Thiết Kế, Thi Công Mạch điều Khiển Sạc MPPT Năng Lượng Mặt Trời

Có thể bạn quan tâm

Tải bản đầy đủ (.pdf) (9 trang)

Trang chủ

Kỹ Thuật - Công Nghệ

Năng lượng

Thiết kế, thi công mạch điều khiển sạc MPPT năng lượng mặt trời

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.17 MB, 9 trang )

/>THIẾT KẾ, THI CÔNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN SẠC MPPTNĂNG LƯỢNG MẶT TRỜINguyễn Bá Thành(1), Võ Thanh Trịnh(1), Nguyễn Quang Huy(1)(1) Trường Đại học Thủ Dầu MộtNgày nhận bài 22/02/2020; Ngày gửi phản biện 20/03/2020; Chấp nhận đăng 28/06/2020Liên hệ email: />Tóm tắtTrong bối cảnh nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt dần, ô nhiễm môitrường và biến đổi khí hậu diễn ra ngày càng trầm trọng, trong khi phụ tải tiếp tục tăngnhanh, yêu cầu về nguồn điện phục vụ phát triển ngày càng lớn, do vậy khai thác nguồnđiện mặt trời càng có ý nghĩa quan trọng về mặt đảm bảo cung cấp điện. Nghiên cứunáy nhằm thiết kế, thi công mạch sạc tối đa công suất cho hệ thống năng lượng mặttrời. Điện mặt trời ngày càng được sử dụng rộng rãi, tuy nhiên, một trong những nhượcđiểm của nguồn năng lượng mặt trời cần phải có thiết bị lưu trữ như ác quy. Để sạc ácquy được tối ưu thì cần có mạch điều khiển sạc. Sử dụng phương pháp mô phỏng và thicông, thử nghiệm. Mạch sạc được thiết kế trên phần mềm Proteus, lập trình và sau khithi công được thực nghiệm tại Trường Đại học Thủ Dầu Một. Mạch thi công đã hoạtđộng ổn định, được thử nghiệm với tấm pin 20W, ác quy 12V - 5Ah. Kết quả nghiên cứucủa đề tài giúp cung cấp giải pháp tối ưu cho việc khai thác năng lượng mặt trời, phụcvụ hiệu quả cho quá trình sản xuất năng lượng.Từ khóa: giải thuật P&O, mạch sạc năng lượng mặt trời, PIC16F877AAbtractsDESIGN AND IMPLEMENTATION OF MAXIMUM POWER POINTTRACKING (MPPT) SOLAR CHARGE CONTROLLERIn the context that fossil fuel resources are increasingly exhausted, environmentalpollution and climate change are becoming more and more serious, while the loadcontinues to increase rapidly, the demand for power sources for development is increasing.Therefore, the exploitation of solar power is even more important in terms of ensuringelectricity supply. Researching to design and implement the maximum charging circuit forsolar power system. Solar power is becoming more and more widely used, however, one ofthe disadvantages of the solar power source is that it requires storage devices like batteries.For optimal battery charging, a charging control circuit is required. This project was doneby using simulation and construction testing methods. The charging circuit is designed onProteus software, programmed and after construction tested at Thu Dau Mot University.The circuit has operated stably, tested with a 20W battery, 12 V - 5Ah battery. The results ofthe study help to provide the optimal solution for the exploitation of solar energy, effectivelyserving the energy production process.32Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu MộtSố 4(47)-20201. Đặt vấn đềNăng lượng tái tạo đang trở nên phổ biến trong cuộc sống hàng ngày cả dân dụngvà công nghiệp (Qazi và nnk, 2019). Trong các nguồn năng lượng tái tạo như gió, địanhiệt, sóng biển… năng lượng mặt trời được khai thác hiệu quả hơn. Năng lượng mặt trờisử dụng hiệu quả cho các hệ thống nối lưới hoặc độc lập (Khan & Rehan, 2016), (Oró,2015). Tấm pin mặt trời được cấu tạo từ các chất bán dẫn, khi có ánh nắng chiếu vào thìsẽ được chuyển đổi thành điện năng do hiệu ứng quang điện. Các tấm pin năng lượng mặttrời (PV) được mắc nối tiếp hoặc song song, tùy theo nhu cầu năng lượng của phụ tải.Hiện nay, các tấm pin năng lượng mặt trời có công suất từ vài W đến 500W. Công suấtngõ ra của tấm pin mặt trời luôn thay đổi, phụ thuộc vào thời tiết, nhiệt độ, đặc biệt phụthuộc vào bức xạ từ mặt trời. Để có được sản lượng điện tối đa từ các tế bào quang điện,chúng ta có nhiều kỹ thuật khác nhau, như sử dụng hệ thống solar tracking (ThanhNguyen Ba & Hong-Xuyen Thi Ho, 2020), sử dụng mạch điều khiển sạc tối ưu(Bhatnagar & Nema, 2013), (Ishaque & Salam, 2013), (Subudhi & Pradhan, 2012).MPPT (Maximum Power Point Tracking) là một thuật toán mà bộ điều khiển sạcsử dụng giúp cho các tấm pin mặt trời kết nối vào nó nhằm hấp thụ tối đa năng lượngmặt trời. Khi tia nắng mặt trời thay đổi thì điểm công suất cực đại của tấm pin sẽ thayđổi theo. Lúc này thì bộ điều khiển sạc phát huy tác dụng. Bộ điều khiển sạc sẽ điềuchỉnh sao cho mối quan hệ V-I luôn ở mức cực đại (hình 1).Hình 1. Biểu đồ đặc tính điện áp và dòng điện (Alik & Jusoh, 2017)Để làm mạch MPPT, có nhiều kỹ thuật được áp dụng như nhiễu loạn và quan sát(perturb and observe) (Ahmed & Salam, 2015), độ dẫn điện tăng dần (incrementalconductance) (Tey & Mekhilef, 2014), điện áp phân số (fractional voltage) (Shebani vànnk., 2016), dòng điện phân số (fractional current) (Sher và nnk., 2015), mạng trí tuệnhân tạo (Rizzo & Scelba, 2015)... Đề tài nghiên cứu này, chúng tôi thiết kế, thi côngmạch sạc MPPT theo giải thuật nhiễu loạn và quan sát (P&O) với mục đích tăng hiệu33 />suất tối đa của hệ thống khai thác năng lượng mặt trời. Giải thuật P&O được đánh giá làđơn giản, dễ thi công và có độ chính xác cao.Phần còn lại của bài viết này được tổ chức như sau: phần 2 trình bày về tổng quanmạch sạc MPPT; phần 3 trình bày về thiết kế thi công mạch sạc; phần 4 trình bày kếtquả thử nghiệm; phần cuối cùng là kết luận.2. Cơ sở và phương pháp2.1 Mạch MPPT là gì?MPPT (Maximum Power Point Tracking) là phương pháp dò tìm điểm làm việccó công suất cực đại của hệ thống pin mặt trời thông qua việc đóng mở khóa điện tử củabộ biến đổi DC– DC.Các đường cong đặc tuyến P-V biểu diễn hoạt động của một tế bào quang điện,các đường cong I-V cung cấp các thông tin cần thiết để cấu hình một hệ mặt trời để nócó thể hoạt động gần với điểm công suất đỉnh tối đa của nó (MPP) càng tốt.Hình 2. Sơ đồ khối của mạch MPPTKhi một tấm pin mặt trời được mắc trực tiếp vào một tải, điểm làm việc của tấmpin mặt trời đó sẽ là giao điểm giữa đường đặc tính làm việc I – V và đường đặc tính I–V của tải. Đặc tính làm việc của pin mặt trời và tải có thể thay đổi giá trị:Từ đặc tính I–V cho thấy có một điểm gọi là MPP (maximum power point) làđiểm mà khi hệ thống hoạt động tại điểm đó thì công suất ra của pin mặt trờilà lớn nhất.Trong hầu hết các ứng dụng người ta mong muốn tối ưu hóa dòng công suất ratừ pin măng lượng mặt trời tới tải. Để làm được điều đó thì đòi hỏi điểm hoạtđộng của hệ thống phải được thiết lập ở điểm MPP.Tuy nhiên, vì điểm hoạt động với công suất lớn nhất (MPP) phụ thuộc vào bứcxạ mặt trời, nhiệt độ và điều kiện môi trường thay đổi ngẫu nhiên nên vị tríđiểm MPP cũng thay đổi liên tục. Do đó, để đảm bảo hệ thống luôn làm việc34Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu MộtSố 4(47)-2020điểm MPP hoặc ở lân cận điểm MPP thì người ta sử dụng một mạch đặc biệtgọi là MPPT để bám theo điểm có công suất cực đại.2.2 Thuật toán xác định điểm có công suất cực đại (MPPT)Vị trí của điểm MPP trên đường đặc tính I–V là không biết trước và nó luôn thayđổi phụ thuộc vào điều kiện bức xạ và nhiệt độ. Chẳng hạn, như hình sau đây trình bàyđặc tính I– Vcủa pin mặt trời khi giữ nhiệt độ cố định ở 25℃ và bức xạ mặt trời thay đổi.Do đó, cần có một thuật toán để theo dõi đểm MPP, thuật toán này chính là trái tim củabộ điều khiển MPPT. Có nhiều thuật toán được nghiên cứu và ứng dụng trong thực tế,trong đó phổ biến nhất là thuật toán P&O. Thuật toán P&O, còn được là phương pháp“leo đồi” được sử dụng phổ biến nhất trong thực tế bởi tính đơn giản của thuật toán vàdễ dàng thực hiện. Hình sau đây cho thấy công suất ra của pin mặt trời là một hàm củadòng điện. Trong thuật toán này dòng điện hoạt động của pin mặt trời bị nhiễu bởi mộtgia số nhỏ ΔI và kết quả làm thay đổi công suất, ΔP được quan sát (observer).Hình 3. Đặc tính làm việc của pin mặt trời khi có bức xạ thay đổiHình 4. Nguyên lý hoạtđộng của thuật toánnhiễu loạn và quan sát(P&O) (Lee & Yun,2019).35 />Hình 4 mô tả nguyên lý hoạt động của thuật toán P&O, từ đó có thể suy raphương thức hoạt động của thuật toán như sau:Nếu điểm hoạt động của hệ thống di chuyển theo hướng 1 tức ΔP < 0 và ΔI < 0 thìcần tăng dòng điện hoạt động lên để di chuyển điểm hoạt động tới điểm MPP.Nếu điểm hoạt động của hệ thống di chuyển theo hướng 2 tức ΔP > 0 và ΔI > 0 thìcần tăng dòng điện hoạt động lên để di chuyển điểm hoạt động tới điểm MPP.Nếu điểm hoạt động của hệ thống di chuyển theo hướng 3 tức ΔP > 0 và ΔI < 0 thìcần giảm dòng điện hoạt động để di chuyển điểm hoạt động tới điểm MPP.Nếu điểm hoạt động của hệ thống di chuyển theo hướng 4 tức ΔP < 0 và ΔI > 0 thìcần giảm dòng điện hoạt động để di chuyển điểm hoạt động tới điểmMPP.Hình 5. Lưu đồ thuật toán P&O3. Kết quả và thử nghiệm3.1 Giới thiệu cấu trúc hệ thốngHệ thống khai thác năng lượng mặt trời bao gồm các thiết bị chính sau đây (hình6): (1) Tấm pin năng lượng mặt trời; (2) Bộ điều khiển sạc MPPT được lập trình bởi viđiều khiển PIC16F877A; (3) Bộ điều khiển solar tracking gồm 2 động cơ servo, vi điềukhiển Arduino Uno R3. Thành phần cốt lõi trong hệ thống này là mạch sạc MPPPTđược điều khiển bằng vi xử lý PIC16F877A.36Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu MộtSố 4(47)-2020Hình 6. Sơ đồ cấu trúc hệ thống3.2 Sơ đồ nguyên lý mạch sạc MPPTSơ đồ nguyên lý của mạch sạc MPPT được thiết kế trên phần mềm Proteus nhưhình 7. Trong đó gồm các linh kiện chủ yếu: điện trở, tụ điện, transistor mosfet, cuộncảm, LED, diode, thạch anh, LCD, vi điều khiển PIC.Hình 7. Sơ đồ nguyên lý mạch MPPT trên phần mềm Proteus 8.73.3 Thi công mạchSau khi thiết kế mạch trên phần mềm, nhóm tác giả tiến hành thi công, lắp rápmạch. Kết quả thi công mạch sạc MPPT như hình 8. Mạch sạc này được kết nối với tấmpin mặt trời có điều khiển tracking và sạc cho ác quy 12V5Ah.37 />Hình 8. Mạch sạc MPPT hoàn chỉnhHình 9. Mô hìnhhoàn chỉnh trạm sạcnăng lượng mặt trời3.4 Thử nghiệmChúng tôi đã thực hiện thử nghiệm mạch MPPT sạc cho ác quy 12V5Ah vào ngày28/05/2020 tại Trường Đại học Thủ Dầu Một. Giá trị điện áp, dòng điện và công suấtngõ ra của mạch MPPT sạc vào ác quy được mô tả ở bảng 1. Quá trình kiểm tra chothấy hệ thống hoạt động ổn định, đáp ứng yêu cầu đặt ra của nhóm nghiên cứu.38Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu MộtSố 4(47)-2020Bảng 1. Dữ liệu công suất ngõ ra của mạch sạc MPPT trong ngàyThông số ngõ raThời gian(h: mm)I(mA)U(V)P (W)6:30990.0817:007:308:008:309:009:3010:0010:3011:0011:3012:0012:3013:0013:3014:0014:3015:0015:3016:0016:3017:0017:3018:0018:302542647382951111151201211201231201251241251231201161019870251010131413.913.814.514.514.614.714.814.714.814.814.514.713.813.31312.913108720.250.5460.8961.01471.13161.37751.60951.6791.7641.79081.7641.82041.7761.81251.82281.7251.63591.561.49641.3130.980.560.1750.02Hình 10. Kiểm tra hoạt động của các linh kiện trong mạch sạc MPPT39 />4. Kết luậnNăng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo quan trọng, được xem là nguồn nănglượng sạch. Tuy nhiên, năng lượng này phụ thuộc vào thời gian ngày và đêm, do đó cần cóác quy lưu trữ. Để sạc điện cho ác quy tốt chúng ta cần bộ điều khiển MPPT. Đề tài nàynhóm tác giả đã thiết kế, thi công mạch sạc MPPT cho ác quy. Thiết bị được lập trình bởi viđiều khiển PIC, có hiển thị thông số qua LCD. Trong tương lai, nhóm tác giả sẽ cải tiếnphần cứng với hiển thị số liệu thời gian, điện áp, dòng điện, công suất qua mạng IoT.TÀI LIỆU THAM KHẢO[1] Qazi, A., Hussain, F., Rahim, N. A., Hardaker, G., Alghazzawi, D., Shaban, K., & Haruna,K. (2019). Towards sustainable energy: a systematic review of renewable energy sources,technologies, and public opinions. IEEE Access, 7, 63837-63851.[2] Khan, Z., & Rehan, M. (2016). Harnessing Airborne Wind Energy: Prospects andChallenges. Journal of Control, Automation and Electrical Systems, 27(6), 728-740.[3] Oró, E., Depoorter, V., Garcia, A., & Salom, J. (2015). Energy efficiency and renewableenergy integration in data centres. Strategies and modelling review. Renewable andSustainable Energy Reviews, 42, 429-445.[4] Ba Thanh Nguyen, Hong-Xuyen Thi Ho (2020). Design, Implementation and PerformanceAnalysis of a Dual Axis Solar Tracking System. Adv. Sci. Technol. Eng. Syst. J. 5(3), 41-45(2020); DOI: 10.25046/aj050306[5] Bhatnagar, P., & Nema, R. K. (2013). Maximum power point tracking control techniques:State-of-the-art in photovoltaic applications. Renewable and Sustainable Energy Reviews,23, 224-241.[6] Ishaque, K., & Salam, Z. (2013). A review of maximum power point tracking techniques ofPV system for uniform insolation and partial shading condition. Renewable and SustainableEnergy Reviews, 19, 475-488.[7] Subudhi, B., & Pradhan, R. (2012). A comparative study on maximum power point trackingtechniques for photovoltaic power systems. IEEE transactions on Sustainable Energy, 4(1), 89-98.[8] Alik, R., & Jusoh, A. (2017). Modified Perturb and Observe (P&O) with checkingalgorithm under various solar irradiation. Solar Energy, 148, 128-139.[9] Ahmed, J., & Salam, Z. (2015). An improved perturb and observe (P&O) maximum powerpoint tracking (MPPT) algorithm for higher efficiency. Applied Energy, 150, 97-108.[10] Tey, K. S., & Mekhilef, S. (2014). Modified incremental conductance MPPT algorithm tomitigate inaccurate responses under fast-changing solar irradiation level. SolarEnergy, 101, 333-342.[11] Shebani, M. M., Iqbal, T., & Quaicoe, J. E. (2016, October). Comparing bisectionnumerical algorithm with fractional short circuit current and open circuit voltage methodsfor MPPT photovoltaic systems. In 2016 IEEE Electrical Power and Energy Conference(EPEC) (pp. 1-5). IEEE.[12]Sher, H. A., Murtaza, A. F., Noman, A., Addoweesh, K. E., Al-Haddad, K., & Chiaberge, M.(2015). A new sensorless hybrid MPPT algorithm based on fractional short-circuit currentmeasurement and P&O MPPT. IEEE Transactions on sustainable energy, 6(4), 1426-1434.[13] Rizzo, S. A., & Scelba, G. (2015). ANN based MPPT method for rapidly variable shadingconditions. Applied Energy, 145, 124-132.[14] Lee, H. S., & Yun, J. J. (2019). Advanced MPPT Algorithm for Distributed PhotovoltaicSystems. Energies, 12(18), 3576.40

Tài liệu liên quan

thiết kế mạch công suất cho hệ thống điều khiển tiristor - động cơ một chiều
- 63
- 799
- 0
Nghiên cứu điều khiển tối ưu công suất cho hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới
- 117
- 672
- 3
Tính toán động lực học và thiết kế điều khiển cộng tác cho hệ thống SMMS
- 91
- 274
- 0
ỨNG DỤNG MATLAB LẬP TRÌNH TÍNH TOÁN PHÂN BỐ CÔNG SUẤT CHO HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI CAO ÁP ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG
- 105
- 486
- 3
Thực hiện tổng quan hệ thống điện tử công suất cho hệ thống tuabin gió
- 62
- 100
- 0
Thực hiện tổng quan hệ thống điện tử công suất cho hệ thống tuabin gió
- 62
- 175
- 1
Thực hiện tổng quan hệ thống điện tử công suất cho hệ thống tuabin gió (Khóa luận tốt nghiệp)
- 62
- 124
- 0
Thực hiện tổng quan hệ thống điện tử công suất cho hệ thống tuabin gió
- 62
- 105
- 0
Thực hiện tổng quan hệ thống điện tử công suất cho hệ thống tuabin gió
- 67
- 91
- 0
Nguyên cứu ứng dụng PSS để ổn định công suất cho hệ thống máy phát điện nhà máy lọc dầu Dung Quất
- 26
- 139
- 0