Hệ thống lạnh cấp nguồn từ pin mặt trời
HỆ THỐNG LẠNH CẤP NGUỒN TỪ PIN MẶT TRỜI
COOLING SYSTEM POWERED BY SOLAR CELLS
PGS.TS Nguyễn Minh Tâm(1) , Trương Thanh Hiếu(2)
(1) Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM
(2) Trường Cao Đẳng Nghề Tiền Giang.
TÓM TẮT
Năng lượng mặt trời được coi là năng lượng tái tạo ưu tiên hàng đầu. Trong đó,” Hệ thống
lạnh cấp nguồn từ pin mặt trời” được quan tâm nghiên cứu và phát triển. Đề tài dựa trên việc thiết
lập tính chọn công suất máy nén và công suất pin quang điện theo nhu cầu sử dụng cụ thể tại vị trí
đía lý lắp đặt. Điểm nổi bật của hệ thống là việc lấy nguồn trực tiếp từ pin quang điện không sử dụng
ắcquy qua bộ điều khiển cấp nguồn cho máy nén dùng động cơ không đồng bộ một pha; ở đây hệ
thống đáp ứng gần như trực tiếp nhu cầu sử dụng. Hệ thống sử dụng cấu hình đơn giản, phổ biến
thông dụng trên thị trường, giá thành rẻ và dễ bảo trì sửa chữa. Toàn bộ sử dụng phần mềm
matlab/simulink mô phỏng.
Từ khóa: năng lượng mặt trời; pin quang điện; máy nén; bộ điều khiển; động cơ không đồng
bộ một pha.
ABSTRACT
Solar is considered a priority renewable energy. In particular, "cooling system powered by
solar cells" is interested in research and development. The subject is based on the setting of capacity
selection of the compressor capacity and the photovoltaic power demand according to the specific
use in the location of the installation. The highlight of the system is direct power from non-battery-
operated photovoltaic cells via a single-phase asynchronous power supply to the compressor; Here
the system meets almost direct use needs. The system uses simple configuration, popular in the
market, low cost and easy to maintain repair. The whole software use matlab / simulink simulation.
Keywords: Solar; Photovotaic battery; Compressor; Power conditioner; Single-phase
asynchronous
1. GIỚI THIỆU
bền, ít cần bảo dưỡng và sẵn có trên thị trường.
Kết quả nghiên cứu được rút ra dựa vào mô
Việt Nam là nước có tiềm năng lớn về năng
lượng mặt trời [18]. Để hệ thống lạnh hoạt động phỏng hệ thống hoàn thiện bằng phần mềm
hiệu quả thì trong giải thuật điều khiển của bộ điều Matlab/Simulink.
khiển cần có [20 – 25]: (1) thuật toán tìm công
suất cực đại (MPPT – Maximum Power Point
NÉN VÀ CÔNG SUẤT PIN QUANG ĐIỆN
Tracking), (2) điều khiển tốc độ của máy nén sao
cho công suất ra tương ứng với công suất nhận
được từ bộ pin quang điện.
2. TÍNH TOÁN CHỌN CÔNG SUẤT MÁY
2.1 Trình tự tính toán:
Bước 1: Chọn công suất hệ thống lạnh
- Xác định thông số ngõ vào
Hệ thống lạnh trong đề tài không cần sử dụng
ăcquy để lưu trữ năng lượng giúp giảm nhiều giá
thành của hệ thống. Ưu điểm của hệ thống này là
chi phí đầu tư ban đầu thấp hơn, thời gian hoàn
vốn nhanh. Máy nén sử dụng động cơ xoay chiều
không đồng bộ trong các hệ thống lạnh dùng pin
quang điện hiện được quan tâm trong nhiều
nghiên cứu [20 – 25], do động cơ loại này rẻ tiền,
+ Công suất cần làm lạnh
+ Nhiệt độ môi trường cần làm lạnh 00C.
+ Nhiệt độ môi trường bên ngoài 400C.
+ Môi chất lạnh sử dụng hệ thống lạnh là
R22.
TRANG 1
+ Hệ thống lạnh chỉ có động cơ máy nén tiêu
thụ điện năng.
Công suất hiệu dụng
Ne = Ni + Nms
(kW)
(kW)
- Xác định thông số ngõ ra
Công suất điện tiêu thụ
+ Công suất máy nén cần sử dụng.
Bước 2: Chọn công suất pin quang điện
Ne
Nel =
tđel
- Khảo sát pin quang điện
- Từ công suất máy nén lựa chọn số lượng pin
và mô phỏng đặc tuyến.
Công suất động cơ lắp đặt
Ndc = (1,1 – 2,1) Nel
(kW)
Bước 3: Kiểm tra tính toán công suất pin mặt
trời theo cường độ chiếu nắng G (W/m2) tại vị trí
địa lý lắp đặt hệ thống xem có đáp ứng được nhu
cầu sử dụng hay không.
2.3 Kiểm tra công suất máy nén và công suất
pin quang điện
Bảng số liệu cường độ chiếu sáng 12 tháng
trong năm theo từng giờ trong ngày. Số liệu này
được thu thập bằng cách truy cập trang web [29]
của Nasa, nhập tọa độ khu vực khảo sát.
2.2 Chọn công suất máy nén
Năng suất lạnh riêng
1000
qo = h1 – h4
Năng suất nhiệt thải riêng
qk = h2 – h3
(kJ/kg)
(kJ/kg)
giờ
0
7
1
8
2
9
3
4
5
6
10
11
12
500
0
Công nén riêng: l = h2 – h1
(kJ/kg)
Lưu lượng khối lượng môi chất
m = Q
(kg/s)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12
q0
Hình 2.1 Đồ thị chiếu sáng mặt trời các tháng
trong năm
Năng suất dàn ngưng
Qk = m.qk
(kW)
Cường độ chiếu sáng
Thể tích hơi thực tế hút vào xylanh:
Vtt = m.v1
(m3/s)
800
G (W/m2)
600
Hệ số cấp
400
200
0
= c.w.k.r.tl
Thể tích chuyển dời của pittông:
0
2
4
6
8
10 12 14 16 18 20 22
V
(m3/s)
Vh =
Hình 2.2 Đồ thị cường độ chiếu sáng tại các
thời điểm trong ngày (tháng 1) [29]
Công suất đoạn nhiệt
3. BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC VÀ GIẢI THUẬT
ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI
Ns = m.l
Công suất chỉ thị
(kW)
(kW)
3.1 Bộ biến đổi DC-DC
Hệ thống chúng ta lựa chọn ban đầu không
dùng để sạc cho ăcquy, điện áp toàn bộ năng
lượng từ pin mặt trời đưa ra được nâng lên mức
điện áp cao để cấp cho tải trước khi đưa vào bộ
biến đổi DC/AC. Như vậy, ta thấy mạch DC/DC
trong hệ thống ta lựa chọn phương án sử dụng
Ns
Ni =
i
Công suất ma sát
Nms = V.Pms
(kW)
TRANG 2
mạch Boost. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 4. BỘ NGHỊCH LƯU DC-AC VÀ LỰA
mạch Boost.
CHỌN CẤU HÌNH INVERTER
D
L
4.1 Bộ nghịch lưu DC-AC
_
+
iL(t)
vL(t)
+
iC(t)
C
Bộ nghịch lưu áp [7] cung cấp và điều khiển
điện áp xoay chiều ở ngõ ra. Chọn lựa giữa hai
cấu hình 4 van bán dẫn và 6 van bán dẫn [27-28].
Q1
Rt
+
_
Vg
Vo
_
Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý mạch Boost
Bộ Boost converter có tác dụng điều chỉnh
điện áp đầu ra lớn hơn điện áp đầu vào. Hoạt động
của bộ Boost được thực hiện qua cuộn kháng L
khá lớn có vai trò như một nguồn dòng. Chuyển
mạch Q1 đóng mở theo chu kỳ. Khi Q1 mở cho
dòng qua (ton) cuộn kháng tích năng lượng, khi Q1
đóng (toff) cuộn kháng giải phóng năng lượng qua
điôt tới tải. Năng lượng cung cấp từ cuộn cảm và
nguồn làm cho điện áp đầu ra tăng lên.
Hình 4.1 Cấu hình inverter 4 khóa
3.2 Giải thuật điều khiển công suất cực đại
Giải thuật gây nhiễu loạn và quan sát P&O
[20-25] được sử dụng:
Bắt đầu
P&O
Đo V(k), I(k)
P(k) = V(k).I(k)
ΔP = P(k) - P(k-1)
ΔV = V(k) - V(k-1)
Hình 4.2 Cấu hình inverter 6 khóa
S
Đ
ΔP >0
Đối với cấu hình inverter 4 khóa, để tạo
xung điều khiển các khóa IGBT ta chỉ cần chọn 2
sóng sin điều chế có cùng biên độ, tần số và có
góc lệch pha là 180o. Riêng đối với cấu hình
Inverter 6 khóa, ta cần phải phân tích góc pha của
3 sóng sin điều chế để điện áp giữa 2 đầu cuộn
chính và phụ lệch pha nhau 90o.
Đ
Đ
ΔV > 0
ΔV > 0
S
S
D = D + ΔD
D = D - ΔD
D = D + ΔD
D = D - ΔD
V(k-1) = V(k)
P(k-1) = P(k)
Hình 3.2 Lưu đồ giải thuật P&O
4.2 Lựa chọn cấu hình inverter
Thuyết minh thuật toán:
Mô hình động cơ không đồng bộ một pha
trong Matlab/Simulink [1] hình 4.3.
- Đo các giá trị dòng và áp ra tại thời điểm k
của pin mặt trời
- Tính
,
và
P = P(k) −P(k−1)
P(k) = V(k)I(k)
.
V = V(k) −V(k−1)
- Nếu
và
hoặc
và
thì
V 0
P 0
V 0
P 0
giảm chu kỳ nhiệm vụ D.
- Nếu và hoặc
và thì
V 0
P 0
V 0
P 0
tăng chu kỳ nhiệm vụ D.
- Cập nhật các giá trị dòng điện và công suất
rồi thực hiện chu trình tiếp theo.
Hình 4.3 Mô hình động cơ một pha trong
Matlab/Simulink
TRANG 3
Dòng điện cuộn chính: IRMS = 3.103A. Dòng điện cuộn phụ: IRMS = 0.839A
Hình 4.8 Dòng điện cuộn chính và cuộn phụ
của cấu hình inverter 4 khóa tại tần số 50Hz
Dòng điện cuộn chính: IRMS = 2.294A. Dòng điện cuộn phụ: IRMS = 1.519A
Hình 4.4 Mô hình mô phỏng inverter 4 khóa
Hình 4.9 Dòng điện cuộn chính và cuộn phụ
của cấu hình inverter 6 khóa tại tần số 50Hz
Về dòng điện chạy qua hai cuộn dây chính và
phụ của động cơ, dễ dàng thấy được dạng sóng
của cấu hình inverter 6 khóa ra hình sin chuẩn hơn
cấu hình inverter 4 khóa.
Hình 4.5 Mô hình mô phỏng inverter 6 khóa
Xét tổng thể hiệu năng, độ ổn định có thể
nhận thấy sự ổn định ở cấu hình inverter 6 khóa,
nhưng xét về mặt công suất sử dụng đầu ra cho
máy nén thì gần như ngang nhau; tốc độ động cơ
cấu hình inverter 4 khóa tốt hơn cấu hình inverter
6 khóa. Mặt khác, cấu hình inverter 4 khóa về thao
tác lắp ráp có phần đơn giản, không đòi hỏi nhiều
về phần chuyên môn lắp đặt, trong khi việc tách
hai cuộn dây riêng và lược bỏ tụ điện sẽ gây nhầm
lẫn cho người lắp. Cho nên, về mặt điều khiển ta
đề cao khả năng đáp ứng được hệ thống và việc
sử dụng thuận tiện cho người sử dụng được đặt
lên hàng đầu. Do vậy, cấu hình inverter 4 khóa có
thể được xem xét để đưa vào sử dụng.
= 1238 rpm
Hình 4.6 Tốc độ động cơ của cấu hình inverter 4
khóa tại tần số 50Hz
= 1200 rpm
5. MÔ PHỎNG TOÀN HỆ THỐNG
5.1
Mô hình mô phỏng
Hình 4.7 Tốc độ động cơ của cấu hình inverter 6
khóa tại tần số 50Hz
TRANG 4
V=206.9 VAC
Thời gian (s)
Hình 5.1 Mô hình mô phỏng toàn hệ thống
Hình 5.4 Điện áp đầu ra bộ DC/AC mạch xét cố
5.2 Kết quả mô phỏng khi ta thay đổi cường độ
chiếu nắng
định cường độ chiếu nắng
Cường độ chiếu nắng từ 700W/m2 xuống
P = 680.8 W, =98.1%
P = 666.1 W, =97.9%
P = 650.2 W, =97.8%
500W/m2 rồi tăng lên 600W/m2
V=212.5 VAC
Hình 5.5 Công suất hệ thống mạch xét cố định
cường độ chiếu nắng
Nhận xét: Hệ thống đáp ứng tốt
5.3 Mô phỏng hệ thống khi ta thay đổi tải vào
động cơ máy nén.
Hình 5.2 Điện áp đầu ra bộ DC/AC mạch xét cố
định nhiệt độ môi trường
Sau khi ta mô phỏng hệ thống bằng cách thay
đổi cường độ chiếu nắng và thay đổi nhiệt độ
chiếu nắng. Ta thấy hệ thống lạnh hoạt động tốt
nhất ở cường độ chiếu nắng 600W và nhiệt độ
chiếu nắng là 25oC. Tiếp tục mô phỏng khi ta thay
P = 787 W, =98.1%
P = 681.9 W, =98.3%
P = 572.1 W, =98.5%
đổi tải đặt vào động cơ.
V=203 VAC
Hình 5.3 Công suất hệ thống mạch xét cố định
nhiệt độ môi trường
Nhận xét: Hệ thống đáp ứng tốt.
Thời gian (s)
5.3 Kết quả mô phỏng khi ta thay đổi nhiệt độ
chiếu nắng
Hình 5.1 Điện áp đầu ra bộ DC/AC
Mô hình mô phỏng toàn hệ thống cố định
cường độ chiếu nắng tại 600W/m2,cho nhiệt độ đầu
vào thay đổi từ 25oC lên 35 oC rồi xuống lại 30oC.
P=676.5 W, =98%
Thời gian (s)
Hình 5.2 Công suất hệ thống mạch xét cố định
cường độ chiếu nắng
Nhận xét: Hệ thống đáp ứng tốt
TRANG 5
6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT
TRIỂN
Tổng hợp cả hệ thống qua việc phân tích,
đánh giá, chọn lựa cấu hình cho từng phần và
mô phỏng hoàn chỉnh cho cả hệ thống.
6.1 Kết luận
6.2 Hướng phát triển
Tìm hiểu được ứng dụng pin mặt trời cấp
nguồn cho hệ thống hệ thống lạnh. Tình hình
áp dụng thực tế trên thế giới và các sản phẩm
trong nước cũng như hướng phát triển của hệ
thống. Nắm được sơ đồ tổng quan chung của
cấu hình ứng dụng hệ thống lạnh dùng pin
mặt trời.
Trong tương lai có thể lắp mạch phần
cứng và phần mềm để điều khiển hệ thống
Phát triển cách tính, phương pháp ngắn
hơn để khi đề ra cho hệ thống lạnh có công
suất lớn hơn
Áp dụng các kết quả tìm được vào thực
nghiệm và đưa mạch vào thực tế sử dụng.
Xây dựng cấu hình từ việc giả lập nhu
cầu sử dụng lạnh, qua đó căn cứ vào nhu cầu
và đo đạt thông số đầu vào mà ta tính toán chi
tiết được công suất lắp đặt cho ngõ ra và năng
lượng pin quang điện đủ để đáp ứng hệ thống.
Đưa tính hiệu nhiệt độ của buồng lạnh để
điều khiển điều khiển tần số vào động cơ máy
nén
Ngưỡng công suất sử dụng rộng hơn và
đưa ra nhiều ứng dụng tốt hơn nữa về hệ
thống lạnh sử dụng năng lượng mặt trời như
hệ thống của đề tài...
Tìm hiểu cấu hình mạch điện tử công
suất, xây dựng được mô hình mô phỏng bằng
công cụ Matlab/Simulink.
Tìm hiểu, xây dựng mô phỏng, xác định
cấu hình cũng như phương pháp điều khiển
tốc độ động cơ.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Trần Khánh Hà. Động cơ điện không đồng bộ ba pha và một pha công suất nhỏ. NXB Khoa
học và Kỹ thuật Hà Nội, 2002, tr. 229 - 250.
[2] Lê Anh Nhật, luận văn “Điều khiển động cơ không đồng bộ một pha”, 5-2015
[3] Nguyễn Phùng Quang. MATLAB & SIMULINK dành cho kỹ sư điều khiển tự động. Nhà
xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 2004.
[4] Phan Quốc Dũng - Tô Hữu Phúc. Truyền động điện. NXB Đại học quốc gia TP. Hồ Chí
Minh, 2012. Tr. 116 - 176.
[5] Nguyễn Đức Lợi, 2002. Hướng dẫn thiết kế hệ thống lạnh. Trường Đại học Bách khoa Hà
nội.
[6] Nguyễn Đức Lợi và Phạm Văn Tùy, 2003. Kỹ thuật lạnh cơ sở. NXB Giáo dục Hà nội.
[7] Nguyễn Văn Nhờ. Điện tử công suất 1. NXB Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh, 2015, tr.
202.
[8] European Commission, DG Joint Research Centre, Institute for Environment and
Sustainability, Renewable Energies Unit. PV status report 2006. Ispra,Italy; 2006. EUR
[9] Ja ¨ger-Waldau A. Photovoltaics and renewable energies in Europe. Renewable
and Sustainable Energy Reviews 2007;11:1414–37.
TRANG 6
[10] Al-Karaghouli A, Al-Sabounchi AM. A PV pumping system. Applied Energy 2000;65:231–
8.
[11] Firatoglu ZA, Yesilata B. New approaches on the optimization of directly coupled PV
pumping systems. Solar Energy 2004; 77:81–93.
[12] Fiaschi D, Graniglia R, Manfrida G. Improving the effectiveness of solar pumping systems
by using modular centrifugal pumps with variable rotational speed. Solar Energy 2005;
79:234–44.
[13] Mukund R. Patel, Ph.D., P.E, “Wind and Solar Power Systems”.
[14 ] Gilbert M. Masters, “Renewable and Efficient Electric Power Systems”, 2004.
[15] ER120, Renewable Energy, “Stand Alone Photovoltaic System Design Principles”,
21/02/2002.
[16] Bent Sorensen, “Renewable Energy” ,1997.
[17] A. Goetzberger, V.U. Hoffmann, “Photovoltaic Energy Genearation”,2005.
[18] Tom Markvart and Luis Castaner, “Handbook of Photovoltaics”.
[19] R. Foster and A. Ellis, “Renewable Energy for Water Pumping Applications in
Rural Villages”, Period of Performance: April 1,2001 – September 1,2001.
[20] S. R. Bhat, A. Pittet, and B. S. Sonde, "Performance Optimization of Induction Motor-Pump
System Using Photovoltaic Energy Source," IEEE Transactions on Industry Applications,
vol. IA-23, pp. 995 - 1000, 1987.
[21] M.A. Green, “Third Generation Photovoltaics”, 2003.
[22] SolarHome.org
[23] Luis Castaner and Santiago Silvestre, “Modelling Photovoltaic Systemsusing PSpice”,
2002.
[24] Jeff Bishop, Jim Bales, Amy Smith, and Shawn Frayne,” The Photovoltaic Primer”.
[25] Mukund R. Patel, Ph.D., P.E, “Wind and Solar Power Systems”
[26] M. A. Vitorino, M. Beltrao de Rossiter Correa, C. B. Jacobina, and A. M. N. Lima, "An
Effective Induction Motor Control for Photovoltaic Pumping," IEEE Transactions on
Industrial Electronics, vol. 58, pp. 1162 - 1170, 2011.
[27] H. Beltran, E. Perez, Z. Chen, F. J. Gimeno-Sales, Segui, x, S. Chilet, J. Soler, and E.
Daroqui, "Analog Fixed Maximum Power Point control for a PWM step-down converter for
water pumping installations," presented at Power Electronics and Applications, 13th
European Conference on Barcelona, 2009.
[28]Habbati Bellia, Ramdani Youcef and Moulay Fatima " A detailed modeling of photovoltaic
module using MATLAB", Received 13 June 2013; revised 14 February 2014; accepted 9
April 2014, Available online 16 May 2014.
[29] NASA Surface meteorology and Solar Energy - Location
TRANG 7
[30]Bosch c-Si M60 NA42117 245W (245W) Solar Panel
[32] Solar PV Powered Air Conditioner Analysis for an Office/Classroom in a Tropical Climate
Tác giả chịu trách nhiệm bài viết:
Họ tên: Trương Thanh Hiếu
Đơn vị: Trường CĐ Nghề Tiền Giang
Điện thoại: 0945219531
Email: hieudie[email protected]
Xác nhận của GVHD
PGS.TS Nguyễn Minh Tâm
TRANG 8
BÀI BÁO KHOA HỌC
THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ
Bài báo khoa học của học viên
có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn
Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ
Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam.
Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý
của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.
ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN!
Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2018-2019 của Thư viện Trường Đại học
Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.
9 trang
09/01/2024
18060
Free
Bạn đang xem tài liệu "Hệ thống lạnh cấp nguồn từ pin mặt trời", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- he_thong_lanh_cap_nguon_tu_pin_mat_troi.pdf
