Đề tài Thiết kế hệ năng lượng mặt trời một pha làm việc độc lập

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI MỘT PHA LÀM VIỆC ĐỘC LẬP Ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Chuyên ngành: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP Giảng viên hướng dẫn : XXXXXXXXXXX Sinh viên thực hiện : xxxxxxxxxxxxxxxx MSSV: 121102xxxx Lớp: 12DDCxx TP. Hồ Chí Minh, 201x BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HỒ CHÍ MINH Cơ – Điện – Điện Tử PHIẾU THEO DÕI TIẾN ĐỘ LÀM ĐỒ ÁN/ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP (Do giảng viên hướng dẫn ghi và giao cho sinh viên nộp chung với ĐA/KLTN sau khi hoàn tất đề tài) 1. Tên đề tài: .................................................................................................................. ..................................................................................................................................... 2. Giảng viên hướng dẫn: .............................................................................................. 3. Sinh viên/ nhóm sinh viên thực hiện đề tài : Họ và tên: Huỳnh Ngọc Đức MSSV: 1211020001 Lớp: 12DDC01 Ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Chuyên ngành : ĐIỆN CÔNG NGHIỆP Tuần lễ Ngày Nội dung Nhận xét của GVHD (Ký tên) 1 2 Tuần lễ Ngày Nội dung Nhận xét của GVHD (Ký tên) 3 4 5 6 7 Kiểm tra ngày: Đánh giá công việc hoàn thành: ..% Được tiếp tục:  Không tiếp tục:  Tuần lễ Ngày Nội dung Nhận xét của GVHD (Ký tên) 9 10 11 12 13 Tuần lễ Ngày Nội dung Nhận xét của GVHD (Ký tên) 14 15 TP. HCM, ngày tháng năm . Giảng viên hướng dẫn chính (Ký và ghi rõ họ tên) Lời nói đầu Trong tiến trình phát triển của loài người, việc sử dụng năng lượng mặt trời là đánh dấu một cột mốc rất quan trọng. từ đó đến nay, loài người sử dụng năng lượng ngày càng nhiều, nhất là trong vài thế kỷ gần đây. Trong cơ cấu năng lượng hiện nay, chiếm phần chủ yếu là năng lương tàn dư sinh học than đá, dầu mỏ, khí tự hiên. Kế là năng lượng nước thủy điện, năng lượng hạt nhân, năng lượng sinh khối (bio, gas ) năng lượng mặt trời, năng lượng gió chỉ chiếm một phần khiêm tốn. Xã hội loài người phát triển nếu không có năng lượng. Ngày nay, năng lượng tàn dư sinh học, năng lượng không tái sinh, ngày càng cạn kiệt, giá dầu mỏ ngày càng tăng, ảnh hưởng xấu đến sự phát triển kinh tế xã hội và môi trường sống. Tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế là nhiệm vụ cấp bách của năng lượng thay thế đó phải sạch, thân thiện với môi trường, chi phí thấp, không cạn kiệt (tái sinh), và dễ sử dụng. Từ lâu, loài người đã mơ ước sử dụng năng lượng mặt trời. nguồn năng lượng hầu như vô tận, đáp ứng hầu hết các tiêu chí nêu trên. Nhiều công trình nghiên cứu đã đực thực hiện, năng lượng mặt trời không chỉ là năng lượng của tương lai mà còn là năng lượng của hiện tại. 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 gồm 2 loại: hệ pin mặt trời làm việc độc lập và hệ pin mặt trời làm việc với lưới. Tuy nhiên nội dung chủ yếu được giới thiệu trong bài báo cáo này chỉ nghiên cứu các thành phần trong hệ mặt trời làm việc độc lập. Đồ án trình bày bao quát cả một 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/AC, phương pháp và thuật toán điều khiển MPPT để thấy rõ đặc tính 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. Trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp, em đã cũng cố được những kiến thức đã được học và tiếp thu thêm được một số kiến thức và kinh nghiêm mới về pin mặt trời.quá trình làm đồ án thực sự có ích cho em về nhiều mặt. Tp.HCM, ngàythángnăm 2016 Sinh viên thực hiện HUỲNH NGỌC ĐỨC Lời cảm ơn Đây là kết quả của quá trình 4 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 giáo viên. Qua đây em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý thầy cô Trường đại học Công Nghệ Tp. HCM, khoa Cơ – Điện – Điện tử, các thầy cô bộ môn lời cảm ơn trân thành nhất, các thầy cô đã tận tình giảng dạy cho em trong suốt 4 năm học vừa qua, các thầy cô đã trang bị cho em nhiều kiến thức cơ bản về lĩnh vực điện công nghiệp. Và cuối cùng em xin cảm ơn thầy XXXXXX đã giúp đở và hướng dẫn em trong suất quá trình làm đồ án tốt nghiệp. 1 Mục lục ..................................................................................................... Trang Chương 1: Giới thiệu đề tài ..................................................................................... 7 1.1. Tính cấp thiết của đề tài .............................................................................. 7 1.1.1. Lý do chọn đề tài ................................................................................ 7 1.1.2. Mục đích nghiên cứu .......................................................................... 7 1.2. Nội dung đề tài ............................................................................................ 8 1.3. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................. 8 1.3.1. Lý thuyết ............................................................................................ 8 1.3.2. Mô phỏng ........................................................................................... 8 1.4. Bố cục luận văn ........................................................................................... 8 Chương 2: Cơ sở lý thuyết ..................................................................................... 10 2.1. Mặt trời và năng lượng mặt trời .............................................................. 10 2.2. Xây dựng mô hình điều khiển nối lưới sử dụng pin mặt trời .................. 10 2.3. Pin mặt trời ............................................................................................. 11 2.4. Cấu tạo và hoạt động của pin mặt trời ..................................................... 11 2.4.1. Hiệu ứng quang điện ........................................................................ 11 2.4.2. Cấu tạo của pin mặt trời ................................................................... 14 2.4.3. Đặc tính làm việc của pin mặt trời .................................................... 15 2.5. Nhận xét ................................................................................................. 17 2.6. Ứng dụng ................................................................................................ 18 2.7. Tấm năng lượng pin mặt trời .................................................................. 19 2.8. Cách ghép nối các tấm năng lượng mặt trời ............................................ 19 2.8.1. Phương pháp ghép nối nối tiếp ......................................................... 20 2.8.2. Ghép nối song song .......................................................................... 21 2.9. Hiện tượng điểm nóng ............................................................................ 22 2.10. Hệ thống pin mặt trời .............................................................................. 23 2.10.1. Hệ PV độc lập .................................................................................. 24 a. Thành phần lưu giữ năng lượng .................................................. 24 b. Các bộ biến đổi bán dẫn trong hệ PV .......................................... 24 2.11. Hệ quang điện làm việc với lưới ............................................................ 27 2.12. Các bộ biến đổi bán dẫn trong hệ PV ...................................................... 28 2.13. Phương pháp điều khiển MPPT .............................................................. 30 2.14. Bộ biến đổi DC/DC ................................................................................ 31 2.15. Các loại bộ biến đổi DC/DC ................................................................... 32 2.15.1. Mạch buck ....................................................................................... 32 2.15.2. Mạch boost ...................................................................................... 34 2.15.3. Mạch Buck – boost ......................................................................... 36 2.15.4. Mạch cuk ......................................................................................... 37 2 2.15.5. Nhận xét .......................................................................................... 40 2.16. Điều khiển bộ biến đổi DC/DC .............................................................. 40 2.16.1. Mạch vòng điện áp phản hồi ............................................................ 40 2.16.2. Phương pháp điều khiển phản hồi công suất ..................................... 41 2.16.3. Phương pháp mạch vòng dòng điện phản hồi ................................... 41 2.17. Bộ biến đổi DC/AC ................................................................................ 42 2.18. Phương pháp dò tìm điểm làm việc tối ưu của MPPT ............................. 43 2.18.1. Giới thiệu chung .............................................................................. 43 2.18.2. Nguyên lý dung hợp tải .................................................................... 44 2.18.3. Thuật toán xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất MPPT ...... 46 2.18.4. Phương pháp P&O ........................................................................... 48 2.18.5. Phương pháp điều khiển MPPT ........................................................ 50 a. Phương pháp điều khiển PI ......................................................... 50 b. Phương pháp điều khiển trực tiếp ............................................... 51 c. Phương pháp điều khiển trục tiếp đo tín hiệu đầu ra .................... 53 2.18.6. Giới hạn của MPPT .......................................................................... 55 Chương 3: Tính toán thiết kế hệ thống pin mặt trời ................................................ 55 3.1. Chọn pin mặt trời .................................................................................... 55 3.2. Xây dựng mô hình pin mặt trời ............................................................... 56 3.3. Tính toán chọn bộ biến đổi DC/AC ......................................................... 57 3.3.1. Tính chọn van .................................................................................. 57 3.3.2. Bộ lọc sóng hài ................................................................................ 58 3.4. Tính toán thông số bộ lọc đầu ra ............................................................. 58 3.5. Lựa chọn máy biến áp ............................................................................. 59 Chương 4: Mô phỏng và đánh giá .......................................................................... 61 4.1. Xây dựng mô hình hệ thống pin năng lượng mặt trời 4000W trên matlab – simulink ................................................................................................ 61 4.2. Kết quả mô phỏng trên matlab – simulink ............................................... 63 4.2.1. Mô phỏng đặc tính làm việc của pin mặt trời .................................... 63 4.2.2. Mô phỏng tín hiệu điện áp sau khi qua bộ biến đổi DC/AC .............. 64 4.2.3. Mô phỏng tín hiệu VSC ................................................................... 64 4.2.4. Mô phỏng dòng và áp trên thanh cái ................................................. 65 Chương 5: Kết luận ............................................................................................... 66 Tài liệu tham khảo ................................................................................................. 67 Phụ lục ............................................................................................................... 68 3 Danh mục hình ảnh (51 hình): Trang Hình 1.1: Hệ thống pin mặt trời độc lập (9) Hình 2.2: Hệ hai mức năng lượng (10) Hình 2.3: Các vùng năng lượng (11) Hình 2.4: Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời (12) Hình 2.5: Pin mặt trời (13) Hình 2.6: Đặc tính làm việc U – I của Pin mặt trời. (14) Hình 2.7: Sơ đồ tương đương của pin mặt trời (15) Hình 2.8: Sự phụ thuộc của đặc trưng VA của Pin mặt trời vào cường độ bức xạ mặt trời (16) Hình 2.9: Sự phụ thuộc của đường đặc tính pin mặt trời vào nhiệt độ. (16) Hình2.10: Đường đặc tính tải và đặc tính của pin mặt trời (17) Hình2.11: (a) Ghép nối tiếp hai modun mặt trời với nhau (b) Đường đặc tính VA của modun và cả hệ (19) Hình 2.12: (a) Ghép song song hai modun pin mặt trời (b) Đường đặc trưng VA của modun và hệ (20) Hình 2.13: Diode nối song song với modun để bảo vệ modun và dàn pin mặt trời.(22) Hình 2.14: Sơ đồ khối một hệ PV độc lập bình thường (23) Hình 2.15: Bộ biến đổi nguồn dòng CSI (28) Hình 2.16: Bộ biến đổi VSI nguồn áp (28) Hình 2.17: Sơ đồ nguyên lý mạch Buck (31) 4 Hình 2.18: Dạng sóng điện áp và dòng điện của mạch Buck (32) Hình 2.19: Sơ đồ nguyên lý mạch Boost (34) Hình 2.20: Dạng sóng dòng điện của mạch Boost (35) Hình 2.21: Sơ đồ nguyên lý mạch Buck – Boost (35) Hình 2.22: Sơ đồ mạch cúk (36) Hình 2.23: Sơ đồ mạch cuk khi khóa SW mở (37) Hình 2.24: Sơ đồ mạch cuk khi khóa SW đóng (37) Hình 2.25: Mạch vòng điều khiển điện áp (39) Hình 2.26: Mạch vòng điện phản hồi (40) Hình 2.27: Bộ biến đổi DC/AC 1 pha dạng nữa cầu (41) Hình 2.28: Bộ biến đổi DC/AC 1 pha dạng hình cầu (41) Hình 2.29:Sơ đồ cấu trúc bộ nghịch lưu kiểu Half – bridge (42) Hình 2.30: Đường đặc tính làm việc của pin và của tải thuần trở có giá trị điện trở thay đổi được (42) Hình 2.31: Tổng trở vào Rin được điều chỉnh bằng D (44) Hình2.32: Đường đặc tính làm việc của pin khi cường độ bức xạ thay đổi ở cùng một mức nhiệt độ (45) Hình 2.33: Đặc tính làm việc I – V của pin khi nhiệt độ thay đổi ở cùng một mức cường độ bức xạ (45) Hình 2.34: Phương pháp tìm điểm làm việc công suất lớn nhất P&O (47) Hình 2.35: Lưu đồ thuật toán phương pháp P&O (48) 5 Hình 2.36: Sơ đồ khối phương pháp điều khiển MPPT sử dụng bộ bù PI (49) Hình 2.37: Sơ đồ khối phương pháp điều khiển trực tiếp MPPT. (50) Hình 2.38: Mối quan hệ giữa tổng trở vào của mạch boost và hệ số làm việc D (51) Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ PV 4000W (54) Hình 3.2: Sơ đồ mạch điện tương đương của pin quang điện (55) Hình 3.3: Sơ đồ bộ biến đổi DC/AC một pha hình cầu. (56) Hình 3.4: Máy biến điện thế (59) Hình 4.1: Sơ đồ bộ điều khiển MPPT (60) Hình 4.2: Các khối đo tính hiệu đầu vào (60) Hình 4.3: Các khối đo tín hiệu đầu ra (61) Hình 4.4: Sơ đồ toàn bộ hệ thống (61) Hình 4.5: Mô phỏng hoạt động của PV (62) Hình 4.6: Điện áp sau khi qua bộ DC/AC. (63) Hình 4.7: Mô phỏng VSC (63) Hình 4.8: Áp và dòng trên thanh cái. (64) 6 Danh mục ký hiệu Ký hiệu Đơn vị Mô tả R ષ Điện trở L H Độ tự cảm U V Điện áp P KW Công suất f Hz Tần số C H Điện dung 7 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1. Tính cấp thiết của đề tài. Trong thời đại ngày nay năng lượng là vấn đề cấp thiết của tất cả các quốc gia trên toàn thế giới. Bên cạnh việc nghiên cứu và tìm kiếm các nguồn năng lượng mới thì việc sử dụng tiết kiệm và hiệu quả năng lượng cũng là mối quan tâm hang đầu 1.1.1. Lý do chọn đề tài Năng lượng là một trong những yếu tố cần thiết cho sự tồn tại và phát triển của xã hội, đồng thời cũng là yếu tố duy trì sự sống trên trái đất. Trong tương lai nếu chúng ta khồn sử dụng hợp lý các nguồn năng lượng có sẵn trong tự nhieenchungs sẽ bị cạn kiệt. Vì thế chúng ta nên nghiên cứu tìm hiểu về các nguồn năng lượng mới và sử dụng chúng một cách có hiệu quả để góp phần bảo vệ các phần năng lượng của trái đất. Tìm hiểu nguồn năng lượng mới và sử dụng chúng một cách hiệu quả cũng góp phần cải thiện sự ô nhiễm môi trường, thúc đẩy sự phát triển kinh tế và xã hội. 1.1.2. Mục đích nghiên cứu Mục đích của đề tài:  Thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời theo công suất định trước  Tính toán chọn các điện trở tụ điện.  Tính toán chọn bộ biến đổi DC/AC.  Lựa chọn phương pháp điều khiển MPPT 8 1.2. Nội dung đề tài: Đề tài sử dụng phần mềm matlab/simulink để xây dựng mô hình và mô phỏng hệ thống nối lưới sử dụng pin mặt trời. Như chúng ta đã biết, nguồn năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch có trữ lượng lớn, đang là muc tiêu nghiên cứu của nhiều nước trên thế giới nhằm thay thế dần nguồn năng lượng hóa thạch có nguy cơ cạn kiệt, gây ô nhiễm môi trường. Trong quá trình làm việc, pin mặt trời phụ thuộc nhiều vào yếu tố ảnh hưởng như cường độ ánh sáng, nhiệt độ môi trường hiện tượng bóng râm mặt khác, công suất sinh ra do tấm pin mặt trời phụ thuộc vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ. Nhằm nâng cao hiệu suất sử dụng thực hiện nối lưới , đòi hỏi phải có các giải thuật điều khiển. ở đây sử dụng giải thuật hệ bám điểm công suất cực đại nhằm đảm bảo rằng pin mặt trời sẽ luôn luôn làm việc ở điểm cực đại khi tải thay đổi. 1.3. Phương pháp nghiên cứu. 1.3.1. Lý thuyết Tìm hiều lý thuyết để xậy dựng được mô hình và mạch động lực Tìm hiểu các đề tài liên quan, tính toán chọn phương pháp ứng dụng phù hợp với thực tế đất nước để tạo ra sản phẩm. 1.3.2. Mô phỏng. Dựa trên lý thuyết tính toán xây dựng mô hình mô phỏng trên Matlab/Simulink sau đó đánh giá và kiểm tra. 1.4. -Bố cục luận văn Đồ án gồm có 5 chương: Chương 1: Giới thiệu đề tài. Chương 2: Cơ sở lý thuyết. Chương 3: Tính toán hệ thốn pin mặt trời làm việc độc lập. 9 Chương 4: Mô phỏng kiểm tra và đánh giá. Chương 5: Kết luận. 10 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Mặt trời và năng lượng mặt trời Mặt trời là một trong những ngôi sao phát sáng mà con người có thể quan sát được trong vũ trụ. Mặt trời cùng với các hành tinh và các thiên thể của nó tạo nên hệ mặt trời trong dãi ngân hà cùng với hàng tỷ hệ mặt trời khác. Mặt trời luôn phát ra nguồn năng lượng khổng lồ và một phần nguồn năng lượng đó truyền bức xạ đến trái đất chúng ta. Trái đất và mặt trời có mối quan hệ chặt chẽ, chính bức xạ mặt trời là yếu tố quyết định cho sự tồn tại của sự sống trên hành tinh của chúng ta. Năng lượng mặt trời là một trong các nguồn năng lượng sạch và vô tận vì nó là nguồn gốc của các nguồn năng lượng khác trên trái đất. Con người đã biết tận hưởng nguồn năng lượng quý giá này từ rất lâu tuy nhiên việc khai thác sử dụng nguồn năng lượng này một cách hiệu quả nhất thì vẫn là vấn đề mà chúng ta đang quan tâm 2.2. Xây dựng mô hình điều khiển nối lưới sử dụng pin mặt trời Hệ thống nối lưới sử dụng nguồn pin mặt trời bao gồm các thành phần cơ bản như hình: Hình 1.1: Hệ thống pin mặt trời độc lập Nguyên tắc hoạt động của hệ thống: Phát điện: dòng điện 1 chiều từ pin năng lượng mặt trời => biến tần và đồng bộ => bán công tơ đo wat- giờ => lưới điện; 11 Sử dụng: lưới => mua công tơ đo wat –giờ => điện gia dụng. Hiện nay việt nam vẫn chưa có qui định về nối lưới điện, do đó, phải nối cới các công tơ đo của tòa nhà hoặc lưới điện địa phương, hoặc công tơ đo sau tòa nhà hoặc địa phương 2.3. Pin mặt trời Pin mặt trời là phương pháp sản xuất trực tiếp từ năng lượng mặt trời qua thiết bị biến đổi quang điện. Pin mặt trời có ưu điểm là gọn nhẹ có thể lắp ở bất kỳ đâu có ánh nắng mặt trời, đặc biệt là trong lĩnh vực tàu vũ trụ. Ngày nay con người đã ứng dụng pin mặt trời trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, để chạy xe và trong sinh hoạt thay thế dần nguồn năng lượng truyền thống. 2.4. Cấu tạo và hoạt động của pin mặt trời Pin mặt trời làm việc theo nguyên lý là biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện. 2.4.1. Hiệu ứng quang điện