Nghiên cứu và thiết kế hệ thống đIều khiển theo hướng mặt trờI cho pin 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 (2.87 MB, 85 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
NGUYỄN TÙNG LÂM
NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THEO HƢỚNG
MẶT TRỜI CHO PIN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI
Chuyên ngành: KỸ THUẬT NHIỆT
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC :
PGS.TSKH.VS NGUYỄN VĂN MẠNH
Hà Nội - 2017
Luận văn tốt nghiệp
Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt
LỜI CẢM ƠN
Trước hết, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy giáo PGS.TS.VS
Nguyễn Văn Mạnh, Người đã tận tình hướng dẫn, truyền thụ những kinh
nghiệm chuyên môn với tất cả niềm đam mê nghiên cứu khoa học trong suốt
thời gian em thực hiện luận văn này.
Trong 2 năm học cao học tại trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, đặc
biệt là một học viên của Viện khoa học và cơng nghệ Nhiệt - Lạnh, em đã tích
lũy được khối kiến thức vơ cùng hữu ích. Em đã nhận được rất nhiều sự giúp
đỡ về nhiều mặt của thầy cô trong trường và trong Viện, các bạn bè đồng
nghiệp, nhất là trong thời gian em thực hiện đề tài luận văn tốt nghiệp này.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Viện đã giảng dạy kiến
thức của các mơn học trong chương trình đào tạo cao học chuyên ngành kỹ
thuật nhiệt. Các cán bộ quản lý trong trường và trong Viện đã giúp đỡ em thực
hiện đề tài luận văn tốt nghiệp và tạo điều kiện cho em hồn thành tốt khóa
học.
Xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, tháng 09 năm 2017
Học viên thực hiện
Nguyễn Tùng Lâm
Học viên: Nguyễn Tùng Lâm
1
Luận văn tốt nghiệp
Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan bản luận văn này do tôi tự tìm hiểu, tính tốn và
nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của Thầy giáo PGS.TSVS. Nguyễn Văn
Mạnh.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này
đã được cảm ơn và các thơng tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ
nguồn gốc.
Nếu sai, tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định.
Hà Nội, ngày 15 tháng 09 năm2017
(Ký và ghi rõ họ tên)
Nguyễn Tùng Lâm
Học viên: Nguyễn Tùng Lâm
2
Luận văn tốt nghiệp
Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN -------------------------------------------------------------------------- 1
LỜI CAM ĐOAN --------------------------------------------------------------------- 2
MỤC LỤC ------------------------------------------------------------------------------ 3
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ------------------------ 5
DANH MỤC CÁC BẢNG ----------------------------------------------------------- 6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ------------------------------------------ 7
MỞ ĐẦU -------------------------------------------------------------------------------10
CHƢƠNG 1 – TỔNG QUAN ------------------------------------------------------12
1.1.
Tiềm năng của nguồn năng lƣợng mặt trời. --------------------------12
1.2.
Các kiểu khai thác năng lƣợng mặt trời -------------------------------12
1.3.
Một số kiểu dàn pin tự xoay ---------------------------------------------15
1.3.1. Nguyên tắc xoay ---------------------------------------------------------15
1.3.2. Các kết cấu xoay --------------------------------------------------------16
1.3.3. Các phương án điều khiển ---------------------------------------------21
1.3.4. Phương pháp tổng hợp hệ thống điều khiển theo quan điểm bền
vững
-----------------------------------------------------------------------------22
1.3.5. Cở sở để xoay dàn pin. -------------------------------------------------45
1.4.
Kết luận ----------------------------------------------------------------------52
CHƢƠNG 2 – THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
PIN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI THEO HƢỚNG MẶT TRỜI-----------53
2.1.
Giới thiệu --------------------------------------------------------------------53
2.2.
Sơ đồ kết cấu hệ thống ----------------------------------------------------53
2.2.1. Mơ đun cơ khí--------------------------------------------------------------53
2.2.2. Mô đun điều khiển --------------------------------------------------------56
2.3.
Thiết kế khung dàn 50W -------------------------------------------------56
2.3.1. Lựa chọn kiểu pin ---------------------------------------------------------56
2.3.2.Thiết kế khung dàn ---------------------------------------------------------57
2.4.
Thiết kế điều khiển chuyển động ---------------------------------------63
Học viên: Nguyễn Tùng Lâm
3
Luận văn tốt nghiệp
Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt
2.4.1. Lựa chọn kiểu điều khiển-------------------------------------------------63
2.4.2. Các bộ phận chính của hệ thống điều khiển ---------------------------64
CHƢƠNG 3 –KẾT QUẢ CHẾ TẠO VÀ VẬN HÀNH THỬ NGHIỆM --73
3.1.
Kết quả chế tạo -------------------------------------------------------------73
3.1.1. Mô đun cơ khí--------------------------------------------------------------73
3.1.2. Mơ đun điều khiển --------------------------------------------------------74
3.2.
Vận hành thử nghiệm -----------------------------------------------------77
3.2.1. Thử nghiệm độ ổn định ---------------------------------------------------77
3.2.2. Thử nghiệm trong phịng -------------------------------------------------78
3.2.3. Thử nghiệm ngồi trời ----------------------------------------------------78
3.3.
Vận hành dàn pin ----------------------------------------------------------78
3.4.
Một số vấn đề lƣu ý khi thiết kế và vận hành ------------------------81
3.5.
Kết luận ----------------------------------------------------------------------81
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ------------------------------------------------------82
1.
Kết luận ----------------------------------------------------------------------82
2.
Các hƣớng nghiên cứu tiếp theo ----------------------------------------83
TÀI LIỆU THAM KHẢO ----------------------------------------------------------84
Học viên: Nguyễn Tùng Lâm
4
Luận văn tốt nghiệp
Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
- Azimuth Tracking: hệ thống thu nhận năng lượng mặt trời dạng cầu
- Azimuth-elevantion: tên khác của hệ thống AzimuthTracking
- DC Motor: động cơ điện một chiều
- DC(Direct current): Điện một chiều
- Dual axis tracker: hệ thống thu nhận năng lượng mặt trời có 2 trục xoay
- East, West, South, North: hướng đông, Tây, NamBắc
- FF (Fill Factor): Là hệ số lấp đầy
- FLC(fuzzylogiccontroller):Thuật toán điều khiển logic mờ.
- Horizontal single axis tracking: hệ thống thu nhận năng lượng mặt trời có
một trục xoay nằm ngang
- Irradiance: cường độ bức xạ nhiệt
- MPP(Maximum power point): Điểm làm việc mà tại đó cơng suất thu
được cực đại.
- MPPT(Maximum power point tracking): Điều khiển chọn vị trí thu được
công suất cực đại.
- PD(Proportional Integral Derivative): Điều khiển tỉ lệvi phân.
- PI (Proportional Integral Derivative): Điều khiển tỉ lệ tích phân.
- PID (Proportional Integral Derivative): Điều khiển tỉ lệ tích phân vi
phân.
- Polar Tracking: hệ thống thu nhận năng lượng mặt trời dạngcực
- PV (Photovoltaic ): Pin quang điện, biến quang năng thành điện năng.
- PV cell: tế bào quang điện
- PWM (Pulse-width modulation): Điều chế độ rộng xung
- Temperature: nhiệt độ
- Tilted single axis tracking: hệ thống thu nhận năng lượng mặt trời có một
trục xoay song song với trục của trái đất.
Học viên: Nguyễn Tùng Lâm
5
Luận văn tốt nghiệp
Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1: Bảng thông số kỹ thuật của tấm pin có cơng suất 50W……….. 57
Học viên: Nguyễn Tùng Lâm
6
Luận văn tốt nghiệp
Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
H nh 1.1 Động cơ hoạt động nhờ ánh sáng mặt trời ....................................... 13
H nh 1.2 Bếp năng lượng mặt trời ................................................................... 14
H nh 1.3 Nhà máy điện năng lượng mặt trời tại Bồ Đào Nha ........................ 14
H nh 1.4 Du thuyền hoạt động băng năng lượng mặt trời .............................. 15
H nh 1.5 Mơ tả góc tới tia sáng mặt trời đối với pháp tuyến mặt phẳng nằm
ngang ............................................................................................................... 16
H nh 1.6 Mơ hình dàn pin tự xoay theo một trục ............................................ 17
H nh 1.7 Biểu đồ so sánh năng lượng thu được giữa hai kiểu dàn ................. 17
H nh 1. Tỉ lệ % giữa năng lượng thu được của giàn 2 trục so với giàn cố định
giảm dần khi góc quay tăng dần ...................................................................... 18
H nh 1.9 Mơ hình dàn pin xoay theo 2 trục, một trục quay theo góc phương
vịvà một trục quay theo góc cao độ. ................................................................ 19
H nh 1.10 Biểu đồ so sánh công suất của hệ thống 2 trục xoay với kiểu cố
định. .................................................................................................................. 21
H nh 111 Các kiểu điều khiển ......................................................................... 22
H nh 1.12 Sơ đồ hệ thống điều khiển điển hình ............................................... 25
H nh 1.13 Đặc tính q độ của hệ thống thay đổi giá trị đặt (a) và khi có
nhiễu bậc thang (b) .......................................................................................... 27
H nh 1.14 Các dạng đặc tính quá độ: 1- đơn điệu, 2-phi chu kỳ, 3-dao động. 30
H nh 1.15 Sai số điều chỉnh b nh phương của hệ thống theo kênh đặt (a) và
kênh nhiễu (b) ................................................................................................... 32
H nh 1.16 Sơ đồ cấu trúc điển hình của hệ thống điều khiển. ......................... 32
H nh 1.17 “Đặc tính mềm” cơ sở và “Đặc tính mềm” biến thiên của hệ hở; 37
H nh 1.18 Đặc tính tần số và quá độ của đối tượng bất định .......................... 38
H nh 1.19 Sơ đồ dạng tiêu chuẩn ..................................................................... 41
H nh 1.20 Sơ đồ biến đổi tương đương ............................................................ 41
H nh 1.21 Mơ tả các góc chiếu sáng ............................................................... 45
H nh 1.22 Minh họa các góc nghiêng ............................................................. 46
Học viên: Nguyễn Tùng Lâm
7
Luận văn tốt nghiệp
Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt
H nh 1.23 Mơ tả góc nghiêng của trục trái đất đối với mặt phẳng quỹ đạo của
nó ...................................................................................................................... 49
H nh 1.24 Dàn pin xoay theo một trục ............................................................. 50
H nh 1.25 Bếp thu năng lượng mặt trời tự xoay .............................................. 51
H nh 2.1 Sơ đồ dàn pin..................................................................................... 53
H nh 2.2 Pitton điện ......................................................................................... 54
H nh 2.3 Bộ truyền của pitton điện .................................................................. 55
H nh 2.4 Hệ thống truyền động bánh răng ...................................................... 55
H nh 2.5 Pin năng lượng mặt trời CTC – 50W – MONO – 5.0KG ................. 56
H nh 2.6 Kết cấu khung dàn ............................................................................. 57
H nh 2.7 Biểu đồ phân bố lực nửa thanh giằng ngang .................................... 59
H nh 2.8 Ứng suất của thanh giằng ngang ...................................................... 59
H nh 2.9 Biểu đồ phân bố lực trục xoay .......................................................... 60
H nh 2.10 Ứng suất lực trục xoay .................................................................... 60
H nh 2.11 Lực tác động lên trụ đỡ ................................................................... 60
H nh 2.12 Ứng suất trụ đỡ ............................................................................... 61
H nh 2.13 Các khối điều khiển hệ thống .......................................................... 65
H nh 2.14 Sơ đồ mạch khối xử lý trung tâm (PC) ............................................ 67
H nh 2.15 Sơ đồ mạch nút điều khiển .............................................................. 68
H nh 2.16 Sơ đồ mạch điều khiển động cơ ...................................................... 69
H nh 2.17 Trường hợp cảm biến 3 nhận tín hiệu ............................................. 70
H nh 2.18 Trường hợp hai cảm biến cùng nhận tín hiệu ................................. 71
H nh 2.19 Trường hợp cảm biến 1 nhận tín hiệu ............................................. 71
H nh 2.20 Sơ đồ mạch khối cảm biến .............................................................. 72
H nh 3.1 Tổng thể dàn quay ............................................................................. 73
H nh 3.2 Bộ mô đun điều khiển ........................................................................ 74
H nh 3.3 Kit Atmega 16 bộ điều khiển ............................................................. 75
H nh 3.4 Modun điều khiển động cơ ................................................................ 75
H nh 3.5 Bố trí cảm biến .................................................................................. 76
Học viên: Nguyễn Tùng Lâm
8
Luận văn tốt nghiệp
Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt
H nh 3.6 Màn hình hiển thị và nút nhấn điều khiển ......................................... 77
H nh 3.7 Mô đun thời gian thực DS1302 ......................................................... 77
H nh 3.8 Màn hình hiện thị khi cấp nguồn ...................................................... 79
H nh 3.9 Các nút điều khiển ............................................................................. 79
H nh 3.10 Cách cài đặt hệ thống ..................................................................... 80
Học viên: Nguyễn Tùng Lâm
9
Luận văn tốt nghiệp
Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Do các nguồn nhiên liệu dự trữ như than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên đều
có hạn, khiến cho con người đang đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng
trong tương lai. Hơn nữa việc khai thác và sử dụng các nguồn năng lượng này
luôn gây ra sự ô nhiễm môi trường và là một trong những ngun nhân chính
dẫn đến sự nóng dần lên của trái đất.
Năng lượng Mặt Trời là một trong các nguồn năng lượng tái tạo quan
trọng nhất mà thiên nhiên ban tặng cho hành tinh chúng ta. Đồng thời nó cũng
là nguồn gốc của các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió, năng
lượng các dịng sơng… Năng lượng mặt trời có thể nói là vơ tận.
Chính vì vậy đề tài “ Nghiên cứu và thiết kế hệ thống điều khiển theo
hướng mặt trời cho pin năng lượng mặt trời” nhằm thu nhận năng lượng mặt
trời đạt công suất tối ưu.
2. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tƣợng, phạm vi nghiên
cứu.
Đề tài có mục tiêu chủ yếu là nghiên cứu và thiết kế hệ thống điều khiển,
hệ thống khung, hệ thống giá đỡ, hệ truyền động cơ khí cho dàn đỡ pin mặt
trời có khả năng tự xoay theo hướng mặt trời.
- Các mục đích nghiên cứu cụ thể là:
+ Phân tích quỹ đạo di chuyển của mặt trời và các nguyên tắc xoay
dàn nhằm chọn ra phương pháp dẫn động và điều khiển thích hợp;
+ Tính tốn thiết kế hệ thống giá đỡ, chọn động cơ hệ truyền động
cơ khí cho dàn năng lượng mặt trời tự xoay có cơng suất 50 W.
+ Chế tạo một hệ thống thực đầy đủ cả thiết bị điều khiển;
+ Vận hành thử nghiệm để chỉ ra các lưu ý thiết kế các hệ thống
tương tự.
- Đối tượng nghiên cứu:
+ Các hệ thống năng lượng mặt trời tự xoay;
Học viên: Nguyễn Tùng Lâm
10
Luận văn tốt nghiệp
Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt
+ Kết cấu giá đỡ, hệ truyền động cơ khí cho dàn đỡ pin mặt trời có
khả năng tự xoay theo hướng mặt trời.
+ Mơ hình thực tế.
- Phạm vi nghiên cứu:
+ Nghiên cứu điều khiển 2 động cơ bằng phương phương pháp PI
+ Điều khiển hệ thống vận hành tự động theo thời gian đặt.
3. Tóm tắt cơ đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác
giả
Thiết kế và vận hành dàn pin năng lượng mặt trời xoay theo hướng mặt
trời bằng hai trục Đông – Tây và Bắc – Nam.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu.
Thu thập tất cả các tài liệu có liên quan đến đề tài nghiên cứu
Nghiên cứu và xem xét các cơng trình đã cơng bố liên quan đến đề tài
Xây dựng mơ hình mơ phỏng của hệ thống điều khiển theo hướng mặt trời.
Dựa trên kết quả thu được của xây dựng mơ hình thực nghiệm phân tích các
kết quả thu được và kiếnnghị
Đánh giá tổng quát toàn bộ luận văn và đưa ra hướng phát triển của đề
tài.
Học viên: Nguyễn Tùng Lâm
11
Luận văn tốt nghiệp
Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt
CHƢƠNG 1 – TỔNG QUAN
1.1.
Tiềm năng của nguồn năng lƣợng mặt trời.
Việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng mới, năng lượng sạch
như năng lượng địa nhiệt, năng lượng gió, năng lượng mặt trời và năng lượng
sóng biển là định hướng quan trọng trong kế hoạch phát triển năng lượng của
hầu hết các quốc gia trên toàn thế giới.
Năng lượng Mặt Trời là một trong các nguồn năng lượng tái tạo quan
trọng nhất mà thiên nhiên ban tặng cho hành tinh chúng ta. Đồng thời nó cũng
là nguồn gốc của các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió, năng
lượng các dịng sơng… Năng lượng mặt trời có thể nói là vơ tận. Tuy nhiên
để khai thác, sử dụng nguồn năng lượng này cần phải biết các đặc trưng và
tính chất cơ bản của nó, đặc biệt khi tới bề mặt Trái Đất.
Năng lượng Mặt trời là một nguồn năng lượng sạch, tái tạo vơ tận.Theo
tính tốn của các nhà khoa học, nếu thu được 10% năng lượng mặt trời trên
tồn bộ bề mặt trái đất có thể cung cấp 20TW (20.000.000 MW), lớn gấp
10.417 công suất thiết kế của nhà máy thủy điện Hịa Bình và bằng khoảng hai
lần năng lượng hóa thạch có được trên thế giới [2]. Nếu thu năng lượng mặt
trời trên trái đất trong 72 giờ, sẽ tương đương với nguồn năng lượng thu được
từ tất cả các mỏ than, dầu và khí thiên nhiên trên khắp thế giới [3].
Tại Việt Nam, hiện nay lượng năng lượng tái tạo khai thác được chỉ bằng
2,3 % trong tổng thể nguồn năng lượng điện, trong đó nguồn năng lượng sản
xuất từ mặt trời chưa xứng với tiềm năng của nó, chỉ chiếm một tỉ lệ 0,009%
[4]. Việt
Nam đang có kế hoạch phấn đấu đến năm 2015, nguồn năng lượng tái
tạo khaithác đạt mức 5%, năm 2030 đạt mức 10% trong tổng sản lượng điện
khai thác [5].
1.2.
Các kiểu khai thác năng lƣợng mặt trời
Đến nay, năng lượng mặt trời được khai thác dưới nhiều dạng chuyển đổi
khác nhau:
Học viên: Nguyễn Tùng Lâm
12
Luận văn tốt nghiệp
Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt
Chuyển năng lượng mặt trời thành cơ năng.Hình 1.1 là một động cơ hoạt
động nhờ ánh sáng mặt trời do tiến sĩ Nguyễn Xn Hùng nghiên cứu. Ngun
lí hoạt động của nó là dựa vào sự giãn nở khơng khí do nhiệt của mặt trời. Ưu
điểm của động cơ này là sử dụng trục tiếp năng lượng mặt trời. Tuy nhiên,
nhược điểm là khơng hoạt động được khi khơng có nắng.
H nh 1.1 Động cơ hoạt động nhờ ánh sáng mặt trời
Khai thác năng lượng mặt trời ở dạng nhiệt năng. Hình 1.2 là bếp sử
dụng năng lượng mặt trời. Nguyên lý của hoạt động rất đơn giản, sử dụng
prabol để tập trung ánh sáng mặt trời tại tiêu điểm, vật dụng đun nấu được đặt
ngay tạitiêu điểm đó. Ưu điểm của kiểu khai thác này là đơn giản, hiệu suất
cao do nhận nhiệt năng trực tiếp từ mặt trời. Tuy nhiên, nhược điểm chính của
phương pháp này là ở khâu vận hành, người vận hành phải đứng ngoài trời nên
rất bất lợi. Nhược điểm thứ hai là phụ thuộc vào ánh nắng mặt trời, chỉ hoạt
động khi có ánh nắng mặt trời.
Học viên: Nguyễn Tùng Lâm
13
Luận văn tốt nghiệp
Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt
H nh 1.2 Bếp năng lượng mặt trời
Chuyển năng lượng mặt trời thành điện năng.Đây là một kiểu khai thác
năng lượng mặt trời phổ biến nhất hiện nay. Pin năng lượng mặt trời (hay pin
quang điện, tế bào quang điện), là thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các diot p-n,
dưới sự hiện diện của ánh sáng mặt trời có khả năng tạo ra dòng điện sử dụng
được. Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện.
Dàn pin mặt trời. Hình 1.3 là một nhà máy điện năng lượng mặt trời tại
Bồ Đào Nha, các tấm pin tại nhà máy này phủ rộng trên một diện tích 150 ha
và nhà máy này cung cấp một lượng điện đủ cho 8000 hộ dân. Các tấm pin
năng lượng mặt trời được lắp trên một dàn cố định và nghiêng theo một góc
ban đầu [7].
H nh 1.3 Nhà máy điện năng lượng mặt trời tại Bồ Đào Nha [7]
Học viên: Nguyễn Tùng Lâm
14
Luận văn tốt nghiệp
Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt
Du thuyền chạy bằng năng lượng mặt trời. Hình 1.4 là một chiếc du
thuyền hoạt động hoàn toàn nhờ vào năng lượng mặt trời, tổng diện tích của
các tấm pin lắp trên thuyền là 356 (m2) và có thể tích điện để thuyền vận hành
trong 72 giờ mà không cần ánh sáng mặt trời [6].
H nh 1.4 Du thuyền hoạt động băng năng lượng mặt trời [6]
Phương pháp này có ưu điểm lớn nhất là năng lượng mặt trời được biến
đổi thành điện năng, tích trữ trong các bình ắc-quy hoặc hịa vào lưới điện,
được sử dụng vào nhiều mục đích khác nhau. Do đó chủ động trọng việc cung
cấp năng lượng. Hiện nay, các nhà chế tạo đã sản xuất ra được các tấm pin
năng lượng mặt trời hấp thụ ánh sáng trắng (khơng có ánh nắng mặt trời vẫn
sản xuất được điện năng), không lệ thuộc vào ánh sáng mặt trời.
Tấm pin năng lượng mặt trời có hiệu suất hấp thụ cao nhất khi tia sáng
của mặt trời ln vng góc với mặt phẳng tấm thu. Vấn đề này được giải
quyết bằng cách lắp những tấm pin năng lượng mặt trời trên dàn pin xoay
được, dàn pin này luôn luôn hướng tấm pin vào mặt trời vng góc với tia
sáng mặt trời.
1.3.
Một số kiểu dàn pin tự xoay
1.3.1. Nguyên tắc xoay
Học viên: Nguyễn Tùng Lâm
15
Luận văn tốt nghiệp
Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt
Tấm pin năng lượng mặt trời đạt hiệu quả cao nhất khi phương của tia
sáng mặt trời vng góc với mặt phẳng của nó. Năng lượng hấp thụ giảm dần
theo cosin của góc phương vị , hình 1.5 thể hiện vấn đề đó.
H nh 1.5 Mơ tả góc tới tia sáng mặt trời đối với pháp tuyến mặt phẳng
nằmngang [2]
Nguyên tắc xoay của dàn pin là luôn luôn hướng dàn pin vào mặt trời sao
cho góc được tạo bởi giữa phương của tia sáng mặt trời và phương pháp tuyến
của mặt phẳng tấm thu năng lượng (Góc tới trên hình vẽ) là nhỏ nhất.
Nguyên tắc này là cơ sở để thiết kế các kiểu dàn xoay.
1.3.2. Các kết cấu xoay
Hiện nay, trên thế giới, có nhiều kiểu dàn tự xoay đang được vận hành,
khai thác cả ở phạm vi công nghiệp lẫn trong các phịng thí nghiệm. Tuy
nhiên, có thể xếp các kết cấu xoay theo các nhóm dưới đây.
a. Kết cấu xoay một trục.
Dàn pin xoay quanh một trục và có góc nghiêng ban đầu (góc vĩ độ).
Hình 1.6 là cấu trúc và mơ hình của một kiểu dàn pin tự xoay. Ở mơ hình này,
các tấm pin được lắp trên một dàn, dàn này lắp về một phía (dàn cơng xơn) và
có góc nghiêng ban đầu. Kiểu dàn này có ưu điểm là góc quay của dàn lớn,
chế tạo đơn giản, dễ lắp ráp, vận hành và bảo dưỡng, phù hợp đăt ở những vị
trí có vĩ độ lớn. Tuy nhiên, kiểu dàn này khơng có tính ổn định cao, vì quay
theo một trục tự do nên hiệu suất thu được không cao lắm. Với kiểu dàn quay
một trục này, theo tính tốn của các nhà nghiên cứu, hiệu suất của nó tăng lên
Học viên: Nguyễn Tùng Lâm
16
Luận văn tốt nghiệp
Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt
đến 40% [2] so với kiểu dàn cố định. Hình 1.7 là biểu đồ so sánh mức năng
lượng thu được của kiểu dàn cố định và dàn quay quanh một trục trong một
ngày. Qua đồ thị này cho ta thấy, đối với dàn pin quay quanh một trục thì mức
năng lượng thu được cao hơn rất nhiều so với dàn cố định vào các thời điểm
buổi sáng và chiều.
H nh 1.6 Mơ hình dàn pin tự xoay theo một trục [2]
H nh 1.7 Biểu đồ so sánh năng lượng thu được giữa hai kiểu dàn[2]
b. Kết cấu xoay hai trục.
Học viên: Nguyễn Tùng Lâm
17
Luận văn tốt nghiệp
Chun ngành: Kỹ thuật nhiệt
Tính tốn theo lý thuyết, năng lượng đầu ra của dàn 2 trục xoay tự động
dựa trên giả thiết rằng cường độ bức xạ lớn nhất là I = 1100W/m2 và tia bức xạ
ln vng góc với bề mặt tấm pin và dàn sẽ xoay tự động trong khoảng 12h
một ngày cho kết quả năng lượng hấp thụ của dàn W1 = 13,2 kWh/m2. Trong
khi đó năng lượng hấp thụ của dàn cố định W2 = 8,41kWh/m2 . So sánh hai
giá thị này ta thấy năng lượng hấp thụ của dàn 2 trục xoay tự động sẽ cao hơn
57% so với dàn cố định. Nhưng khi góc theo dõi của dàn 2 trục lớn hơn 600
thì năng lượng thu được của dàn sẽ không chênh lệch nhiều so với dàn cố
định và được minh họa như biểu đồ ở hình 1.8 [3].
H nh 1.8 Tỉ lệ % giữa năng lượng thu được của giàn 2 trục so với giàn cố định
giảm dần khi góc quay tăng dần
Trong điều kiện trời nhiều mây, sương mù kéo dài làm giảm hiệu suất
đầu ra của dàn 2 trục xoay tự động xuống khoảng 20%. Nói chung, ở những
khu vực có điều kiện tốt thì hàng năm hiệu suất đầu ra tăng khoảng 30-40%.
Mặt khác, năng lượng hấp thụ trong ngày có thể tăng từ 0-100% [4].
Năm 2000 Helwaetal đã làm thí nghiệm để so sánh hiệu suất đầu ra của
dàn 2 trục xoay theo góc phương vị và góc vĩ độ (Hình 1.9) với dàn cố định
nghiêng một góc 400 so với phương ngang. Dàn 2 trục được điều khiển qua
một bộ vi xử lý trung tâm. Công suất tiêu thụ của bộ vi xử lý, các thiết bị điện,
Học viên: Nguyễn Tùng Lâm
18
Luận văn tốt nghiệp
Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt
các sensor điều khiển và các động cơ điện vào khoảng 50Wh/ngày hay
22Wh/ngày khi mà độ chính xác của dàn tương ứng là 0.560 và 100. Kết
quả của thí nghiệm chỉ ra rằng hiệu suất của dàn 2 trục lớn hơn 30% so với
giàn cố định như trên [5].
H nh 1.9 Mơ hình dàn pin xoay theo 2 trục, một trục quay theo góc phương
vịvà một trục quay theo góc cao độ.
Năm 2007, Chiccoetal đã so sánh hiệu suất giữa dàn hai trục tự do và dàn
cố định được đặt tại ba vị trí. Ở vị trí thứ nhất, ơng điều khiển quay riêng lẻ
một trục của giàn 2 trục để so sánh với dàn cố định có góc phương vị 00 và
nghiêng một góc 360. Ở vị trí thứ 2, ông điều khiển quay độc lập 2 trục của
dàn xoay so với dàn cố định có góc phương vị 00 và có góc nghiêng 300. Ở vị
trí thứ 3, vị trí các tấm pin của dàn 2 trục sẽ được thay đổi 15 phút một lần so
với dàn cố định nghiêng một góc 300 so với phương ngang. Kết quả thu được
trung bình hàng năm như sau, dàn 2 trục có hiệu suất hơn 32,9%, 35,1% từ mơ
phỏng và 37,7%, 30,4% từ thực nghiệm tương ứng tại 2 vị trí đầu. Ở vị trí thứ
3, dàn 2 trục có thể đạt hiệu suất 31,5% hàng năm [6].
Học viên: Nguyễn Tùng Lâm
19
Luận văn tốt nghiệp
Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt
Ngoài những ưu điểm so với dàn cố định như trên, dàn 2 trục xoay tự
động cho hiệu suất đầu ra lớn hơn so với dàn 1 trục xoay tự động. Điều đó đã
được chứng minh qua nghiên cứu của Gordon. Ông đã mơ phỏng thí nghiệm
nhờ sự hỗ trợ của máy tính để so sánh hiệu suất hấp thụ ánh sáng giữa dàn
theo dõi theo 2 trục với dàn 1 trục xoay theo trục Bắc-Nam và dàn quay quanh
trục nghiêng một góc tương ứng với góc vĩ độ tại nơi lắp đặt. Kết quả thu
được, dàn thu 2 trục có hiệu suất lớn hơn 10% so với dàn xoay quanh trục
Bắc- Nam và 3% so với dàn xoay quanh trục nghiêng một góc tướng ứng với
góc vĩ độ hàng năm (7).
Kalogirou SA đã tính tốn dựa trên lý thuyết để so sánh hiệu suất của hệ
thống năng lượng hai trục so với hệ thống theo dõi một trục quay quanh trục
Đông – Tây. Kết quả cho thấy hiệu suất của hệ thống 2 trục lớn hơn 10,9% so
với hệ thống theo dõi 1 trục trên [7].
Nhưng ngược lại, chúng ta không thể phủ nhận đi những ưu điểm của hệ
thống 1 trục xoay tự động. Hiệu suất đầu ra của hệ thống cũng cao hơn khá
nhiều so với hệ thống cố định. Gần đây nhất, năm 2009 Sefa et al đã làm thí
nghiệm và mơ phỏng trên máy tính để so sánh công suất của hệ thống 1 trục so
với hệ thống cố định. Kết quả cho thấy công suất đầu ra của hệ thống xoay tự
động lớn hơn khá nhiều so với kiểu cố định [8]. Kết quả thu được như ở Hình
1.7:
Trong quá trình nghiên cứu về “ Hệ thống năng lượng mặt trời quay
quanh 2 trục với điểu khiển PLC ” của các tác giả S. Abdallah, S. Nijmeh [9]
cho biết hiệu suất đầu ra của dàn cao hơn rất nhiều so với giàn cố định. Ông đã
đưa ra biểu đồ để minh họa cho kết quả đạt được như hình2.11:
Học viên: Nguyễn Tùng Lâm
20
Luận văn tốt nghiệp
Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt
H nh 1.10 Biểu đồ so sánh công suất của hệ thống 2 trục xoay với kiểu cố
định.
Trong kết luận ơng có nói rằng hiệu suất đầu ra của hệ thống trong tất cả
các mùa lớn hơn 41,3 % lần so với hệ thống dàn cố định.
1.3.3. Các phƣơng án điều khiển
Dựa vào nguyên tắc xoay, các nhà nghiên cứu đã đề xuất một số phương
án xoay được trình bày theo sơ đồ ở Hình 1.11. Mỗi phương án có ưu, nhược
điểm riêng, độc giả có thể đọc tài liệu [2] để tìm hiểu thêm.
Học viên: Nguyễn Tùng Lâm
21
Luận văn tốt nghiệp
Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt
H nh 1.11 Các kiểu điều khiển [2]
1.3.4. Phƣơng pháp tổng hợp hệ thống điều khiển theo quan điểm
bền vững [1]
a .Đặt vấn đề
Các đối tượng điều khiển thực nói chung có tính bất định và giới hạn bất
định không chỉ phụ vào phương pháp nhận dạng mà chủ yếu do bản chất cơng
nghệ của đối tượng qui định. Tính bất định của đối tượng sinh ra do hai loại
nguyên nhân chính. Thứ nhất là những nguyên nhân mang tính phương pháp
luận, do hạn chế về điều kiện đo đạc và quan trắc, do bản chất xấp xỉ của các
phương pháp xử lý số liệu và mơ hình hố, v.v... Loại thứ hai bao gồm các
nguyên nhân khách quan, do bản chất phi tuyến không tránh khỏi của đối
Học viên: Nguyễn Tùng Lâm
22
Luận văn tốt nghiệp
Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt
tượng quyết định. Điều này thường gắn liền với sự thay đổi điều kiện làm việc
của hệ thống, ví dụ sự thay đổi cơng suất của đối tượng cơng nghệ.
Vậy, bài tốn tổng hợp hệ bất định có thể phát biểu như sau: Giả sử đối
tượng thay đổi bất định trong một khoảng nào đó. Hãy xác định cấu trúc và
các tham số của bộ điều chỉnh sao cho hệ thống làm việc ổn đỉnh bền vững,
đồng thời đạt độ sai lệch nhỏ nhất giữa đại lượng đầu ra và tác động điều
khiển hệ thống, Dưới tác động nhiễu tuỳ ý.
Hầu hết các phương pháp tổng hợp hệ thống trước đây đều giả thiết rằng
đối tượng khơng thay đổi và được mơ hình hố với độ chính xác cần thiết.
Điều đó đã tăng yêu cầu với quá trình nhận dạng, mà trong thực tế có thể rất
tốn kém hoặc mơ hình nhận được khơng thể đáp ứng độ chính xác đặt ra.
Dưới đây, sẽ trình bầy một cách nhìn mới về bài tốn tổng hợp hệ bất
định và trên cơ sở đó trình bày phương pháp giải hiệu quả và khá đơn giản.
b. Khái niệm về tổng hợp bền vững tối ưu
Bài toán tổng hợp hệ thống điều khiển là xây dựng một hệ thống điều
khiển (bao gồm các khâu động học liên kết theo sơ đồ nguyên lý nhất định)
với các tham số của nó sao cho các chỉ số chất lượng của hệ thống nằm trong
phạm vi đã định.
Cấu trúc sơ bộ của hệ thống thường chọn là hệ một vòng đơn giản, bao
gồm một đối tượng và một bộ điều chỉnh. Theo kết quả đánh giá chất lượng hệ
tạo thành, nếu cần tăng cường tính ổn định của hệ thống và/hoặc cần triệt
giảm ảnh hưởng của nhiễu quá trình một cách hiệu quả hơn, có thể thiết lập
vịng điều chỉnh bổ sung tác động nhanh hơn. Điều đó dẫn đến cấu trúc nhiều
vòng của hệ thống. Trong thực tế, các hệ thống điều khiển một đầu ra thường
có một vịng hoặc nhiều vịng lồng nhau, có tên gọi chung là hệ điều khiển
tầng (CASCAD).
Học viên: Nguyễn Tùng Lâm
23
Luận văn tốt nghiệp
Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt
Nếu tồn tại nhiễu ngồi đáng kể và có thể đo được, thì để triệt giảm
ảnh hưởng của nó có thể thiết lập các kênh khử song song. Khí đó, ta đi đến
hệ thống điều khiển hỗn hợp, thực hiện đồng thời nguyên lý điều khiển theo
sai lệch (có vịng kín) và ngun lý điều khiển theo nhiễu.
Bộ điều chỉnh là khâu nằm trên một vịng kín nào đó nên có thể làm
thay đổi tính chất ổn định của hệ thống và có ảnh hưởng quyết định đến các
chỉ số chất lượng điều chỉnh. Cịn các bộ khử nhiễu thì nằm ngồi các vịng
kín nên khơng ảnh hưởng đến sự ổn định của hệ thống mà chỉ áp dụng để làm
giảm ảnh hưởng của nhiễu.
Như vậy nên bài toán tổng hợp hệ thống thường được phân rã thành bài
toán tổng hợp bộ điều chỉnh và bài toán tổng hợp bộ khử, tương đối độc lập
lẫn nhau. Bài toán tổng hợp bộ điều chỉnh có độ phức tạp hơn hẳn so với bài
tốn tổng hợp bộ khử vì khi tìm bộ điều chỉnh để cải thiện chỉ số chất
lượng nào đó ln ln phải tính đến điều kiện dự trữ ổn định hệ thống mà
điều kiện này khơng tồn tại trong bài tốn tổng hợp bộ khử. Việc hình thức
hóa tốn học điều kiện dự trữ ổn định hệ thống xưa nay vẫn là vấn đề phức tạp
nhất trong quá trình tổng hợp hệ thống.
Vấn đề đảm bảo dự trữ ổn định thường đặt ra để đảm bảo sự ổn định
của hê thống cả trong trường hợp mà mơ hình các phần tử có thể khơng hồn
tồn chính xác và do sự xấp xỉ trong các kết quả tính tốn. Mặt khác, điều
kiện dự trữ ổn định có ý nghĩa đặc biệt quan trọng để đảm bảo hệ thống
luôn luôn ổn định, khi đặc tính của đối tượng tự thay đổi một cách bất định
trong quá trình làm việc. Sự đảm bảo dự trữ ổn định của hệ thống trong
mọi trường hợp biến thiên đặc tính đối tượng trong phạm vi nhất định
gọi là điều kiên ổn định bền vững.
Các chỉ số chất lượng quan trọng của hệ thống điều khiển là thời gian
điều chỉnh (độ tác động nhanh), độ quá điều chỉnh, sai số xác lập, tích phân
sai số điều chỉnh, .v… Tùy theo tính chất của q trình cơng nghệ mà chỉ số
Học viên: Nguyễn Tùng Lâm
24
