Thạc Sĩ điều khiển theo hướng trong hệ năng lượng mặt trời

Điều khiển theo hướng trong hệ năng lượng mặt trời
Luận văn thạc sĩ năm 2012
Đề tài: ĐIỀU KHIỂN THEO HƯỚNG TRONG HỆ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Định dạng file word
Mục L ục
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
11.Lich. sử phát triển của việc sử dụng năng lượng mặt trời 2
12 Các ứng dụng của năng lượng mặt trời . 4
12.1. Máy nước nóng 4
12.2. Nhà máy quang nhiệt điện (máng Parabol) 5
12.3. Nhà máy quang nhiệt điện (Tháp) 6
12.4. Nhà máy quang nhiệt điện (Stirling) 7
13 Các phương pháp thu nhận quang năng 9
13.1. Loại 1 trục xoay . 10
13.2. Loại hai trục xoay . 11
13.2.1. Bộ đón hướng Azimuth-elevation . 12
13.2.2. Bộ đón hướng Polar (cực) . 13
14 Sử dụng năng lượng mặt trời ở Việt nam . 14
15 Các công trình liên quan đã công bố . 17
CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
21. Tế bào quang điện (Photovoltaic cell, PV) 19
21.1 Cấu tạo của tế bào quang điện 19
21.2 Mô hình của tế bào quang điện: . 20
21.3 Đặc tính làm việc của tế bào quang điện 21
22. Động cơ một chiều (DC) 24
22.1. Phần ứng: 25
22.2. Phần kích từ: 25
22.3. Nguyên lý hoạt động của động cơ một chiều: 25
22.4Phượng pháp điều khiển động cơ DC . 26
23. LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN MỜ . 27
23.1 Định nghĩa: 27
23.2 Độ cao, miền xác định và miền tin cậy của tập mờ: . 28
23.3 Các phép toán trên tập mờ: . 29
24 Luật hợp thành mờ: . 33
24.1 Mệnh đề hợp thành: 33
24.2 Luật hợp thành mờ: . 34
24.3. Giải mờ: . 37
25 Hệ thống điều khiển: . 42
25.1 Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển tự động: . 42
25.2 Các nguyên tắc điều khiển tự động: 42
25.3 Tiêu chuẩn đánh giá một hệ thống điều khiển tự động: 45
26 Các kiểu điều khiển cổ điển: 49
CHƯƠNG 3
XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG
31 Xây dựng mô hình điều khiển trục quay Đông Tây . 55
31.1 Xây dựng mô hình của động cơ một chiều kích từ độc lập . 55
31.2. Xây dựng bộ điều khiển Fuzzy 58
32. Xây dựng mô hình điều khiển trục quay Bắc Nam 63
33. Xây dựng mô hình cho cả 2 trục Đông Tây và Bắc Nam 65
CHƯƠNG 4
XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM
41. Kết cấu cơ khí của mô hình Polar Tracking 66
42. Phần điện điều khiển và động lực 69
CHƯƠNG 5
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
51. Kết luận 76
52 Kết quả đạt được. 76
53 Những hạn chế 76
54
Hướng phát triển. 77
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 78


TÓM TẮT
Hệ thống điều khiển theo hướng trong hệ năng lượng mặt trời dạng cực là hệ
thống được thiết kế để tối ưu hoá quang năng thu được. Năng lượng thu được sẽ cao
hơn khi hệ thống giữ các tấm pinluôn song song với mặt trời, hay các tia nắng luôn
vuông góc với tấm pin. Mục đích của luận văn này là đi mô phỏng hệ thống Polar
Tracking và sử dụng giải thuật mờ để điều khiển toàn bộ hệ thống trong môi trường
Matlab/ Simulink. Hệ thống thực tế sẽ bám sát sự di chuyển mặt trời bằng cách di
chuyển hai trục theo hai phương thẳng đứng và phương nằm ngang bằng hai động cơ
DC. Vi Điều Khiển sẽ điều khiển vị trí chính xác của hai trục thông qua các tín hiệu hồi
tiếp từ cảm biến ánh sáng.

ABSTRACT



A Polar tracking system is designed to optimize the operation of solar

energyreceivers. More solar energy is collectedby keeping the panels parallel to the sun

that makes the sun rays fall perpendicularly on the solar panel. In this paper, we

present a Polar tracking systemis mođele using MatlabSimulinkand/ a fuzzy logic

control is designed for the control of this system. The sun tracking is perform by

changing the solar panel orientation in horizontal and vertical directions by two DC

motors. The control of these motors is ensured by a microcontroller. The proposed

system has the capability to track using sun sensors.


GIỚI THIỆU LUẬN VĂN
 Đặ t vấn đề
Nhu cầu về năng lượng của con người trong thời đại khoa học kỹ thuật phát
triển ngày càng tăng. Trong khi đó các nguồn nhiên liệu dự trữ như than đá, dầu mỏ,
khí thiên nhiên đều có hạn, khiến cho con người đang đứng trước nguy cơ thiếu hụt
năng lượng trong tương lai. Hơn nữa việc khai thác và sử dụng các nguồn năng
lượng này luôn gây ra sự ô nhiễm môi trường và là một trong những nguyên nhân
chính dẫn đến sự nóng dần lên của trái đất.
Việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng mới, năng lượng sạch như
năng lượng địa nhiệt, năng lượng gió, năng lượng mặt trời và năng lượng sóng biển
là định hướng quan trọng trong kế hoạch phát triển năng lượng của hầu hết các quốc
gia trên toàn thế giới.
Việc nghiên cứu và sử dụng năng lượng mặt trời ngày càng được quan tâm,
nhất là trong tình trạng thiếu hụt năng lượng và sự ô nhiễm môi trường như hiện
nay. Năng lượng mặt trời được xem là một trong những dạng năng lượng sạch, sẵn
có và gần nhulằ vô tận trong tương lai. Do vậy năng lượng mặt trời ngày càng được
sử dụng rộng rãi ở các nước trên thế giới. Con người đã biết sử dụng nguồn năng
lượng quí giá này từ lâu, tuy nhiên kỹ thuật khai thác và sử dụng một cách hiệu quả
thì vẫn là vấn đề mà ngày nay chúng ta đang quan tâm và phát triển .
Đã có nhiều công trình kỹ thuật nghiên cứu trong và ngoài nước về các mô
hình và thuật toán điều khiển [1,2,3,4,5,6] để khai thác và sử dụng nguồn năng
lượng mặt trời một cách hiệu quả, các công trình này đã đi theo hai hư ớng, hướng
thứ nhất là phát triển các thuật toán để điều khiển mô hình sẵn có, hướng thứ hai là
tìm ra và so sánh giữa các mô hình thu nhận năng lượng xem mô hình nào hiệu quả
hơn.
Chính vì vậy, đề tài “Điều Khiển Theo Hướng Trong Hệ Năng Lượng Mặt
Troi”+` với mục đích là kết hợp áp dụng tính ưu việt của giải thuật Fuzzy lên hệ thống
thu nhận năng lượng mặt trời kiểu Polar để công suất thu được là tối ưu.
 Mục tiêu c ủa đề tài
Áp dụng thuật toán Fuzzy để điều khiển góc quay của động cơ DC
Xây dựng mô hình Polar tracking thu nhỏ
 Giới hạ n c ủa đề tài
Để đáp ứng được mục tiêu đã đề ra thì người thực hiện tiến hành nghiên cứu
và giải quyết các vấn đề sau:
Nghiêu cứu giải thuật PID trong việc điều khiển động cơ một chiều kích từ
độc lập
Nghiêu cứu giải thuật Fuzzy trong việc điều khiển động cơ một chiều kích từ
độc lập
Áp dụng hai giải thuật Fuzzy và PID trong việc điều khiển góc quay của
động cơ một chiều kích từ độc lập
 Phạ m vi nghiên c ứ u
Nghiên cứu điều khiển mô phỏng động cơ DC bằng phương pháp Fuzzy kết
hợp phương pháp PID bằng chương trình mô phỏng matlab simulink.
Áp dụng kết quả để thiết kế mô hình mô thực nghiệm thu nhỏ
 Phương pháp nghiên cứ u
Thu thập tất cả các tài liệu có liên quan đến đề tài nghiên cứu
Nghiên cứu và xem xét các công trình đã công bố liên quan đến đề tài
Xây dựng mô hình mô phỏng của hệ thống điều khiển theo hướng mặt trời
Dựa trên kết quả thu được của mô phỏng xây dựng mô hình thực nghiệm
Phân tích các kết quả thu được và kiến nghị
Đánh giá tổng quát toàn bộ luận văn và đưa ra hướng phát triển của đề tài.
 Điểm m ới của luận văn:
Áp dụng giải thuật Fuzzy-PID lên mô hình Polar tracking
Điều khiển được tấm pin luôn bám theo sự di chuyển của mặt trời
Thực nghiệm được mô hình Polar tracking
 Giá trị thự c tiễn c ủa đề tài:
Do yêu cầu từ thực tiễn là tìm giải pháp để tối ưu công suất cho các mô hình
tracking là làm sao để thu được năng lượng mặt trời là lớn nhất, làm sao để
giảm năng lượng cho việc vận hành hệ thống là thấp nhất. Chính vì vậy mà
đề tài “điều khiển theo hướng trong hệ năng lượng mặt troi”+` được hình thành
Với kết quả thu được từ việc nghiên cứu của đề tài có thể
Hiện thực hoá mô hình Polar tracking
Sử dụng làm mô hình giảng dạy và nghiên cứu
Làm cơ sở để ứng dụng và phát triển các hệ thống thu nhận năng lượng mặt
trời.
 Bố cục c ủ a luận văn.
Giới thiệu đề tài
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 3: Xây dựng mô hình mô phỏng trên matlab simulink
Chương 4: Xây dựng mô hình thu nhỏ
Chương 5: Kết luận và đề xuất hướng phát triển của đề tài.


CHUƠNG1+
TỔNG QUAN


N ội dung:


11.Lich. sử phát triển của việc sử dụng năng lượng mặt trời
12 Các ứng dụng của năng lượng mặt trời.
13 Các phương pháp thu nhận quang năng.
13.1. Loại 1 trục xoay
13.2. Loại 2 trục xoay
13.2.1 Bộ đón hướng Azimuth-elevantion
13.2.1 Bộ đón hướng Polar
14. Sử dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam
15. Các công trình đã công bố

TÀI LIỆU THAM KHẢO
Catalin Alexandru, (2009)‘The Design and Optimization of a Photovoltaic

Tracking Mechanism’, IEEE, 436-441.

Huifeng Jiao, Jianzhong Fu, Yuchun Li, Jintao Lai, (2010) Design of

Automatic Two-axis Sun-tracking System, IEEE.

Hung-Ching Lu, Te-Lung Shih, (2010), Fuzzy System Control Design with

Application to Solar Panel Active Dual-Axis Sun Tracker System, IEEE,

1878- 1883.
T. Tomiša, Z. Šimić, D. Đeeić, (2011), Automated Photovoltaic Panel
Positioning Device for Solar Radiation Monitoring, MIPRO 2011, May 23-

27, 2011, Opatija, Croatia.

Farzin Shama, Gholam Hossein Roshani, Arash Ahmadi, Sobhan Roshani,

(2011) A Novel Design and Experimental Study for a Two-Axis Sun

Tracker, IEEE.

DV Diaconescu, I. Visa, BG Burduhos and R. Saulescu, PV Orientation

Data neeđe in the Design of the Pseudo-Equatorial Trackers’ Control

Program, B-dul Eroilor No. 29, 500036 Brasov, Romania.
Nguyễn Công Vân, 2005, Năng lượng mặt trời, nhà xuất bản khoa học và kỹ
thuật
Annual Energy Review 2010, DOEEIA-03842010(/), Released for printing:

October 19, 2011

Anca D. Hansen, Poul Sorensen, Lars H. Hansen and Henrik Binder, Models

for a Stand-Alone PV System, Riso National Laboratory, Roskilde,

December 2000

[10]. Dr. L. K. Wong, PID Controllers, Control Engineering

[11]. Setting the P-I Controller Parameters, KP and KI, Application

Note,TLE7242 and TLE8242, Automotive Power
Ahme Rhif, A positon control review for a Photovoltaic system: Dual axis

suntracker, http://wwwtr.ietejournals.org. on Tuesday, february 14, 2012

[13]. Amir gheibi, Seyed mohammad ali mohammadi, Malihe maghfoori,

Maximum power point tracking for solar cell systems by using Adaptive

fuzzy logic controller, International Power System Conference, 31Oct – 02

Nov, 2011 Tehran-Iran.
[14]. M. A. Usta, , Ö. Akyazı and İ. H. Altaş, Design and Performance of Solar
Tracking System with Fuzzy Logic Controller, 6th International Advanced
Technologies Symposium (IATS11’), 16-18 May 2011, Elazığ, Turkey
[15]. Y. J. Huang, Member, IAENG, B. C. Wu, C. Y. Chen, C. H. Chang, and T.

C. Kuo, Member, IAENG, Solar Tracking Fuzzy Control System Design

using FPGA, Proceedings of the World Congress on Engineering 2009 Vol

I,WCE 2009, July 1 - 3, 2009, London, UK

[16]. Gustavo Ozuna, Carlos Anaya. Diana Figueroa. Nun Pitalua, Solar Tracker

of Two Degrees of Freedom for Photovoltaic Solar Cell Using Fuzzy

Logic, Proceedings of the World Congress on Engineering 2011 Vol II,

WCE 2011, July 6 - 8, 2011, London, UK

[17]. Emil M. Petriu, Dr. Eng., P. Eng, FIEEE, Professor School of Information

Technology and EngineeringUniversity of Ottawa , Fuzzy Systems for

Control Applications.

[18]. Md Fahim Ansari, S. Chatterji and Atif Iqbal, A fuzzy logic control scheme

for a solar photovoltaic system for a maximum power point tracker,

International Journal of Sustainable Energy,Vol. 29, No. 4, December 2010,

245–255.

[19]. Manafeđin Namazov, DC motor position control using fuzzy proportional-

derivative controllers with different defuzzification methods, TJFS: Turkish

Journal of Fuzzy Systems (eISSN: 1309–1190), An Official Journal of

Turkish Fuzzy Systems Association, Vol1., No1., pp. 36-54, 2010.
[20]. Earoldo Rodrigues De Azevedo, Snvia Fernanda Martins Brandio and

JoPo Bosco Da Mota Alves, A Fuzzy Logic Controller for dc Motor

Position Control, 0-78030985-y931$300. (B 1993 IEEE

[21]. Energy Report 2011, Chapter 10, Solar Energy, Taxas.