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 (aa10-121107_isole) ( ĐH QG thành Phố Hồ Chí Minh)

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 Khoa Điện – Điện tử Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP SVTH: Ngô Minh An Lớp: DD02KTD1 Bộ môn: Thiết bị điện 1 - Đề tài:  MSSV: 40200009 Ngành: Kĩ thuật điện 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. 2. NGUYỄN HỮU PHÚC PHAN QUANG ẤN 50% 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) 2  (ký và ghi rõ họ tên) Kính thưa quý thầy cô!  LỜI CẢM ƠN 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 Đề mục:  MỤC LỤC 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. Hìn