Đề tài: 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)

ault, Ford, Toyota, EDF, Thomson, CEA, Airbus, GM, Hélion, CNES, 31 2.1.1 Giao diện và các công cụ cơ bản: Chương trình 20-Sim gồm hai cửa sổ chính là cửa sổ Thiết kế mô hình (Editor) và cửa sổ Mô phỏng (Simulator). Hình 2.2 Cửa sổ 20-Sim Editor. Cửa sổ Editor gồm 4 cửa sổ chương trình con: -Hierachi: liệt kê các linh kiện, mô hình, các submodel đang sử dụng. -Implementation: cửa sổ workspace, nơi người dùng thiết kế các sơ đồ, mô hình để mô phỏng. -Icon: hỗ trợ người dùng thiết kế hoặc chỉnh sửa icon của các mô hình. -Type: chỉnh sửa các cổng giao tiếp và thông số của các mô hình. Hình 2.3 Cửa sổ Editor với mô hình Central Heating System. 32 Ví dụ ở trên là mô hình mô phỏng thiết bị điều khiển nhiệt độ. Ta thấy chức năng của từng cửa sổ thể hiện rất rõ: -Hierachi: liệt kê các linh kiện, mô hình đang sử dụng trong sơ đồ thiết kế. Khi người dùng muốn xem hoặc thay đổi thuộc tính của chi tiết nào chỉ cần click vào biểu tượng của chi tiết đó trong cửa sổ Hierachi. -Implementation: các chi tiết đang biểu diễn được liên kết với nhau tạo thành sơ đồ mô phỏng. -Icon: thể hiện icon của chi tiết, khi muốn chỉnh sửa icon, người dùng chỉ cần click vào icon của chi tiết ở cửa sổ Icon, cửa sổ Icon Editor xuất hiện cho người dùng thiết kế lại. Hình 2.4 Cửa sổ Icon Editor. -Type: để chỉnh sửa các cổng giao tiếp của chi tiết, click vào cổng cần chỉnh sửa, cửa sổ Type Editor hiện ra. Hình 2.5 Cửa sổ Type Editor. Icon cần chỉnh sửa 33 Hình 2.6 Cửa sổ mô phỏng. Khi cần chỉnh sửa thông số nào đó, click vào nút Parameters, cửa sổ Parameter/ Initial Value Editor hiện ra. Chọn thông số cần chỉnh sửa và điền giá trị vào ô Value. Hình 2.7 Cửa sổ Parameter/Initial Values Editor. Parameters: chỉnh sửa thông số mô phỏng Variables: giá trị các thông số của mô hình Run Properties: đặt thời gian khảo sát Plot Properties: chọn các thông số, đại lượng cần khảo sát Run Simulation: khởi động quá trình mô phỏng Numerical Values: khảo sát giá trị trên đồ thị 34 Khi cần biết giá trị các thông số vào cuối quá trình mô phỏng, click vào nút Variables, tất cả các giá trị đều được thể hiện trong cửa sổ Variable Chooser: Hình 2.8 Cửa sổ Variable Chooser. Để đặt thời gian khảo sát,click vào nút Run Properties,ta sẽ có cửa sổ Run Properties như sau: Hình 2.9 Cửa sổ Run Properties. 35 Để chọn các thông số cần biểu diễn trên đồ thị mô phỏng, click vào nút Plot Properties ta có cửa sổ sau: Hình 2.10 Cửa sổ Plot Properties. Trên cửa sổ này ta có thể chọn thông số cần biểu diễn trên hai trục xy,màu sắc của đồ thị, độ đậm của đường biểu diễn, khoảng giá trị cần khảo sát 2.1.2 Một số mô hình cơ bản của chương trình Bond Graph: - Nguồn dòng: -Nguồn áp: -Điện trở: e=R1.f 36 -Tụ điện: p.e = int(p.f)/C -Cuộn cảm: p.f = int(p.e)/I -Điểm nối song song: e1 = e2 = e3 f1 = f2 + f3 -Điểm nối nối tiếp: e1 = e2 + e3 f1 = f2 = f3 -Transformer: -Gyrator GY : 2.1.3 Một số quy tắc xây dựng mô hình mô phỏng mạch điện trên Bond- Graph: 37 - Quy ước rõ chiều dòng điện của từng linh kiện trong mô hình. - Chọn điện thế gốc. - Đánh số thứ tự cho mỗi nút trên mạch điện và biểu diễn nó trên Bond-Graph bằng điểm nối 0. - Biểu diễn điện áp rơi trên mỗi linh kiện bởi một điểm nối 1 với 3 liên kết, trong đó có hai mối liên kết với hai điểm nối 0 của hai nút nối với nó trong sơ đồ mạch điện. - Các linh kiện đặt trên mối liên kết tự do của các điểm nối 1. - Rút gọn lại mô hình vừa được xây dựng: loại bỏ các điểm nối 0 liên kết với điện thế gốc. Bỏ các mối liên kết tự do nối với các nút gốc trên. Cuối cùng ta bỏ tất cả các điểm nối 0 và 1 chỉ có hai liên kết và có dạng: Ví dụ: Hình 2.11 Sơ đồ mạch điện cần được mô phỏng và mô hình chưa được rút gọn. Các điểm nối và các liên kết bị gạch chéo là các thành phần bị loại bỏ. Sau khi rút gọn, ta có mô hình được xây dựng hoàn chỉnh như sau: Chú ý: Một cách xây dựng mô hình cho mạch điện trên đơn giản hơn: ban đầu ta xem hai linh kiện mắc song song C, L là một trở kháng ZL//C. Liên kết 3 linh kiện Se, R và ZL//C với nhau bằng mối nối 1. Cuối cùng, ta chuyển ZL//C về L và C bằng cách liên kết 3 nhánh Se-R, C và L bằng mối nối 0. 38 Hình 2.12 Cách biểu diễn thứ hai của ví dụ trên. 2.1.4 Các quy ước biểu diễn đường liên kết: Ta xét 2 linh kiện A và B, trong đó A cấp cho B một điện áp e và B trả lại A một giá trị dòng điện f. Xét ngược lại, B cấp điện áp e cho A và A trả lại dòng f cho B: Vạch ngang ở cuối đường liên kết được quy ước nằm về phía linh kiện nhận điện áp và trả lại giá trị dòng cho linh kiện liên kết với nó. Không được nhầm lẫn giữa đường dẫn liên kết và đường định hướng truyền năng lượng. Hình 2.13 Ví dụ một nguồn pin cấp cho tải. Quy ước biểu diễn đường liên kết của một số linh kiện cơ bản: - Nguồn áp và nguồn dòng: 39 - Cuộn cảm I và tụ điện C: - Điện trở R: - Điểm nội 0: Chỉ có 1 vạch ngang của liên kết nằm gần điểm nối 0. - Điểm nối 1: Chỉ có 1 vạch ngang của liên kết nằm xa điểm nối 1. - Transformer: Chỉ có 1 vạch ngang của liên kết nằm gần TF. - GY: 0 hoặc 2 vạch ngang của liên kết nằm gần GY. 2.2 Mô phỏng pin mặt trời: 2.2.1 Sơ đồ tương đương của pin mặt trời: 40 Có thể thấy rằng khi được chiếu sáng, nếu ta nối các bán dẫn p và n của một tiếp xúc p-n bằng một dây dẫn, thì pin Mặt Trời phát ra một dòng quang điện Iph. Vì vậy trước hết pin mặt trời có thể xem như một nguồn dòng. Lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có tính chỉnh lưu tương đương như một diode. Tuy nhiên, khi phân cực ngược, do điện trở lớp tiếp xúc có giới hạn, nên vẫn có một dòng điện được gọi là dòng rò qua nó. Đặt trưng cho dòng rò qua lớp tiếp xúc p-n người ta đưa vào đại lượng điện trở shunt Rsh. Dòng quang điện chạy trong mạch phải đi qua các lớp bán dẫn p và n, các điện cực, các tiếp xúc,Đặt trưng cho tổng các điện trở của các lớp đó là một điện trở RS nối tiếp trong mạch (có thể coi là nội trở của pin mặt trời). Hình 2.14 Sơ đồ tương đương của pin mặt trời. Dòng qua diode: Id = IS(exp – 1) (2.1) Trong đó: Id : dòng qua diode (A/m2) IS : dòng bão hòa của diode (A/m2) q : điện tích electron, q = 1,602 . 10-19 (C) k : hằng số Boltzmann’s, k = 1,381 . 10-23 (J/K) T : nhiệt độ lớp tiếp xúc (K) n : hệ số lý tưởng của diode phụ thuộc vào các mức độ hoàn thiện công nghệ chế tạo pin Mặt Trời .Gần đúng có thể lấy n = 1. Phương trình đặc trưng Volt – Ampere của pin mặt trời: I = Iph – Id – Ish = Iph – IS[exp – 1] – (2.2) RS: nội trở của pin mặt trời (ohm) Rsh: điện trở shunt (ohm) 2.2.2 Dòng ngắn mạch Isc: 41 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. Dòng ngắn mạch ISC là dòng điện trong mạch của pin mặt trời khi làm ngắn mạch ngoài (chập các cực ra của pin). Lúc đó hiệu điện thế mạch ngoài của pin bằng V = 0 .Đặt giá trị V = 0 vào phương trình (2.2) ta được: ISC = Iph – IS(exp – 1) – (2.3) Ở các điều kiện chiếu sáng bình thường (không có hội tụ) thì hiệu ứng điện trở nối tiếp RS có thể bỏ qua, và Id =0 và do đó có thể suy ra : ISC =Iph = α.E (2.4) Trong đó : E :là cường độ sáng α :là hệ số tỷ lệ Ở điều kiện bình thường dòng ngắn mạch của pin mặt trời tỉ lệ thuận với cường độ bức xạ chiếu sáng. 2.2.3 Điện áp hở mạch VOC : Áp hở mạch VOC là hiệu điện thế được đo khi mạch ngoài của pin mặt trời hở (R=∞). Khi đó dòng mạch ngoài I = 0 .Đặt giá trị đó của dòng mạch ngoài vào (2.2) và giả thiết Rsh rất lớn ta được biểu thức xác định VOC như sau : 42 VOC = ln (2.5) Hình 2.16 Đồ thị V-A của pin mặt trời. Ví dụ: xét pin mặt trời có : Tiết diện 100cm2 Dòng bão hòa của diode I0 = 10-12 A/cm2 Dòng ngắn mạch ISC = 40 mA/cm2 ở 250C Dòng bão hòa: Is = 10-12 . 100 = 10-10 A Dòng ngắn mạch: ISC = 40.10-3.100 = 4 A (full sun, 100% bức xạ) ISC = 2 A (half sun, 50% bức xạ) Từ công thức (2.5), ta có áp hở mạch: VOC = ln = ln (full sun) = 0.627 (V) VOC = 0.610 (V) (half sun). 43 Hình 2.17 Đồ thị V-A của ví dụ trên. 2.2.4 Mạch điện tương đương chính xác: Với mô hình như khi ta đang khảo sát hai giá trị dòng ngắn mạch Isc và áp hở mạch Voc thì trong một vài trường hợp mô hình không còn đúng nữa. Ví dụ như trường hợp sau : Hình 2.18 Mô hình đơn giản với một pin bị khuất sáng. Như hình 2.18 là mô hình đơn giản của 2 pin mặt trời mắc nối tiếp nhau nhưng chỉ có 1 pin được chiếu sáng, pin còn lại bị khuất hẳn. Khi đó chỉ có một pin có dòng, pin bị khuất sáng thì hoàn toàn không có (I=0). Mặt khác, diode của các mô hình trên ngăn không cho dòng chạy ngược qua tấm pin bị khuất sáng nên dòng qua tải lúc này I=0. Điều này đòi hỏi ta phải xây dựng một mô hình hoàn chỉnh hơn, phù hợp với tất cả các trường hợp khảo sát thực tế.Qua nghiên cứu người ta đã xây dựng các sơ đồ tương đương sau : - Sơ đồ có điện trở Rsh mắc song song với diode. - Sơ đồ có điện trở Rs mắc nối tiếp. - Sơ đồ có cả hai điện trở trên. 44 Hình 2.19 Sơ đồ tương đương đơn giản với Rsh mắc song song. Ta có : I = (ISC – Id) – (2.6) Từ công thức trên ta thấy dòng điện lý tưởng mà pin mặt trời cấp cho tải bị giảm di một lượng bằng V/Rsh. Để tổn hao trên pin nhỏ hơn 1% thì giá trị của Rsh thỏa điều kiện: Rsh > (2.7) Với ISC = 4A, VOC khoảng 0,6V thì điện trở Rsh có giá trị khoảng 16Ω là tốt nhất. 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. 45 Với sơ đồ tương đương như hình 2.21 ta có : I = ISC – Id = ISC – I0(eqVd/KT – 1) (2.8) Vd = V + I.RS (2.9) Thế Vd vào công thức 2.8 ta có : I = ISC – I0{exp[ ] – 1} (2.10) Hình 2.22 Đồ thị V – A của mạch điện tương đương có Rs mắc nối tiếp. Từ hình 2.22 ta thấy đồ thị V – A bị lệch nghiêng về phía bên tráin với một lượng là ∆V = I.Rs. Để tổn hao của pin mặt trời nhỏ hơn 1% thì Rs phải thỏa điều kiện: Rs < (2.11) Với ISC = 4A, VOC khoảng 0,6V thì điện trở Rsh có giá trị khoảng 0.0015Ω là tốt nhất. Cuối cùng, ta xét sơ đồ tương đương gồm cả điện trở mắc song song Rsh và điện trở mắc nối tiếp Rs. Hình 2.23 Sơ đồ tương đương gồm Rsh và Rs. 46 Từ các công thức 2.6, 2.9 và 2.10 ta có công thức : I = ISC – I0{exp[ ] – 1} – (2.12) Ở điều kiện chuẩn là 250C : I = ISC – I0[e 38,9(V + I.Rs) – 1] – (V + I.Rs) / Rsh (2.13) Hình 2.24 Đồ thị V – A của sơ đồ tương đương trên với Rsh = 1Ω, Rs = 0,05Ω. Trong thực tế pin mặt trời có Rsh cao hơn nhiều, vào khoảng 300Ω, Rs có giá trị khoảng 0,01Ω. Khi đó đường biểu diễn đồ thị V – A sẽ được cải thiện hơn. Ta sẽ khảo sát đồ thị này trong phần mô phỏng. 2.2.5 Tấm pin mặt trời: 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. 47 Hình 2.26 Đồ thị V - A của một tấm pin mặt trời. Tấm pin mặt trời trên gồm 36 cell xếp thành 9 cột và 4 hàng. Trong đó,4 cell trong cột mắc nối tiếp với nhau và 9 cột mắc song song với nhau. 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. 48 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. 2.2.6 Điểm công suất cực đại MPP (max power point) : Hình 2.29 Pin mặt trời khi hở mạch, ngắn mạch và mắc với tải. Ta xét một tấm pin mặt trời trong điều kiện chuẩn. Trong trường hợp hở mạch, áp ra của pin mặt trời là áp hở mạch VOC, nhưng dòng I=0 nên công suất của pin P = 0. Trong trường hợp ngắn mạch, V = 0, I = ISC nên công suất của pin P = 0. Khi mắc tải vào pin thì giá trị dòng, áp khác 0 hay pin cấp nguồn cho tải với công suất là P. Hình 2.30 Đồ thị V – A và đồ thị công suất của pin mặt trời. 49 Từ đồ thị trên ta thấy, tại hai điểm đầu cuối của đồ thị V – A ứng với hai điểm ISC và VOC , P = 0. Điểm công suất cực đại (MPP) nằm gần đoạn gấp khúc của đồ thị V – A, là điểm mà tại đó tích của giá trị điện áp và dòng điện là cực đại. Giá trị điện áp và dòng điện tại điểm công suất cực đại được ký hiệu là Vm và Im trong tất cả các điều kiện khảo sát, VR và IR (rated voltage : áp định mức và rated current : dòng định mức) trông điều kiện khảo sát lý tưởng. Hình 2.31 Xác định điểm MPP. Một cách khác để hình dung ra được vị trí của điểm công suất cực đại là đi tìm hình chữ nhật nằm dưới đường đồ thị V – A có diện tích lớn nhất có thể như ở hình 2.31. Diện tích của những hình chữ nhật đó chính là công suất ứng với một đỉnh nằm trên đường đồ thị V – A. Công chức tính công suất của pin mặt trời : P = V.I = V.[ISC – I0.(exp – 1)] (2.14) Tại điểm công suất cực đại : = 0 = ISC – I0.[exp – 1] – . I0. exp (2.15) Từ công thức trên ta có giá trị dòng điện và điện áp tại điểm cực đại là: Im = ISC – I0.[exp – 1] (2.16) Vm = VOC – ln( 1+ ) (2.17) 50 2.2.7 Hệ số lấp đầy và hiệu suất của pin mặt trời: Một thông số đặc trưng khác của pin mặt trời vẫn thường được sử dụng, đó là hệ số lấp đầy. Hệ số lấp đầy FF (fill factor) là tỷ số giữa công suất cực đại PR = VR.IR và tích số VOC.ISC : FF = (VR.IR) / ( VOC.ISC ) (2.18) Như ở hình 2.31, hệ số lấp đầy là tỉ số diện tích của hai hình chữ nhật ứng với điểm MPP và hình chữ nhật ứng với điểm (VOC,ISC). Hiệu suất của pin mặt trời η là tỉ số giữa công suất cực đại của pin và công suất bức xạ mặt trời trên diện tích bề mặt của pin. η = = FF. =FF. (2.19) Trong đó E: cường độ bức xạ mặt trời (W/m2) A: diện tích bề mặt của pin mặt trời (m2) 2.2.8 Mô phỏng pin mặt trời: Phương trình đặc trưng Volt – Ampere của pin mặt trời : I = Iph – Id – Ish = Iph – IS[exp – 1] – Từ sơ đồ tương đương và công thức trên ta xây dựng sơ đồ mô phỏng sau bằng chương trình Bond-Graph: Hình 2.32 Mô hình Bond-Graph của pin mặt trời. Công thức của mô hình Diode: p.f =I0*[exp(p*p.e / n*K*Temp) - 1] 51 Hình 2.33 Mô hình nguồn dòng và tải. Chọn các thông số của pin: (khảo sát trong điều kiện chuẩn E = 1000W/m2) Dòng bão hòa IS = 10-10 (A) Nhiệt độ t = 250C, T = 298K Diode xem như lý tưởng với n = 1 Dòng ngắn mạch ISC = Sf = 4 (A) Rsh = 300Ω, RS = 0.01Ω Từ các thông số đã chọn, ta có giá trị điện áp hở mạch: VOC = ln = ln = 0.627 (V) Hình 2.34 Đặc tuyến V-A của pin mặt trời. 52 Hình 2.35 Đường đặc tuyến V-A, đồ thị công suất và điểm cực đại công suất MPP. Để khảo sát sự phụ thuộc của pin mặt trời vào cường độ ánh sáng, ta lần lượt thay đổi các giá trị cường độ ánh sáng mặt trời từ 1000, 800, 500, 300 và 150 (W/m2). Ta có kết quả mô phỏng như sau: Hình 2.36 Đồ thị V – A với sự thay đổi của cường độ ánh sáng. Từ đồ thị 2.36 ta thấy cường độ dòng điện I cung cấp cho tải giảm tuyến tính theo cường độ ánh sáng E khi E giảm, đúng theo công thức 2.4: ISC = α.E. 53 Nhiệt độ môi trường ảnh hưởng rất lớn đến điện áp , dòng điện và công suất của pin mặt trời. Các đại lượng trên phụ thuộc vào nhiệt độ theo các công thức sau: I = I25°C(1 + αI.∆T) (2.21) V = V25°C – αV.∆T (2.22) P = P25°C(1 + αI.∆T) (2.23) Khi mô phỏng ta có kết quả sau: Hình 2.37 Đặc tuyến V – A dưới sự thay đổi của nhiệt độ. Từ đồ thị 2.37 ta thấy khi nhiệt độ tăng thì điện áp giảm khá lớn trong khi dòng điện tăng không đáng kể. Hình 2.38 Đồ thị V – A khi mắc nối tiếp các pin lại với nhau. 54 Hình 2.39 Đồ thị V – A khi các pin được mắc song song. 2.3 Mạch biến đổi DC-DC: Hình 2.40 Sơ đồ mạch sạc acquy từ hệ thống pin mặt trời dùng mạch Cuk Converter. 2.3.1 Mạch Cuk converter: Mạch biến đổi DC – DC là bộ phận nhận nguồn vào DC và cho nguồn ra cũng DC nhưng điện áp đầu vào và đầu ra khác nhau. Mạch biến đổi DC-DC được sử dụng để điều khiển công suất. Có rất nhiều loại mạch DC – DC, mỗi loại thiên về một ứng dụng khác nhau: - Buck converter: bộ giảm áp, điện áp ngõ ra nhỏ hơn điện áp ngõ vào. - Boost converter: bộ tăng áp, điện áp ngõ ra lớn hơn điện áp ngõ vào. - Buck – Boost converter: bộ tăng – giảm áp, điện áp ngõ ra có thể lớn hơn hay nhỏ hơn điện áp ngõ vào tùy người sử dụng. 55 Để điều khiển nạp acquy từ hệ thống pin mặt trời ta sử dụng mạch Cuk là mạch biến đổi DC-DC tăng - giảm áp. Hình 2.41 Sơ đồ mạch nguyên lý. Khi MOSFET dẫn, điện áp ngõ vào đặt lên cuộn cảm L1,dòng qua L1 tăng dần theo thời gian, năng lượng được tích lại trên L1. Khi Q1 ngắt, điện cảm có khuynh hướng duy trì dòng điện qua nó sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để diode phân cực thuận, dòng điện này sẽ nạp cho tụ C1. Khi Q1 đóng trở lại, C1 phóng điện qua L2 cung cấp cho tải. L2 và C2 đóng vai trò như bộ lọc. Cứ như vậy, năng lượng được tích trữ lại trong cuộn L1 và sẵn sàng cho chu kỳ tiếp theo. Hình 2.42 Sơ đồ tương đương của mạch Cuk khi Q dẫn. Khi Q1 dẫn: Tính gần đúng: vL1 = Vg vL1 = Vg (2.24) vL2 = -v1 – V2 vL2 = -V1 – V2 (2.25) iC1 = i2 iC1 = I2 (2.26) iC2 = i2 – iC2 = I2 – (2.27) Hình 2.43 Sơ đồ tương đương của mạch Cuk khi Q ngắt. Khi Q1 ngắt, diode D1 dẫn: Tính gần đúng: vL1 = Vg – v1 vL1 = Vg – V1 (2.28) vL2 = -v2 vL2 =-V2 (2.29) iC1 = i1 iC1 = I1 (2.31) iC2 = i2 - iC2 =i2 - (2.32) 56 Hình 2.44 Khảo sát chế độ dòng tải liên tục. Trong đó: Ts: chu kỳ đóng ngắt của MOSFET DTs: thời gian dẫn của MOSFET trong một chu kỳ D’Ts: thời gian ngắt của MOSFET trong một chu kỳ D + D’ = 1 Ở điều kiện liên tục, cường độ dòng điện trung bình qua cuộn cảm L1, L2 bằng zero. Nên từ đồ thị hình 4 ta có: Với L1 Vg.DTs + (Vg – V1).D’Ts = 0 (2.33) Với L2 DTs(-V1 – V2) – V2D’Ts = 0 (2.34) (2.34) ⇒ DTsV1 = (D + D’)TsV2 ⇒ V1 = Thế vào (2.33): (D + D’)TsVg + D’Ts = 0 ⇒ = = Hay = = (2.35) Theo định luật bảo toàn công suất ta có: VgI1 = V2I2 ⇒ = = (2.36) Tùy vào tỷ lệ giữa thời gian đóng ngắt của Mosfet mà giá trị điện áp ra có thể nhỏ hơn, bằng, hay lớn hơn giá trị điện áp vào. Trong mọi trường hợp thì dấu của điện áp ra là ngược với dấu của điện áp vào, do đó dòng điện đi qua điện cảm sẽ giảm dần theo thời gian. 2.3.2 Tính thông số chi tiết mạch Cuk: Mục tiêu cần thiết kế mạch Cuk có tính năng như sau: - Nhận điện áp vào từ pin mặt trời từ 12 – 21 V. - Điện áp ra ổn định có thể điều chỉnh trong khoảng 26–30 V. - Công suất tối đa 70W. - Làm việc với tần số điều khiển fs = 20 kHz. - Sai số điện áp ngõ ra cho phép 1 %. - Bảo vệ quá áp, quá dòng cho mạch. Xét về độ lớn: 57 Chu kỳ làm việc: Dòng điện cho phép: Dòng ngõ vào: Tính giá trị cuộn cảm: Chọn độ dợn sóng dòng khoảng 10 %. L1 = 0,1.IL1 max = 0,1.Iin max = 0,1.6,72 = 0,672 A L2 = 0,1.IL2 max = 0,1.Iout max = 0,1.2,692 = 0,269 A Tính giá trị tụ điện: Chọn độ dợn áp trên tụ C1 khoảng 5 %. Điện áp bé nhất đặt lên tụ là: VC1 = Vin min + Vout min = 12+26 = 38 V ⇒ VC1 = 0,05.38 = 1,9 V Rmin = V2out min/Pmax = 262/70 = 9,66 Tụ lọc C2 được sử dụng để giảm tín hiệu gai trên điện áp ra, được tính như sau: Chọn độ dợn áp ra khoảng 1 % 2.3.3 Mô phỏng mạch Cuk bằng chương trình Bond-Graph: 714,0553,0 3012 30 2621 26 maxmin max minmax min ≤≤⇒+≤≤+⇒ +≤≤+⇒+=⇒ DD VV VD VV V VV VD outin out outin out outin out D D D D V V in out −== 1' AIA D DII D DI in out in out 72,6093,3 1 . 1 . max maxmax min minmin ≤≤⇔−≤≤−⇒ D DI I outin −= 1 . mH if DVL mH if DVL Ls in Ls in 787,2 269,0.20000 714,0.21. 112,1 672,0.20000 714,0.21. 2 maxmax 2 1 maxmax 1 ==Δ≤ ==Δ≤ AIAI V PI V P outout out out out 692,25,2 26 70 28 70 min max max max ≤≤⇔≤≤⇔≤≤ F vfR DVC Cs out μ4,58 9,1.20000.66,9 714,0.30. 1min maxmax 1 ==Δ≤ ( ) FfLVv DC soutout μ4,150 20000.10.787,2.8).30/01,0( 553,01 8. 1 232 2 min 2 =−=Δ −≤ − 58 Hình 2.45 Sơ đồ nguyên lý mạch Cuk. Từ sơ đồ nguyên lý của mạch Cuk và từ các thông số đã tính ở trên ta xây dựng mô hình Bond-Graph như sau: Nguồn Se = 17V (điện áp mà pin mặt trời BP275 cho công suất cực đại). Cuộn cảm: L1 = 1mH, L2 = 2,5mH. Tụ điện : C2 = 100 F, Cs = 1000 F. Điện trở tải: RLoad = 30Ω. Mosfet, cuộn cảm L1, tụ C1 và diode tích hợp thành bộ MTF. MTF là bộ biến đổi dòng áp theo công thức: p.e2 = m*p.e1 p.f1 = m*p.f2 Trong đó : m là hệ số tỉ lệ, ta chọn m = -Vout / Vin. p.e1, p.f1 : điện áp và dòng điện ngõ vào của MTF. p.e2, p.f2 : điện áp và dòng điện ngõ ra của MTF. Trong mô hình ta dùng một nguồn tín hiệu không đổi có giá trị tín hiệu ngõ ra là -Vout/Vin để đưa vào chân signal input của MTF. Khi muốn thay đổi giá trị điện áp và dòng điện ở ngõ ra ta chỉ cần thay đổi giá trị của nguồn tín hiệu. Hình 2.46 Sơ đồ Bond Graph của mạch Cuk Converter. Chọn áp ra Vout = 30V = = 1,765 ⇒ α = 0,638 59 Từ công thức 2.35 và từ kết quả đã tính ở trên ta chọn hệ số tỉ lệ m = -1,765, kết quả mô phỏng như sau: Hình 2.47 Đồ thị Vin, Vout của mạch Cuk converter. Hình 2.48 Đồ thị Iin, Iout của mạch Cuk converter. 60 2.4 Acquy: 2.4.1 Giới thiệu về Acquy: Bình Acquy là một dạng nguồn điện hóa học, dùng để lưu trữ điện năng dưới dạng hóa năng. Acquy chì: Hình 2.49 Cấu tạo của Acquy chì. Acquy chì gồm có các bản cực bằng chì và ô xít chì ngâm trong dung dịch Acid Sulfuric. Các bản cực thường có cấu trúc phẳng, dẹp, dạng khung lưới, làm bằng hợp kim Chì - Antimone, có nhồi các hạt hóa chất tích cực. Các hóa chất này khi được nạp đầy là Dioxit chì ở cực dương, và chì nguyên chất ở cực âm. Các bản cực được nối với nhau bằng những thanh chì ở phía trên, bản cực dương nối với bản cực dương, bản cực âm nối với bản cực âm. Chiều dài, chiều ngang, chiều dầy và số lượng các bản cực sẽ xác định dung lượng của bình Acquy. Thông thường, các bản cực âm được đặt ở bên ngoài, do đó số lượng các bản cực âm nhiều hơn bản cực dương. Các bản cực âm ngoài cùng thường mỏng hơn, vì chúng sử dụng diện tích tiếp xúc ít hơn. Chất lỏng dùng trong bình Acquy này là dung dịch Acid Sulfuric. Nồng độ của dung dịch biểu trưng bằng tỷ trọng đo được, tuỳ thuộc vào loại bình Acquy, và tình trạng phóng nạp của bình. Trị số tỷ trọng của bình Acquy khi được nạp đầy được quy ra ở 25o được cho ở bảng sau: Loại bình Acquy Tỷ trọng chất điện phân Bình Acquy làm việc ở chế độ tải nặng, thí dụ các xe tải điện công 1,275 61 nghiệp lớn. Bình Acquy dùng cho xe ôtô, máy bay. 1,260 Bình Acquy dùng cho tải không nặng lắm: thí dụ như soi sáng tàu điện, hoặc khởi động các động cơ lớn 1,245 Bình Acquy tĩnh, hoặc dùng cho các ứng dụng dự phòng 1,215 Trước khi dùng làm nguồn điện ta phải nạp điện cho Acquy. Lúc này Acquy đóng vai trò một máy thu, tích trữ điện năng dưới dạng hóa năng. Khi nạp điện cho Acquy người ta cho dòng điện một chiều đi vào Acquy. Dung dịch axit sunfuric bị điện phân, làm xuất hiện hiđrô và ôxit ở hai bản chì. ở bản nối với cực âm của nguồn điện chì ôxit PbO2 bị khử mất ôxi và thành chì Pb. Bản này sẽ thành cực âm của Acquy. Còn ở bản nối với cực dương của nguồn điện thì có ôxit bám vào, ôxi hóa Pb3O4 thành chì điôxit PbO2. Bản này sẽ trở thành cực dương của Acquy. Khi hai cực đã trở thành Pb và PbO2 thì giữa chúng có một hiệu điện thế. Acquy trở thành nguồn điện và bây giờ tự nó có thể phát ra dòng điện. Nếu ta nối hai cực của acquy đã được nạp điện bằng một dây dẫn thì dòng điện chạy trong dây sẽ có chiều ngược với dòng điện lúc nạp vào Acquy. Dòng điện này sẽ gây ra quá trình hóa học ngược lại, dung dịch axit lại bị điện phân nhưng lần này các iôn chuyển dời ngược chiều với lúc đầu: hiđrô sẽ chạy về bản PbO2 và khử ôxi, làm cho bản này chở thành chì ôxit PbO. Cho đến khi hai cực đã hoàn toàn giống nhau thì dòng điện tắt. Bây giờ muốn Acquy lại phát điện, ta phải nạp điện cho nó để hai cực trở thành Pbvà PbO2. Dung lượng của Acquy là lượng điện (điện tích) mà Acquy đó sau khi đã được nạp đầy sẽ phát ra được trước khi hiệu điện thế giảm xuống đến mức ngừng. Mức ngừng là mức mà không nên bắt Acquy phát điện tiếp, nếu cứ để Acquy phát điện ở dưới mức ngừng thì sẽ giảm tuổi thọ của Acquy, thậm chí có thể làm Acquy chết ngay lập tức. Đó là trường hợp dùng nhiều Acquy mắc nối tiếp nhau khi 1 Acquy đã phát hết điện mà những cái khác chưa hết điện và ta tiếp tục dùng thì cái hết điện trước sẽ bị đảo cực và hỏng hoàn toàn. Với Acquy chì thông thường thì mức ngừng là 1,67V cho mỗi ngăn; hay là 10V cho cả 6 ngăn. Đơn vị để đo điện tích trong vật lý là Coulomb. Đại lượng điện tích không phụ thuộc vào điện thế của Acquy. 1 Coulomb = 1 Ampere * 1 sec: như vậy cũng có thể dùng Ampere * second để chỉ đại lượng điện tích. Dung lượng của bình Acquy thường được tính bằng Ampe giờ (AH). AH đơn giản chỉ là tích số giữa dòng điện phóng với thời gian phóng điện. Dung lượng này thay đổi tùy theo nhiều