Đồ Án Thiết kế Hệ thống quang điện sử dụng năng lượng mặt trời (Hệ pin mặt trời)

Contents
Lời nói đầu. 1
Chương 1. 4
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI 4
1. Giới thiệu về pin mặt trời 4
1.1. Định nghĩa. 4
1.2. Đặc tính làm việc của pin mặt trời. 5
1.3. Ứng dụng. 7
1.4. Tấm năng lượng mặt trời. 8
1.5. Cách ghép nối các tấm năng lượng mặt trời. 8
a. Phương pháp ghép nối tiếp các tấm môdun mặt trời. 8
b. Ghép song song các môđun mặt trời. 10
c. Hiện tượng “điểm nóng”. 10
2. Hệ thống pin mặt trời. 11
2.1. Hệ quang điện làm việc độc lập. 12
a. Thành phần lưu giữ năng lượng. 12
b. Các bộ biến đổi bán dẫn trong hệ PV. 12
2.2. Hệ quang điện làm việc với lưới. 14
a. Yêu cầu về giao diện. 14
b. Các bộ biến đổi trong hệ PV 15
2.3. Phương pháp điều khiển MPPT. 16
Chương 2. 19
CÁC BỘ BIẾN ĐỔI BÁN DẪN 19
TRONG HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI LÀM VIỆC ĐỘC LẬP. 19
1. Bộ biến đổi DC/DC. 19
1.1. Các loại bộ biến đổi DC/DC 20
a. Mạch Buck. 20
b. Mạch Buck – Boost: Bộ điều khiển phóng ắc quy. 23
1.2. Điều khiển bộ biến đổi DC/DC 26
a. Mạch vòng điện áp phản hồi. 26
b. Phương pháp điều khiển phản hồi công suất. 27
b. Phương pháp mạch vòng dòng điện phản hồi 27
2. Bộ biến đổi DC/AC. 27
Chương 3. 30
PHƯƠNG PHÁP DÒ TÌM ĐIỂM LÀM VIỆC TỐI ƯU MPPT. 30
1. Giới thiệu chung. 30
2. Nguyên lý dung hợp tải 31
3. Thuật toán xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất MPPT. 32
3.1. Phương pháp nhiễu loạn và quan sát P&O 34
3.2. Phương pháp điện dẫn gia tăng INC 36
3. Phương pháp điều khiển MPPT. 38
3.1. Phương pháp điều khiển PI 38
3.2. Phương pháp điều khiển đo trực tiếp tín hiệu ra. 40
4. Giới hạn của MPPT. 42
Chương 4. 43
BỘ LƯU GIỮ NĂNG LƯỢNG 43
1. Các loại ắc quy. 43
1.1. Ắc quy chì - axit 43
1.2. Ắc quy kiềm 44
2. Các đặc tính của ắc quy. 44
2.1. Dung lượng: (ký hiệu là C) 44
2.2. Điện áp ngưỡng thấp nhất: 44
2.3. Điện áp hở mạch: 44
3. Chế độ làm việc của ắc quy (xét ắc quy chì - axit) 45
3.1. Nạp ắc quy: 45
3.2. Ắc quy phóng: 45
3.3. Các chế độ của bộ nguồn nạp ắc quy. 45
3.4. Nạp với dòng không đổi: 46
3.5. Nạp với áp không đổi 46
3.6. Nạp nổi. 47
4. Lôgic chuyển trạng thái quá trình nạp ắc quy tự động. 47
5. Các sự cố cần bảo vệ của ắc quy chì - axit. 48
6. Các tiêu chí lựa chọn ắc quy. 48
7. Các thông số đặc trưng của ắc quy Power Sonic như sau: 49
7.1. Đặc tính phóng. 49
7.2. Các phương pháp nạp cho ắc quy. 51
Chương 5. 56
TÍNH TOÁN HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI LÀM VIỆC ĐỘC LẬP. 56
1. Chọn pin mặt trời 56
5.1. Xây dựng mô hình pin mặt trời 56
5.2. Mô phỏng đặc tính làm việc của pin mặt trời 58
2. Tính chọn bộ biến đổi DC/DC 61
2.1. Tính chọn cuộn kháng L. 61
2.2. Tính chọn tụ điện trong mạch. 61
2.3. Chọn khoá K và Điôt 62
3. Lựa chọn thuật toán MPPT cho hệ. 62
4. Chọn phương pháp điều khiển MPPT. 66
5. Tính chọn ắc quy. 69
5.1. Tính chọn dung lượng ắcquy. 69
5.2. Mạch nạp ắcquy. 70
6. Tính chọn bộ biến đổi DC/AC. 72
6.1. Tính chọn van. 72
6.2. Tính toán thông số bộ lọc đầu ra. 72
7. Tính chọn các mạch điều khiển trong hệ thống. 73
8. Giải pháp nguồn. 76
9. Sử dụng Simulink để mô phỏng vai trò của MPPT trong hệ PV 78
Kết luận và đề xuất 79
Phụ lục. 81


Lời nói đầu
Ngày nay với tình hình dân số và nền công nghiệp phát triển không ngừng, năng lượng càng thể hiện rõ vai trò quan trọng và trở thành yếu tố không thể thiếu trong cuộc sống. Tuy nhiên trong khi nhu cầu sử dụng năng lượng đang ngày càng gia tăng thì các nguồn năng lượng truyền thống được khai thác sử dụng hàng ngày đang dần cạn kiệt và trở nên khan hiếm. Một số nguồn năng lượng đang được sử dụng như nguồn nguyên liệu hoá thạch (dầu mỏ, than đá ) đang cho thấy những tác động xấu đến môi trường, gây ô nhiễm bầu khí quyển như gây hiệu ứng nhà kính, thủng tầng ozôn, là một trong những nguyên nhân làm trái đất ấm dần lên. Các khí thải ra từ việc đốt các nguyên liệu này đã gây ra mưa axit, gây hại cho môi trường sống của con người. Còn nguồn năng lượng thuỷ điện (vốn cũng được coi là một loại năng lượng sạch) thì cũng không đáp ứng được nhu cầu tiêu thụ điện hiện nay trong khi tình trạng mức nước trong hồ chứa thường xuyên xuống dưới mực nước chết. Trước tình hình đó, vấn đề phải tìm được những nguồn năng lượng mới để đáp ứng nhu cầu sử dụng năng lượng đang lớn mạnh hàng ngày, thay thế những nguồn năng lượng có hại cho môi trường hoặc đang cạn kiệt đang trở nên cấp thiết, đòi hỏi nhiều sự quan tâm.
So với những nguồn năng lượng mới đang được khai thác sử dụng như năng lượng gió, năng lượng hạt nhân Năng lượng mặt trời được coi là một nguồn năng lượng rẻ, vô tận, là một nguồn năng lượng sạch không gây hại cho môi trường đang thu hút sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học, nhà nghiên cứu và sẽ trở thành nguồn năng lượng tốt nhất trong tương lai. Hệ thống quang điện sử dụng năng lượng mặt trời (Hệ pin mặt trời) có nhiều ưu điểm như không cần nguyên liệu, không gây ô nhiễm môi trường, ít phải bảo dưỡng, không gây tiếng ồn Hiện nay năng lượng mặt trời đã được khai thác và đưa vào ứng dụng trong cuộc sống cũng như trong công nghiệp dưới nhiều dạng và hình thức khác nhau, thông thường để cấp nhiệt và điện.
Một hệ pin mặt trời sử dụng năng lượng mặt trời cơ bản bao gồm 2 loại: Hệ pin mặt trời làm việc độc lập và hệ pin mặt trời làm việc với lưới. Tùy theo điều kiện về nhu cầu sử dụng và vị trí địa lý lắp đặt mà hệ nào được ứng dụng. Trong khả năng của mình, em chỉ chú trọng đến nghiên cứu các thành phần trong hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập.
Một hệ pin mặt trời làm việc độc lập bao gồm: hệ thống hấp thụ ánh sáng là các tấm pin mặt trời nối ghép lại với nhau; Các bộ biến đổi điện tử công suất DC/DC và DC/AC và Hệ thống điều tiết và lưu trữ năng lượng là các thiết bị điều tiết sạc, bình ắc quy. Mỗi một thành phần trong hệ pin mặt trời mang những nhiệm vụ cụ thể riêng biệt mang tính quyết định đến khả năng làm việc hiệu quả của hệ quang điện đó. Bộ biến đổi DC/DC sử dụng thuật toán điều khiển tìm điểm công suất tối ưu để làm tăng hiệu quả làm việc của pin quang điện; ắc quy giúp dự trữ điện năng để duy trì hoạt động cho cả hệ thống vào ban đêm hay khi thời tiết âm u, nhiều mây mưa, lúc cường độ bức xạ ánh sáng yếu không đủ phát ra điện năng; bộ biến đổi điện nghịch lưu DC/AC chuyển đổi dòng điện một chiều từ ắc quy thành điện xoay chiều (110 V, 220 V) để cung cấp cho các thiết bị điện xoay chiều.
Đồ án trình bày bao quát cả 1 hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập với đầy đủ các thành phần cần thiết trong hệ. Sau đó đồ án tập trung nghiên cứu sâu hơn vào nguồn điện pin mặt trời gồm pin mặt trời, bộ DC/DC, phương pháp và thuật toán điều khiển MPPT để thấy rõ đặc tính làm việc của pin thay đổi dưới tác động của nhiệt độ thời tiết và so sánh nguyên lý làm việc, ưu nhược điểm, khả năng ứng dụng của các thuật toán điều khiển MPPT nhằm để hệ pin mặt trời được làm việc tối ưu nhất.
Đồ án gồm có 5 chương với nội dung tổng quan như sau:
Chương 1: Tổng quan về hệ thống pin mặt trời.
Chương 2: Các bộ biến đổi bán dẫn trong hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập
Chương 3: Phương pháp dò tìm điểm làm việc tối ưu MPPT
Chương 4: Bộ lưu trữ năng lượng (ắc quy)
Chương 5: Tính toán hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập
Trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp, em đã củng cố được những kiến thức đã được học và tiếp thu thêm được một số kiến thức và kinh nghiệm mới về pin mặt trời. Trên tất cả là em đã được học và rèn luyện được phương pháp làm việc, nghiên cứu một cách chủ động hơn, linh hoạt hơn và đặc biệt là phương pháp làm việc theo nhóm. Quá trình làm đồ án thực sự đã rất có ích cho em về nhiều mặt.
Đây là kết quả tổng kết quá trình 5 năm học tập của em nhưng do kinh nghiệm thực tế của bản thân còn chưa nhiều nên khó tránh khỏi nhiều thiếu sót, do đó cần phải có sự hướng dẫn, giúp đỡ của thầy giáo. Qua đây em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy TRẦN TRỌNG MINH cùng các cán bộ nghiên cứu trong trung tâm Hitech Bách Khoa Hà Nội đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt quá trình làm đồ án tốt nghiệp. Em cũng xin cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn Tự động hoá XNCN trường Đại Học Bách Khoa Hà nội đã tạo điều kiện cho em hoàn thành tốt quyển đồ án tốt nghiệp này.