Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật GVHD: TS. Lưu Hồng Việt Nguyễn Minh Chương Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Minh Chương ĐỀ TÀI

THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG BỘ NẠP NĂNG LƯỢNG
ĐIỆN MẶT TRỜI SỬ DỤNG CHO NGUỒN CHIẾU
SÁNG ĐƯỜNG PHỐ CÔNG SUẤT 100 W

Chuyên ngành : ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA (KT) LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Phần A
GIỚI THIỆU
Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật GVHD: TS. Lưu Hồng Việt Nguyễn Minh Chương Trang 3

LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, nền kinh tế của mỗi quốc gia càng phát triển, năng lượng được coi
là nguồn sống của mỗi quốc gia. Do vậy, nhu cầu sử dụng năng lượng, đặc biệt là


Nguyễn Minh Chương Trang 4

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian thực hiện đề tài, em đã lĩnh hội được nhiều kinh nghiệm và
kiến thức bổ ích.Việc thi công mạch luận văn đã giúp em có điều kiện tiếp xúc với
thực tiễn, bổ sung những kiến thức thực tế còn thiếu.
Để hoàn thành luận văn này, em đã nhận được sự giúp đở rất nhiều từ quí
Thầy Cô, và bạn bè.
Em xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy TS. Lưu Hồng Việt đã trực tiếp
hướng dẫn và tận tình giúp đỡ tạo điều kiện để hoàn thành tốt đề tài.

Xin chân thành cảm ơn!
Học viên thực hiện đề tài
Nguyễn Minh Chương
2.3.4 Sơ đồ biến đổi DC-DC không cách ly Cuk 27
CHƯƠNG III: LÝ THUYẾT LIÊN QUAN 31
3.1 Tổng quan Vi Điều Khiển dsPIC30F4011 31
3.1.1 Khối xử lý trung tâm CPU 31
3.1.2 Bộ chuyển đổi tương tự số AD 32
3.1.3 Các cổng vào ra I/O Port và các ngoại vi 32
3.1.4 Bộ xử lý tín hiệu số 32
Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật GVHD: TS. Lưu Hồng Việt Nguyễn Minh Chương Trang 6

3.1.5 Một số đặc điểm khác 32
3.2 Giới thiệu các linh kiện khác 33
3.2.1 Cảm biến dòng ACS712 33
a. Các đặc tính ……………………………………………………… 33
b. Mô tả ……………………………………………………… 33
3.2.2 IC Driver IR2104 35
a. Các đặc tính ……………………………………………………… 35
b. Mô tả ……………………………………………………… 35
3.2.3 Graphic LCD……………………………………………………… 37
a. Giới thiệu 37
b. Sơ đồ chân 38
c. Tổ chức bộ nhớ 41
d. Tập lệnh cho chip KS0108 43
CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ THỰC THI 46
4.1. Sơ đồ thực thi hệ thống 46
4.2 Tính toán thiết kế mạch nạp theo nguyên lý Cuk 46
4.3 Mô hình hóa bộ biến đổi DC – DC Cuk 50
4.4 Thiết kế mạch điều khiển 51

Nguyễn Minh Chương Trang 8

LIỆT KÊ HÌNH VẼ
Hình Trang
Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ thống năng lượng mặt trời 13
Hình 2.1: Bảng thống kê sử dụng các nguồn năng lượng năm 2008 15
Hình 2.2: Lượng khí thải CO2 sinh ra trên tạo ra 1KWh của các nguồn 16
Hình 2.3: Hệ thống năng lượng mặt trời 16
Hình 2.4: Cách bố trí góc ghiêng β của hệ thống pin 18
Hình 2.5: Đặc tính điện thế và tỷ trọng khi phóng và nạp với dòng không đổi 19
Hình 2.6 Đặc tuyến phóng điện thế với Điện thế cuối cùng 19
Hình 2.7: Dung lượng định mức dựa trên mức 8 giờ 20
Hình 2.8: Đặc tính phóng của acquy 20
Hình 2.9: Đặc tính nạp của acquy 21
Hình 2.10: Sơ đồ bộ biến đổi DC-DC không cách ly 23
Hình 2.11: Sơ đồ bộ biến đổi DC_DC cách ly 25
Hình 2.12: Sơ đồ khối mạch nạp năng lượng mặt trời DC-DC Cuk 27
Hình 2.13: Sơ đồ nguyên lý mạch DC-DC Cuk 27
Hình 2.14: Tín hiệu điều chế độ rộng xung PWM 28
Hình 2.15: Bộ biến đổi ở hai trạng thái đóng/mở van 28
Hình 2.16: Dòng điện và điện áp trên các cuộn dây 29
Hình 3.1: Sơ đồ kết nối chân ACS712 33
Hình 3.2: Sơ đồ kết nối bên trong ACS712 34
Hình 3.3: Chức năng các cảm biến ACS712 35
Hình 3.4: Bảng tóm tắt thông số IC Driver IR2104 35
Hình 3.5: Chức năng chân và điều kiện hoạt động IC Driver IR2104 36
Hình 3.6: Sơ đồ kết nối bên trong IR2104 36
Hình 3.7: Giản đồ xung của Ir2104 37
Hình 3.8: GLCD 12864B 37
Hình 3.9: Sơ đồ chân GLCD 12864B 38
Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật GVHD: TS. Lưu Hồng Việt Nguyễn Minh Chương Trang 10

LIỆT KÊ BẢNG
Bảng Trang
Bảng 2.1: So sánh chỉ tiêu chất lượng của các topology cho bộ biến đổi DC-DC . 26
Bảng 4.1 Kết quả tính toán mạch Cuk 49



Phần B
NỘI DUNG Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật GVHD: TS. Lưu Hồng Việt Nguyễn Minh Chương Trang 12CHƯƠNG I: DẪN NHẬP
1.1 Lý do chọn đề tài:
Cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật thì con người
ngày càng chú tâm vào việc tìm các nguồn năng lượng để phục vụ cuộc sống và nhu
cầu phát triển. Vì vậy, năng lượng sạch xanh không gây ô nhiễm cho môi trường
luôn là yêu cầu thiết yếu cho các quốc gia trên thế giới. Trong đó, nguồn năng
lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch, chi phí nhiên liệu và bảo dưỡng thấp, an

DC - DC DC - AC Phụ tải
48 V
400 V
380 V~
12 V
Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống năng lượng mặt trời
Bộ nạp NLMT thực hiện quá trình điều tiết luồng năng lượng từ pin mặt trời
dẫn vào acqui để tích trữ. Sau đó bộ DC – DC sẽ biến đổi điện áp 48V thành 400V
và bộ DC – DC sẽ nghịch lưu ra thành điện áp 380V xoay chiều. Bộ nạp NLMT
nhằm tối ưu hóa quá trình nạp nhằm đảm bảo tích trữ được công suất lớn nhất.
1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
Trong nghiên cứu thiết kế hệ thống nạp các vấn đề được quan tâm bao gồm:
 Mức điện áp của hệ acqui (thường ở các mức 12V, 24V, 48V), đầu
vào là điện áp ra của pin mặt trời có dòng và áp thay đổi theo điều
kiện chiếu sáng của mặt trời.
 Acqui và các phương pháp phóng nạp theo nguyên tắc hoạt động của
công nghệ.
 Cải thiện nâng cao hiệu suất thu NLMT như thay đổi hướng của pin
mặt trời nhằm bám theo mặt trời để thu được hiệu suất cao nhất.
 Thời gian và các phương pháp nạp cho Acquy.
Trong đề tài này, giải pháp cho bộ nạp pin mặt trời là sử dụng bộ biến đổi
DC-DC cấu trúc mạch Cuk. Nội dung nghiên cứu được trình bày bao gồm
các phần chính như sau:
 Nguyên lý điều khiển quá trình nạp NLMT vào Acqui
 Thiết kế phần mạch lực thực thi bộ nạp theo cấu trúc Cuk
 Tổng hợp bộ điều khiển
 Kết quả và thực nghiệm.
Phạm vi áp dụng:
Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật GVHD: TS. Lưu Hồng Việt


Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật GVHD: TS. Lưu Hồng Việt Nguyễn Minh Chương Trang 15

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG

2.1. Giới thiệu chung:
2.1.1. Vai trò của năng lượng mặt trời trong cung cấp năng lượng:

Hình 2.1: Bảng thống kê sử dụng các nguồn năng lượng năm 2008
Qua bảng thống kê ta thấy, năng lượng mặt trời vẫn chiếm tỷ lệ thấp.
Tuy nhiên một trong những đánh giá cao về năng lượng mặt trời là khả năng
lắp đặt ở nhiều nơi cũng như công suất cho một hệ thống có thể từ hộ gia đình đến
cả nhà máy điện công suất lớn. Bên cạnh đó nguồn nguyên liệu của năng lượng mặt
trời là vô tận, cũng như chất thải ra môi trường gần như không có.
Lượng khí thải CO
2
trên 1KWh điện năng theo các dạng nguồn được thống
kê theo biểu đồ dưới đây.
Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật GVHD: TS. Lưu Hồng Việt Nguyễn Minh Chương Trang 16

cho Acquy bị “đói”, dẫn đến hư hỏng. Có nhiều phương án lựa chọn hệ thống điện
mặt trời trong đó giữa dung lượng dàn pin mặt trời và bộ acquy có quan hệ tương
hỗ sau:
- Tăng dung lượng acquy thì giảm được dung lượng dàn pin mặt trời.
- Tăng dung lượng dàn pin mặt trời thì giảm được dung lượng acquy.
Các thông số cần thiết để thiết kế hệ thống điện mặt trời:
Để thiết kế, tính toán một hệ thống điện mặt trời trước hết cần một số thông
số chính sau đây:
- Các yêu cầu và các đặc trưng của phụ tải.
- Vị trí lắp đặt hệ thống.
Yêu cầu và các đặc trưng của phụ tải:
Đối với các phụ tải, cần phải biết các thông số sau:
- Gồm bao nhiều thiết bị, các đặc trưng điện của mỗi thiết bị như công
suất tiêu thụ, hiệu điện thế và tần số làm việc, hiệu suất của các thiết
bị điện,…
- Thời gian làm việc của mỗi thiết bị bao gồm thời gian biểu và quãng
thời gian trong ngày, trong tuần, trong tháng,…
Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật GVHD: TS. Lưu Hồng Việt Nguyễn Minh Chương Trang 18

- Thứ tự ưu tiên của các thiết bị. Thiết bị nào cần phải hoạt động liên
tục và yêu cầu độ ổn định cao, thiết bị nào có thể ngừng tạm thời.
Vị trí lắp đặt hệ thống:
Yêu cầu này xuất phát từ việc thu thập các số liệu về bức xạ mặt trời và các
số liệu thời tiết khí hậu khác. Bức xạ mặt trời phụ thuộc vào từng địa điểm trên mặt
đất và các điều kiện tự nhiên của địa điểm đó. Do vậy, khi thiết kế phải lấy số liệu ở
các trạm khí tượng. Khi thiết kế, rõ ràng để cho hệ có thể cung cấp đủ năng lượng
cho tải trong suốt cả năm, ta phải chọn giá trị cường độ tổng xạ của tháng thấp nhất

Các thông số của acquy:
Dung lượng của acquy là điện lượng đã được nạp đầy, rồi đem phóng điện
liên tục với dòng phóng 1A tới khi điện áp của acquy giảm xuống đến một trị số
giới hạn quy định ở nhiệt độ xác định. Dung lượng đơn vị là Ampe-giờ (Ah).
Điện trở trong là trị số điện trở bên trong của acquy, bao gồm điện trở của
các bản cực, điện trở dung dịch điện phân có xét đến sự ngăn cách của các tấm ngăn
giữa các bản cực. Thường là (0,001 – 0,0015)

khi nạp đầy và (0,02 – 0,025)Ω khi
phóng hoàn toàn.
Các biến đổi của thông số của bình acquy được cho trên các biểu đồ sau:

Hình 2.5: Đặc tính điện thế và tỷ trọng khi phóng và nạp với dòng không đổi

Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật GVHD: TS. Lưu Hồng Việt Nguyễn Minh Chương Trang 20

Hình 2.6: Đặc tuyến phóng điện thế với Điện thế cuối cùng

Hình 2.7: Dung lượng định mức dựa trên mức 8 giờ
Đặc tính phóng của acquy:
Đặc tính phóng của acquy là đồ thị biểu diễn mối quan hệ phụ thuộc của sức
điện động, điện áp của acquy và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian phóng
khi dòng điện phóng không thay đổi.

Hình 2.8 : Đặc tính phóng của acquy
Từ thời gian t
gh

, trên bề mặt các bản cực xuất hiện các bọt khí quá trình
điện phân H
2
O thành H
2
và O
2
, lúc này điện thế giữa các bản cực tăng dần tới giá trị
2,4V và giũ nguyên. Đây là thờ gian nạp no.
Thời gian nạp no cho acquy kéo dài từ 2 – 3h, trong suốt thời gian đó, hiệu
điện thế trên hai bản cực của acquy và nồng độ dung dịch điện phân luôn luôn nhỏ
hơn dung lượng cần thiết để nạp cho no acquy.
Sau khi ngắt mạch nạp, điện áp, sức điện động của acquy giảm xuống và ổn
định. Thời gian này được gọi là thời gian nghỉ của acquy sau khi nạp.
Dòng điện nạp ảnh hưởng đến chất lượng và tuổi thọ của acquy. Dòng điện
nạp định mức là : I
n
= 10%C
10
. trong đó, C
10
là dung lượng của acquy mà với chế
độ nạp dòng điện định mức là I
n
= 0,1C
10
thì sau 10h acquy sẽ đầy.
 Các phương pháp nạp acquy:
Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật GVHD: TS. Lưu Hồng Việt


Với yêu cầu của đề tài là thiết kế mạch nạp tự động, nên nhóm đã chọn
phương pháp nạp theo dòng áp. Do acquy sử dụng là acquy axit, nên trong khoảng
thời gian đầu, nạp với dòng không đổi I
n
= 0,1C
10
. Sau khi acquy bắt đầu sôi, ta
chuyển sang chế độ nạp ổn áp. Sau khi acquy no, nạp bổ xung thêm 2 – 3h.
2.3. Nguyên lý nạp năng lượng mặt trời:
Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật GVHD: TS. Lưu Hồng Việt Nguyễn Minh Chương Trang 23

Đầu ra của pin mặt trời có điện áp ra max là 17,4V và công suất ra thay đổi
tùy theo cường độ ánh sáng của mặt trời. Do vậy, bộ nạp acquy này phải đảm bảo
lấy được công suất lớn nhất của pin tùy thuộc các điều kiện làm việc. Đây cũng là
khác biệt lớn nhất so với các acquy trên thị trường.
Mạch nạp cần đưa điện áp thay đổi nhỏ hơn 17,4V lên điện áp lớn hơn hoặc
bằng 48V để nạp acquy, vì thế ta có thể áp dụng các phương pháp của mạch DC-
DC ở đây.
Về nguyên lý, sơ đồ biến đổi DC-DC có thể được phân thành 2 nhóm:
- Sơ đồ biến đổi DC-DC không cách ly
- Sơ đồ biến đổi DC-DC cách ly
2.3.1. Sơ đồ biến đổi DC-DC không cách ly:
Với nhóm sơ đồ này, điện áp một chiều được tạo ra nhờ việc phóng nạp tụ từ
dòng điện qua cuộn cảm L được cung cấp bởi nguồn cấp. Điện áp một chiều đầu ra
thay đổi nhờ có việc phóng nạp được thay đổi bởi van công suất được mắc tùy
thuộc vào từng sơ đồ. Các sơ đồ điển hình theo nguyên lý này gồm có:
- Sơ đồ biến đổi Buck,

c
d

Hình 2.10: Sơ đồ bộ biến đổi DC-DC không cách ly
Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật GVHD: TS. Lưu Hồng Việt Nguyễn Minh Chương Trang 24

a: bộ Buck, b:bộ Boost, c: bộ Buck-Boost, d:bộ Cuk
Nhận xét :
Với bộ biến đổi Buck, biến đổi điện áp một chiều thành điện áp một chiều
thấp hơn. Bộ Buck được ứng dụng trong các bộ ổn định điện áp thay cho các mạch
analog truyền thống. Công thức biến đổi :
Vout
D
Vin


Với sơ đồ biến đổi Boost, biến đổi điện áp một chiều thành điện áp một
chiều lớn hơn, dùng trong các thiết bị nguồn nuôi với công suất nhỏ như mobile,
notebook…Công thức biến đổi.
1
1
Vout
Vin D



Với bộ biến đổi Buck-Boost, biến điện áp một chiều thành điện áp một chiều

Nguyễn Minh Chương Trang 25

C
+
- +
-
V1
V2
D
N1:N2
Lm
Q
Vs
R
+
- +
-
Lm
Q
L
D1
D2
D3
N3
+
-
V3
V1 V2
C
+

C2
Q3
Q4
+
-
V1
N1
N2
N2
D1
D2
L
C
+
-
+
-
vL
V0
(a) (b)
(d)(c)

Hình 2.11 : Sơ đồ bộ biến đổi DC_DC cách ly
a: Sơ đồ FlyBack, b: Sơ đồ Forward, c: Sơ đồ Half – Bridge, d: Sơ đồ Full – Bridge
Nhận xét :
Với bộ biến đổi FlyBack biến đổi điện áp một chiều thành điện áp một chiều
lớn hơn, công suất khoảng 250W, được dùng trong các bộ nguồn công suất nhỏ như
tivi, loa… công thức biên đổi:
2
1

Vin N

, D là độ rộng xung.
Đối với các sơ đồ cách ly sử dụng biến áp thì ưu điểm hơn về mặt công suất
và vấn đề nâng cao công suất với nguyên lý trên có thể thực hiện dễ dàng, do đó
phù hợp với các ứng dụng có công suất lớn và yêu cầu chất lượng cao hơn.

Trích đoạn Thiết kế mạch lực

---