 (1.2) β : góc nhìn mặt trời, β 32’ C0 = 5,67 W/m2.K4 – hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối. T 57620K – nhiệt độ bề mặt Mặt trời. ⇒q 1353 W/m2. Do khoảng cách giửa Trái đất và Mặt trời thay đổi theo mùa trong năm nên β cũng thay đổi, do đó q cũng thay đổi nhưng độ thay đổi không lớn lắm nên có thể xem q là không đổi và được gọi là hằng số Mặt trời. Khi truyền qua lớp khí quyển bao bọc quanh Trái đất, các chùm tia bức xạ bị hấp thụ và tán xạ ở tầng ozon, hơi nước và bụi trong khí quyển, chỉ một phần năng lượng được truyền trực tiếp đến Trái đất.Toàn bộ bức xạ tử ngoại được sử dụng để duy trì quá trình phân ly và hợp nhất của O,O2 và O3 đó là quá trình ổn định. Do quá trình này, khi đi qua khí quyển, bức xạ tử ngoại biến đổi thành bức xạ với năng lượng nhỏ hơn. Các bức xạ với bước sóng ứng với các vùng nhìn thấy và vùng hồng ngoại của phổ tương tác với các phân tử khí và các hạt bụi của không khí nhưng không phá vỡ 14
các liên kết của chúng, khi đó các photon bị tán xạ khá đều theo mọi hướng và một số photon quay trở lại không gian vũ trụ. Bức xạ chịu dạng tán xạ đó chủ yếu là bức xạ có bước sóng ngắn nhất. Sau khi phản xạ từ các phần khác nhau của khí quyển bức xạ tán xạ đi đến chúng ta mang theo màu xanh lam của bầu trời trong sáng và có thể quan sát được ở những độ cao không lớn. Các giọt nước cũng tán xạ rất mạnh bức xạ mặt trời. Bức xạ mặt trời khi đi qua khí quyển còn gặp một trở ngại đáng kể nữa đó là do sự hấp thụ của các phần tử hơi nước, khí cacbônic và các hợp chất khác, mức độ của sự hấp thụ này phụ thuộc vào bước sóng, mạnh nhất ở khoảng giữa vùng hồng ngoại của phổ. Phần năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới bề mặt trái đất trong những ngày quang đãng (không có mây) ở thời điểm cao nhất vào khoảng 1000W/m2. 1.2 Ứng dụng của năng lượng Mặt trời: Đối với cuộc sống của loài người, năng lượng Mặt Trời là một nguồn năng lượng tái tạo quý báu. Có thể trực tiếp thu lấy năng lượng này thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển năng lượng các photon của Mặt Trời thành điện năng, như trong pin Mặt Trời. Năng lượng của các photon cũng có thể được hấp thụ để làm nóng các vật thể, tức là chuyển thành nhiệt năng, sử dụng cho bình đun nước Mặt Trời, hoặc làm sôi nước trong các máy nhiệt điện của tháp Mặt Trời, hoặc vận động các hệ thống nhiệt như máy điều hòa Mặt Trời. Năng lượng của các photon có thể được hấp thụ và chuyển hóa thành năng lượng trong các liên kết hóa học của các phản ứng quang hóa. Một phản ứng quang hóa tự nhiên là quá trình quang hợp. Quá trình này được cho là đã từng dự trữ năng lượng Mặt Trời vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch không tái sinh mà các nền công nghiệp của thế kỷ 19 đến 21 đã và đang tận dụng. Nó cũng là quá trình cung cấp năng lượng cho mọi hoạt động sinh học tự nhiên, cho sức kéo gia súc và củi đốt, những nguồn năng lượng sinh học tái tạo truyền thống. Trong tương lai, quá trình này có thể giúp tạo ra nguồn năng lượng tái tạo ở nhiên liệu sinh học, như các nhiên liệu lỏng (diesel sinh học, nhiên liệu từ dầu thực vật), khí (khí đốt sinh học) hay rắn. Năng lượng Mặt Trời cũng được hấp thụ bởi thủy quyển Trái Đất và khí quyển Trái Đất để sinh ra các hiện tượng khí tượng học chứa các dạng dự trữ năng lượng có thể khai thác được. Trái Đất, trong mô hình năng lượng này, gần giống bình đun nước của những động cơ nhiệt đầu tiên, chuyển hóa nhiệt năng hấp thụ từ photon của Mặt Trời, thành động năng của các dòng chảy của nước, hơi nước và không khí, và thay đổi tính chất hóa học và vật lý của các dòng chảy này. Thế năng của nước mưa có thể được dự trữ tại các đập nước và chạy máy phát điện của các công trình thủy điện. Một dạng tận dụng năng lượng dòng chảy sông suối 15
có trước khi thủy điện ra đời là cối xay nước. Dòng chảy của biển cũng có thể làm chuyển động máy phát của nhà máy điện dùng dòng chảy của biển. Hình 1.3 Các tuốc bin gió phát điện nhờ sức gió và thủy triều, tận thu một cách gián tiếp năng lượng Mặt Trời. Dòng chảy của không khí, hay gió, có thể sinh ra điện khi làm quay tuốc bin gió. Trước khi máy phát điện dùng năng lượng gió ra đời, cối xay gió đã được ứng dụng để xay ngũ cốc. Năng lượng gió cũng gây ra chuyển động sóng trên mặt biển. Chuyển động này có thể được tận dụng trong các nhà máy điện dùng sóng biển. Đại dương trên Trái Đất có nhiệt dung riêng lớn hơn không khí và do đó thay đổi nhiệt độ chậm hơn không khí khi hấp thụ cùng nhiệt lượng của Mặt Trời. Đại dương nóng hơn không khí vào ban đêm và lạnh hơn không khí vào ban ngày. Sự chênh lệch nhiệt độ này có thể được khai thác để chạy các động cơ nhiệt trong các nhà máy điện dùng nhiệt lượng của biển. Khi nhiệt năng hấp thụ từ photon của Mặt Trời làm bốc hơi nước biển, một phần năng lượng đó đã được dự trữ trong việc tách muối ra khỏi nước mặn của biển. Nhà máy điện dùng phản ứng nước ngọt - nước mặn thu lại phần năng lượng này khi đưa nước ngọt của dòng sông trở về biển. Hình 1.4 Nhà máy điện mặt trời. Điện năng còn có thể tạo ra từ năng lượng mặt trời dựa trên nguyên tắc tạo nhiệt độ cao bằng một hệ thống gương phản chiếu và hội tụ để gia nhiệt cho môi chất làm việc truyền động cho máy phát điện. 16
Hiện nay trong các nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời có các loại hệ thống bộ thu chủ yếu sau đây: Hệ thống dùng parabol trụ để tập trung tia bức xạ mặt trời vào một ống môi chất đặt dọc theo đường hội tụ của bộ thu, nhiệt độ có thể đạt tới 400oC. Hệ thống nhận nhiệt trung tâm bằng cách sử dụng các gương phản xạ có định vị theo phương mặt trời để tập trung năng lượng mặt trời đến bộ thu đặt trên đỉnh tháp cao, nhiệt độ có thể đạt tới trên 1500oC. Trong thời đại khoa học kỹ thuật phát triển, nhu cầu về năng lượng ngày càng tăng. Trong khi đó các nguồn nhiên liệu dự trữ như than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên và ngay cả thủy điện thì có hạn khiến cho nhân loại đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng. Việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng mới như năng lượng hạt nhân, năng lượng địa nhiệt, năng lượng gió và năng lượng mặt trời là một trong những hướng quan trọng trong kế hoạch phát triển năng lượng, không những đối với những nước phát triển mà ngay cả với những nước đang phát triển. Năng lượng mặt trời - nguồn năng lượng sạch và tiềm tàng nhất - đang được loài người thực sự đặc biệt quan tâm. Do đó việc nghiên cứu nâng cao hiệu quả các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời và triển khai ứng dụng chúng vào thực tế là vấn đề có tính thời sự. Việt Nam là nước có tiềm năng về năng lượng mặt trời, trải dài từ vĩ độ 8” Bắc đến 23” Bắc, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao, với trị số tổng xạ khá lớn từ 100-175 kcal/cm2.năm (4,2 -7,3GJ/m2.năm) do đó việc sử dụng năng lượng mặt trời ở nước ta sẽ đem lại hiệu quả kinh tế rất lớn. 1.3 Pin mặt trời, cấu tạo và nguyên lý hoạt động : Pin năng lượng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện), là thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các diod p-n, duới sự hiện diện của ánh sáng mặt trời có khả năng tạo ra dòng điện sử dụng được. Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện. Các pin năng lượng mặt trời có nhiều ứng dụng. Chúng đặc biệt thích hợp cho các vùng mà điện năng trong mạng lưới chưa vươn tới, các vệ tinh quay xung quanh quỹ đạo trái đất, máy tính cầm tay, các máy từ xa, thiết bị bơm nước... Pin năng lượng mặt trời (tạo thành các module hay các tấm năng lượng mặt trời) xuất hiện trên nóc các tòa nhà nơi chúng có thể kết nối với bộ chuyển đổi của mạng lưới điện. 17
Hình 1.5 Một cell pin mặt trời. Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel. Tuy nhiên cho đến 1883 một pin năng lượng mới được chế tạo thành công, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối. Russell Ohl được xem là người tạo ra pin năng lượng mặt trời đầu tiên năm 1946 tuy nhiên nó chỉ có hiệu suất 1%. Pin mặt trời lần đầu tiên được ứng dụng là trên vệ tinh Vangaurd 1 của Mĩ, được phóng năm 1958. Ngày nay pin mặt trời được sản xuất trên toàn thế giới đặt biệt là ở các nước tiên tiến như Mĩ, Đức, Tây Ban Nha… 1.3.1 Cấu tạo : Cấu tạo của pin mặt trời là một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện bên trong. Hình 1.6 Cấu tạo của pin mặt trời. 18
Cho tới hiện tại thì vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời (và cho các thiết bị bán dẫn) là các silic tinh thể. Pin mặt trời từ tinh thể silic chia ra thành 3 loại: - Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình Czochralski. Pin mặt trời dơn tinh thể có thể đạt hiệu suất từ 11% - 16% . Chúng thường rất mắc tiền do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module. - Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc đúc từ silic nung chảy cẩn thận được làm nguội và làm rắn. Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn, từ 8% - 11%. Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó. - Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể. Loại này có hiệu suất thấp nhất, từ 3% - 6%, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các loại vì không cần phải cắt từ thỏi silicon. Hình 1.7 Các loại cấu trúc tinh thể của pin mặt trời. Silic thuộc nhóm IV, tức là có 4 electron lớp ngoài cùng. Silic có thể kết hợp với silicon khác để tạo nên chất rắn. Cơ bản có 2 loại chất rắn silicon, đa thù hình (không có trật tự sắp xếp) và tinh thể (các nguyên tử sắp xếp theo thứ tự dãy không gian 3 chiều). Pin năng lượng mặt trời phổ biến nhất dùng đa tinh thể silicon. Silic là chất bán dẫn. Tức là thể rắn silic, tại một tầng năng lượng nhất định, electron có thể đạt được, và một số tầng năng lượng khác thì không được. Các tầng năng lượng không được phép này xem là tầng trống. Lý thuyết này căn cứ theo thuyết cơ học lượng tử. Ở nhiệt độ phòng, Silic nguyên chất có tính dẫn điện kém. Trong cơ học lượng tử, giải thích thất tế tại mức năng lượng Fermi trong tầng trống. Để tạo ra silic có tính dẫn điện tốt hơn, có thể thêm vào một lượng nhỏ các nguyên tử nhóm III hay V trong bảng tuần hoàn hóa học. Các nguyên tử này chiếm vị trí của nguyên tử silic trong mạng tinh thể, và liên kết với các nguyên tử silic bên cạnh tương tự như là một silic. Tuy nhiên các phân tử nhóm III có 3 electron ngoài cùng và nguyên tử nhóm V có 5 19
electron ngoài cùng, vì thế nên có chỗ trong mạng tinh thể có dư electron còn có chỗ thì thiếu electron. Vì thế các electron thừa hay thiếu electron (gọi là lỗ trống) không tham gia vào các kết nối mạng tinh thể. Chúng có thể tự do di chuyển trong khối tinh thể. Silic kết hợp với nguyên tử nhóm III (nhôm hay gali) được gọi là loại bán dẫn p bởi vì năng lượng chủ yếu mang điện tích dương (positive), trong khi phần kết hợp với các nguyên tử nhóm V (phốt pho, asen) gọi là bán dẫn n vì mang năng lượng âm (negative). Lưu ý rằng cả hai loại n và p có năng lượng trung hòa, tức là chúng có cùng năng lượng dương và âm, loại bán dẫn n, loại âm có thể di chuyển xung quanh, tương tự ngược lại với loại p. Các tinh thể silic (Si) hay gali asenua (GaAs) là các vật liệu được sử dụng làm pin mặt trời. Gali asenua đặc biệt tạo nên để dùng cho pin mặt trời, tuy nhiên thỏi tinh thể silic cũng có thể dùng được với giá thành thấp hơn, sản xuất chủ yếu để tiêu thụ trong công nghiệp vi điện tử. Đa tinh thể silic có hiệu quả kém hơn nhưng giá tiền cũng thấp hơn. Khi để trực tiếp dưới ánh sáng mặt trời, một pin silic có đường kính 6 cm có thể sản xuất dòng điện khoảng 0,5 ampe ở 0,5 volt. Các tấm tinh thể mỏng hình đĩa, được đánh bóng để loại bỏ các khuyết tật trong quá trình cắt, chất kích thích được dùng cho các pin, và các tấm kim loại dẫn truyền đặt vào một mặt: một lưới mỏng trên bề mặt chiếu ánh sáng mặt trời, và mặt phẳng trên mặt còn lại. Tấm năng lượng mặt trời tạo thành từ các pin như vậy cắt theo hình dạng thích hợp, được bảo vệ khỏi tia bức xạ và hư hại trên mặt trước bằng các miếng gương, dán vào chất nền. Sự liền mạch được tạo nên thành các dãy song song để quyết định năng lượng tạo ra. Chất keo và chất nền phải có tính dẫn nhiệt, vì khi các pin được làm nóng khi hấp thụ năng lượng hồng ngoại, vốn không thể chuyển hóa thành năng lượng. Một khi các pin bị làm nóng thì giảm hiệu suất hoạt động vì thế nên phải làm giảm thiểu nhiệt năng. Hình 1.8 Một số loại panel pin mặt trời. 20