Tải bản đầy đủ

Nghiên cứu thiết kế, ứng dụng cụm thiết bị phát điện công suất nhỏ cho hệ thống chuyển đổi năng lượng từ sóng biển thành điện năng

ĐẠI HỌC QƯÓC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
PoÊQoỉ

nrẠ -*À iX*

Tên đê tài:

NGHIÊN CỨU THIÉT KẾ, ỨNG DỤNG CỤM THIÉT BỊ PHÁT ĐIỆN
CÔNG SUẤT NHỎ CHO HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG
TỪ SÓNG BIẺN THÀNH ĐIỆN NĂNG

Mã số:
QC.07.05
Chủ nhiệm đề tài: TS. Phạm Mạnh Thắng

Đ A I H O C Q U Ố C G IA HÀ N Ộ I
Tf?UNG ĨẨ M ỈH Ồ N G TIN ĨHƯ VIÊN

Hà Nội, 1/2010



Ket-noi.com
Ket-noi.com kho
kho tai
tai lieu
lieu mien
mien phi
phi

MỤC LỤC

Trang

STT
1

Danh mục các từ viết tắt

2

2

Danh sách những người tham gia thực hiện đề tài

3

3

Phiếu tóm tắt những kết quả chính của đề tài

4

BÁO CÁO TỎNG KẾT

4

Phần I: M ở đầu - Mục tiêu của đề tài

7


5

Phần II: Nguyên lý hoạt động của hệ thống lun trữ năng lượng

8

6

Phần III: Thiết kế và chế tạo phần cứng cho hệ thống

10

7

Phần r v : Cấu trúc phần mềm điều khiển cho hệ thống

19

8

Phần V : Kết quả của đề tài

23

9

Phần VI: Kết luận và kiến nghị

24

10

Tài liệu tham khảo

25

11
12

Tóm tẳt các kết quả nghiên cứu chính của đề tài bằng tiếng Anh
(Summary)
Phiếu đăng ký- kết quả nghiên cứu đề tài KHCN

26
28

P H U• L U• C
Phụ lục 1: Mã phần mềm điều khiển cho thiết bị lưu trữ năng lượng tự
13

động. (Chương trình viết cho VĐK PIC hãng Microchip - CCS
Compiler V. 4.033)

30


r

r

r

Danh mục một sô từ viêt tăt

EG

Electricity Generation

I2C

Inter-Integrated Circuit

ICSP

In-Circuit Serial Programming

IEA

International Energy Agency

ISP

In System Programming

MCƯ

Microcontroller unit

OWE

Ocean Wave Energy

OWP

Ocean Wave Power

POR

Power-on Reset

SPI

Serial Peripheral Interface Bus

WEC

Wave Energy Converters

WES

Wave Energy Systems

WDT

Watchdog Timer

2


Ket-noi.com
Ket-noi.com kho
kho tai
tai lieu
lieu mien
mien phi
phi

Danh sách những ngưò’i tham gia thực hiện đề tài

STT

H ọ v à tên

H ọc hàm ,
h ọc vị

1

Phạm Mạnh Thắng

TS.

2

Đặng Thế Ba

TS.

3

Hoàng Văn Mạnh

KS.

4

Phan Thị cẩm Lai

KS.

5

Phan Thị cẩm Ly

CN.

C h u y ên n gàn h

C Q . cô n g tác

Khoa CHKT & Tự
hoá - Trường ĐHCN
Khoa CHKT & Tự
Toán-Cơ-Tin học
hoá - Trường ĐHCN
Khoa CHKT &
Cơ điện tử
Trường ĐHCN
Khoa CHKT &
Cơ điện từ
Trường ĐHCN
Khoa CHKT &
Hành chính
Trường ĐHCN
Tự động hoá

động
động

TĐH
TĐH
TĐH


TÓM TẲT CÁC KÉT QUẢ CHÍNH CỦA ĐÈ TÀI

1. Tên đề tài:
Nghiên cứu thiết kế, ứng dụng cụm thiết bị phát điện công suất nhỏ cho hệ thống
chuyển đổi năng lượng từ sóng biển thành điện năng.
2.

Mã số:

QC.07.05

3.

Chủ trì đề tài:

TS. Phạm M ạnh Thắng

4. N hững kết quả chính

a.

Kết quả khoa học
Trong khuôn khổ đề tài, nhóm tác giả đã thực hiện các nộidung

1. Đã nghiên cứu tổng

chính sau đây:

quan các loại máy phát điện thuý lựcloại

nhỏ hiện cótrên thị

trường.
2. Lựa chọn được mô hình thiết kế với các tính năng phù họp cho thiết bị phát điện
dùng năng lượng sóng quy mô phòng thí nghiệm.
3. Thiết kế ứng dụng và lắp đặt hệ thống lưu trữ năng lượng cho cụm máy phát điện từ
năng lượng sóng qui mô nhò.
4. 01 báo cáo khoa học về kết quả tại hội nghị quốc tế về Cơ học và Tự động hóa
ICEMA 2010.
5. 01 khóa luận tốt nghiệp kỹ sư Cơ điện tử đã được thực hiện trong quá trình thực
hiện đề tài.
b. Kết quả úng dụng

Sản phẩm công nghệ: 01 thiết bị chuyển đổi và lưu trữ năng lượng từ sóng biển
thành điện năng.
c. Kltả năng ứng dụng thực tế

- Cung cấp năng lượng chiếu sáng cho các đơn vị ngoài khơi, hải đảo khai thác từ
năng lượng sóng biển;
- Cung cấp năng lượng chiếu sáng và sinh họat cho các hộ dân sống các khu vực miền
núi có thể khai thác dòng chảy từ thượng nguồn;
- Bước đầu hình thành hướng nghiên cứu và ứng dụng công nghệ khai thác các nguồn
năng lượng sạch.

4


Ket-noi.com
Ket-noi.com kho
kho tai
tai lieu
lieu mien
mien phi
phi

BÁO CÁO TÔNG KÉT


BÁO CÁO TỔNG KÉT
Phần I: Mỏ' đầu - Muc tiêu của đề tài
Ngày nay, các nguồn năng lượng truyền thống đang bị khai thác tối đa. Trong tình
trạng tài nguyên cạn dần, cùng với lượng CO 2 và các khí thái sinh ra trong quá trình sử
dụng các nguồn tài nguyên truyền thống đã gây ô nhiễm nặng nề đến môi trường của các
sinh vật sống trên toàn cầu. Trước những thách thức trên, các hướng phát triển sử dụng
nguồn năng lượng sạch và tái tạo đang được đặt ra như một nhiệm vụ cần thiết và cấp bách.
Một dạng năng lượng sạch đã và đang được nghiên cứu sừ dụng đó là năng lượng từ sóng
biển.
Năng lượng sóng biển là nguồn năng lượng tái tạo, có sẵn trong thiên nhiên. Việc sử
dụng năng lượng sóng biển làm giảm thiều ô nhiễm môi trường so với nguồn năng lượng
từ nhiên liệu. Hơn thế nữa, năng lượng sóng biển là nguồn năng lượng rất lớn, vì có tới
70% diện tích bề mặt trái đất là nước, trong đó phần lớn là diện tích các đại dương. Người
ta ước tính rằng, nếu 0,2% nguồn tài nguyên năng lượng sóng biển được sử dụng thì nó
cung cấp đủ năng lượng cho toàn thế giới.
Mục tiêu đặt ra của đề tài này là bước đầu nghiên cứu, thiết kế ứng dụng được cụm
thiết bị có khả năng phát điện công suất nhỏ (quy mô phòng thí nghiệm) từ nguồn năng
lượng sóng biển. Sau phần mở đầu, Phần II của báo cáo giới thiệu tổng quan về nguyên lý
biến đổi sóng biển thành điện năng với các nguồn năng lượng từ đại dương. Tiếp theo là
những thông tin về các bộ biến đổi năng lượng sóng ( WEC - Wave Energy Converters).
Phần III nêu lên cấu trúc phần cứng của hệ thống chuyển đổi và lưu trữ điện năng từ năng
lượng sóng biển cùng với tính năng kỹ.thuật, sơ đồ khối của tòng thành phần. Phần cuối
của báo cáo tóm tắt quy trình xây dựng mã nguồn của phần mềm nhúng điều khiển cho
thiết bị lưu trữ năng lượng và khả năng ứng dụng sàn phẩm của đề tài.

6


Ket-noi.com
Ket-noi.com kho
kho tai
tai lieu
lieu mien
mien phi
phi
Phần II: Nguyên lý hoạt động của hệ thống lưu trữ năng lưọng
Sóng biển bắt nguồn từ quá trình truyền năng lượng mặt trời tới gió và sau cùng là
nước. Năng lượng mặt trời tạo ra gió, sau đó gió sẽ thổi qua biển tạo lên sóng và năng
lượng sóng sẽ bị thất thoát ít trong quá trình di chuyển. Một đặc tính quan trọng là sóng
biển có mật độ năng lượng ổn định và có thể dự báo một cách chính xác, chính xác hơn
nguồn năng lượng từ gió và mặt trời.
Hệ thống biến đổi năng lượng sóng WEC có thể được phân ra thành 2 loại lớn:
loại Turbine và loại Bouy. Mỗi loại có một ưu nhược điểm khác nhau, ví dụ như loại
Turbine hướng nghiên cứu đến cộng đồng trong khi loại Bouy cho hiệu quả kinh tế cao
hơn. Các hệ thống biến đổi năng lượng này hoạt động dựa trên một nguyên tắc cơ bản đó là
sử dụng năng lượng sóng biển làm quay động cơ của máy phát điện để sinh ra dòng điện.
Loại Turbine cũng có nhiều loại trong đó phổ biến hon cả là bộ biến đổi năng lượng sóng
cột nước dao động o w e (Oscillating Water Column Wave Energy Converter). Bộ biến đổi
này hoạt động dựa trên nguyên tấc sừ dụng sóng để điều áp không khí. Buồng khí được đặt
trên mặt nước và thông với buồng sóng. Khi sóng lên xuống sẽ làm giảm hoặc tăng thể tích
buồng khí trong khi lượng không khí bên trong được giữ không đồi. Điều này sẽ làm tăng
giảm áp suất trong buồng khí gây ra áp lực làm cho cánh quạt của động cơ đặt trong buồng
khí quay. Loại Bouy cũng có nhiều cấu trúc thiết kế khác nhau, trong đó phổ biến nhất là
loại ống rỗng và loại bè. Loại ống rỗng đặt nổi trên mặt nước và gồm nhiều khúc. Các ống
nối với nhau bời các thanh cứng có gắn piston. Khi sóng đi qua sẽ làm hai phân khúc cạnh
nhau chuyển động theo hai hướng khác nhau trên cùng một đường thẳng. Khi đó piston sẽ
bị nén hoặc giãn làm cho động cơ của máy phát điện đặt bên trong quay sinh ra dòng điện.
Hệ thống này đã được sử dụng ở Bồ Đào Nha. Loại bè thì sừ dụng một bề mặt nổi trên mặt
nước. Khi sóng dâng cao hoặc hạ xuống nó sẽ kéo hệ thống piston đặt ngay dưới bè lên
xuống theo. Sự lên xuống của piston lảm cho động cơ đặt dưới mặt nước quay, sinh ra
điện. Loại này đã được sử dụng ờ bang Oregon, Mỹ. Sau khi sinh ra dòng điện, trước khi
cung cấp đến người tiêu dùng còn cần một hệ thống để lưu trữ nguồn điện năng đó và hệ
thống dày cáp ngầm truyền tải điện năng đến người tiêu dùng. Như vậy một hệ thong biến
đổi năng lượng sóng có thể được phân ra thành các phân hệ như sau: bộ biến đổi năng
lượng sóng làm quay động cơ, máy phát điện, bộ lưu trữ điện năng và hệ thống truyền tải
điện năng.

7


Hình 1: Ví dụ về o w e theo mô hình cột nước dao động

Sóng biển tuy là nguồn năng lượng lớn, tuy nhiên nhược điểm của việc sử dụng
năng lượng sóng là tính không liên tục. Trong một thời điểm có thể có hoặc không có năng
lượng sóng. Vì vậy, việc lưu trữ điện nãng và mô hình hệ thống lưu trữ năng lượng mà đề
tài nghiên cứu và thiết kế là một công đoạn quan trọng, nhằm giải quyết vấn đề này. Hệ
thống lưu trữ năng lượng trong khuôn khổ đề tài được thiết kế theo mô hình như sau:

Hình 2: Mô hình hệ thống lưu trữ năng lượng

8


Ket-noi.com
Ket-noi.com kho
kho tai
tai lieu
lieu mien
mien phi
phi
Phần III: Thiết kế và chế tạo phần cứng cho hệ thống
Trong quá trình thực hiện, để mô phỏng cho năng lượng từ sóng biển, đề tài đã sử
dụng dòng nước từ một bể chứa chảy xuống cánh quạt của turbine và làm cho cánh quạt
quay. Tính toán, thiết kế thể tích bể chứa và đường ống dẫn nước hợp lý để có lực như
mong muốn không thuộc nội dung chính của đề tài này, (Nằm trong khuôn khổ đề tài phối
hợp giữa Trường ĐHCN và Viện Cơ học - Viện KH&CN VN).
Năng lượng từ bộ thu sóng cũng như dòng nước từ một bê chứa làm cho cánh quạt
của turbine quay. Trục cánh quạt của turbine được gắn với trục rotor của motor điện. Rotor
quay trong motor làm từ trường biến thiên và sinh ra dòng điện xoay chiều.
Như đã nói ờ trên, vì năng lượng sóng biển tuy rất lớn nhưng có tính không liên tục
nên cần có một hệ thống lưu trữ năng lượng. Để có thể nạp điện cho acquy thì dòng điện
xoay chiều sau khi được sinh ra từ motor phát điện phải được chinh lưu thành điện áp một
chiều. Điện áp sau khi được chinh lưu và ổn áp được đưa vào mạch điều khiển nạp điện
cho acquy để nạp điện cho acquy. Mạch điều khiển mạch bao gồm mạch Buck Converter
và được điều khiển bởi vi điều khiển. Hệ thống lưu trữ năng lượng gồm có 3 phần chính:
module phát điện, module chinh lưu và ổn áp, module điều khiển nạp điện cho acquy. Hoạt
động cùa hệ thông có đạt được hiệu quà như mong muôn hay không là phụ thuộc vào sự
chính xác trong quá trình thiết kế hệ thống. Vì vậy, yêu cầu về chính xác trong quá trình
thiết kế hệ phần cứng được đặt lên hàng đầu.
m . l . M odule phát điện

Để lựa chọn máy phát điện phù họp với điều kiện phòng thí nghiệm, vấn đề quan
trọng nhất cần quan tâm là hệ thống turbine của máy. Các yếu tố cơ bản khi lựa chọn
turbine là công suất của turbine và cột nước của trạm thủy điện đáp ứng với điều kiện của
phòng thí nghiệm. Công suất của turbine cực nhỏ mong đợi nằm trong khoảng 10W đến
100W.
Hiện nay có rất nhiều loại turbine khác nhau có cấu tạo, công suất và kích thước khác
nhau và sử dụng trong các trường hợp chiều cao cột áp khác nhau. Có các loại turbine sau:
Turbine Francis, turbine Francis buồng hờ, turbine hướng trục (turbin Kaplan), turbine
hướng trục trục ngang, turbine gáo, turbine xung kích hai lần, turbine tia nghiêng. Đối với
ứng dụng này, turbine Kaplan là một sự lựa chọn phù hợp vì turbine Kaplan được sử dụng
rộng rãi trong thực tế. Phạm vi cột nước dùng cho loại turbine này từ 1,5 đến 60m.
9


Hình 2.-Thiết bị phát điện

Nguyên lý làm việc của turbine dạng này như sau: Dòng chảy từ thượng lưu chảy qua
ống dẫn vào buồng xoắn, qua cột trụ, cánh hướng và vào bánh công tác theo phương hướng
trục. Sau khi trao đổi năng lượng với bánh công tác, dòng chảv tiếp tục chảy xuống buồng
hút. Bánh công tác của turbine gồm có bầu cánh hình trụ và chỗ lắp cánh có thể là mặt trụ
hay mặt cầu. Bánh công tác gồm nhiều cánh được gắn với bầu. Nêu cánh được gắĩi cố định
với bầu thì gọi là turbine hướng trục cánh cố định. Nếu cánh được lắp với bầu có thể quay
quanh trục của nó thì gọi là turbine hướng trục cánh xoay. Cánh có dạng cong theo hai
chiều (cong không gian), sổ cánh có thể từ 3-9 cánh.

10


Ket-noi.com
Ket-noi.com kho
kho tai
tai lieu
lieu mien
mien phi
phi

Hình 3: Turbine Kaplan
III.2. M odule chỉnh luu và ổn áp

Mạch chinh lưu và ổn áp được tính toán và thiết kế nhầm mục đích tạo ra điện áp một
chiều thích họp để nạp điện cho acquy từ điện áp xoay chiều được sinh ra từ thiết bị phát

Hình 5: Sơ đồ khối module chỉnh lưu và ổn áp
Khối lọc nhiễu cao tần: Loại bò nhiễu cao tần bám theo đường điện xoay chiều.
Khối chỉnh lưu cầu và lọc: Biến đổi điện xoay chiều thành một chiều và làm cho
điện áp một chiều phẳng hơn.
Khối tạo dao động tạo sóng vuông: Biến điện áp DC thành AC với tần số cao.
11


Khối biến áp xung: Có tác dụng cảm ứng điện áp xoay chiều AC từ cuộn sơ cấp
sang cuộn thứ cấp theo tỷ số vòng dây giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp.
Khối chỉnh lưu và lọc đầu ra: Chuyển đồi điện áp xoay chiều tần số cao từ cuộn sơ
cấp của biến áp xung thành điện áp một chiều DC và làm phẳng điện áp DC để sừ dụng.

Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu và ổn áp

Hình 6 : Sơ đồ Dguyên lý mạch chỉnh lưu và ổn áp

Hình 7: Mạch chỉnh lưu và ổn áp

12


Ket-noi.com
Ket-noi.com kho
kho tai
tai lieu
lieu mien
mien phi
phi

III.3. Module mạch nạp điện cho acquy
Mạch nạp được thiết kế để nạp cho Lead - Acid Acquy (12V, 5AH). Trong khuôn khổ
đề tài có sử dụng vi điều khiển hãng Microchip (USA) PIC16F877A để điều khiển dòng
nạp cho acquy từ mạch Buck Converter. PIC16F877A là loại vi điều khiển có tích hợp AD
converter, PWM và bộ nhớ chương trình có đủ dung lượng để có thể lập trình cho ứng
dụng. Mạch nạp có kích thước nhỏ gọn, đáp ứng được yêu cầu an toàn cho acquy khi nạp.
Có thể giám sát được dòng điện nạp cho acquy trong quá trình nạp khi giá trị dòng điện
nạp cho acquy được hiện thị lên LCD. Mạch nạp sử dụng hai Led để chỉ thị dòng nạp. (Red
Led biểu thị dòng nạp là high-current và Blue Led biểu thị dòng nạp là Low-cuưent).

Hình 8: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển nạp điện cho acquy
a)

Vi điều khiển PIC16F877A

Vi điều khiển là bộ não của một hệ thống. Vi điều khiển có nhiệm vụ điều khiển, phối
hợp hoạt động của toàn bộ hệ thống, đảm bảo hệ thống làm việc chính xác, hiệu quả. Do
vậy việc lựa chọn vi điều khiển nào để làm bộ điều khiển trung tâm là rất quan trọng. Qua
tìm hiểu từ nhiều tài liệu và từ các ứng dụng khác nhau ta thấy PIC16F877A đáp ứng được
các yêu cầu của ứng dựng.
13


Vi điều khiển PIC16F877 với tập lệnh gồm 35 lệnh có độ dài 14bit. Mỗi lệnh đều
được thực thi trong một chu kì xung clock. Tốc độ cho phép hoạt động tối đa là 20MHz với
mỗi chu kì lệnh là 200ns. Đặc tính cơ bản của Vi điều khiển này như sau:
- Sử dụng công nghệ tích hợp cao RISC CPU
- X ung clock vào có thể đạy đến 20M H z; C hu kỳ thực hiện lệnh là 200ns
- Bộ nhớ Flash 8192 words, cho phép ghi 100.000 lần
- Bộ nhớ SR A M 368 bytes
- Bộ nhớ E E P R O M 256 bytes, cho phép ghi 1000.000 lần
- D ữ liệu có thể được lưu trữ trong Flash, EE PR O M trên 40 năm.
- X ung clock nội từ 3 1kHz - 8M H z ; Tích họp bộ nguồn khởi động lại PO R,
bộ tạo xung thời gian PW RT, bộ tạo dao động O ST, bộ đếm thời gian W D T
và bộ reset B row n-out BOR.
- N hiều nguồn M aster clear với điện trở kéo bên trong.
- Bộ bảo vệ m ã chương trình. Có 35 chân I/O
- 2 bộ so sánh tín hiệu analog
- 14 bộ chuyển đổi ADC 10 bit- TimerO và tim er2 8bit, Tim er 1 16 bit; M odule C apture, C om parator, PW M
- G iao tiếp U S A R T tương thích chuẩn R S-485, R S-232 .
- G iao tiếp I2C, SPI
.JO
*ajliC
AtfA
N1

K

R A 3 /A M 3 .V « » e -r
IO U T

RAM

a Leve ls« » cfc

PtZm

;1l-b'l

P ro p r a m
S k i*

ịỊ ữ

A-5Ớ*41'

I 'mfJCTon~gg~

/

StA^A-MVSS/CrOUT
RBC.1NT
R
BI

ACOf M u x \

-------1Í

RS^GM

4f

KBA

RB©
W
8C/PQC
* D 7 r f* O C

j Sĩaĩ.-arot t I 1 1 1 *•
=n,
fir=4

0 O**tr. u p

'.O

cto
ft&
C*ĩ.z
cro
«<
C o n t ic J

8rw
n-ciil
Ro«4C

O S C U iC L K l

OSCi.CLKO

f

I R C iy iO S O lT tC K I
R C 1 ~ 1 C S *C C *2

fte^CCPl

ifc r s .'s C K .S C t-

' X
\, . J ST C 7

J i
n

j
-

ftc-i.tscrscA
s tC « * - X .’C K
I«C
7‘«X»DT
Ị *C
RDA/P3P4
ROS/PtSPS
R D 7 .*>2 P 7

ĩ

Ĩ

520* VDO.1/m

JL
ir

n
jr

JL

1
V o ft*S *

C 'C n r p j r + ’e i'

Hình 9 : Sơ đồ khối vi điều khiển PIC 16F877A
14


Ket-noi.com
Ket-noi.com kho
kho tai
tai lieu
lieu mien
mien phi
phi
Chi tiết hơn về đặc tính của vi điều khiển này có thể tham khảo từ D atasheet
tại link: h ttp ://\v w l.m icrochip.COYÌV'downloads/'en/D eviceD oc/41 2 9 1 F .p d f
b) Thiết kế mạch Buck Converter
Mạch Buck Converter bao gồm một Mosfet kênh N được điều khiển đóng/ngắt bởi vi
điều khiển. Mosfet được kết nối với một cuộn cảm, một diode, một tụ điện.

Hình 10: Sơ đồ mạch Buck Converter

Lưa chon cuôn cảm L
Việc lựa chọn được cuộn cảm có giá trị thích hợp đóng vai trò quyết định đến tính
hoạt động chính xác của mạch Buck Converter.
Biểu thức xác định giá trị cùa cuộn cảm:
£ = (Viv.

-

K uủ 7 ^ - 7 *in_m ax Jsw “ in d u cto r

Trong đó:
L = giá trị của cuộn cảm
Vin-max = điện áp vào lớn
Vout = điện

nhất

áp đầu ra cùamạch Buck Converter

f sw = tần số hoạt động của mạch Buck Converter
Thường chọn: Aỉinducĩor = 0,2.Ioutjnax = 0,2 . 1 = 0,2A
Chọn Vout = 6V để hỗ trợ acquy 6V.
6

1

1

L = (19 - 6 ) ------------------- —
K

J 19 78,12. 103 0,2

= 263 uH

Chọn: L = 270 uH
Dòng điện cực đại qua cuộn cảm:
/

. = lou>ĩ_max
ỉ 4- AIỉndu<
:t°r- = 2 1 + — = 1 1 4 2
'

lPeak

15


Lưa chon giá tri tu điên đầu vào
Ripple current in the caparator intput:
in_max

^C^Ripple

Vout)

h

— 2 ,0 3 A

Thông thường thì tụ được chọn sao cho có giá trị từ (10 - 22uF) / ampe đầu ra vì vậy
ta chọn tụ đầu vào có giá trị: c 4 = 47uF, 25V.
Với tụ đầu vào thì chọn tụ loại polymer (nếu không có ta có thể sử dụng loại ceramic,
aluminum electrolytic).
Lưa chon ziá tri tu điên đầu ra
Tụ đầu ra có tác dụng làm giảm độ overshoot and ripple voltage tại đầu ra của mạch
Buck Converter. Độ lớn của overshoot and ripple voltage sẽ không được hạn chế nếu điện
dung của tụ đầu ra không đủ lớn.
Overshoot output voltage AV:

ĩz

C5 = L

*Peak

(A F + 1 / ^ ) 2 - v02uĩ

Trong đó:
AV = overshoot output voltage

c 5= giá trị điện dung của tụ đầu ra
Chọn: AV = 400 mV
=
cc 55
=
5

-6
_
uF
2 7 0 .10-6
------- -u - Z ------ —== 65,9
65,9
uF*

(0 ,4 + 6)2 - 62

Chọn loại tụ: c 5= 100uF, 25V.
Với tụ đầu ra thì chọn loại tụ tantalum là tốt nhất.
Lưa chon diode
Đe lựa chọn được loại diode phù hợp ta cần căn cứ vào sự tiêu tán năng lượng.

J W , = ( 1 - - ) .1 .0 ,7 = 0 ,4 8 ^
Với: VD là điện áp rơi trên diode
Dòng và áp định mức của diode phải đàm bảo lớn hơn dòng /c
Chọn diode Schottly để hiệu suất của mạch cao hơn.
16


Ket-noi.com
Ket-noi.com kho
kho tai
tai lieu
lieu mien
mien phi
phi

Lưa chon Switch (MOSFET)
Với Power Converter dùng Integrated MOSFETs thì dòng ra chi từ 3-6A. Để có dòng
ra lớn hơn thì phải dùng external MOSFETs.
Nhiệt độ chuyển tiếp (Tjmax) lớn nhất không quá 115 - 120 c°.
Nhiệt độ môi trường (TaMAx) lớn nhất là 60 c°.
Nhiệt độ lăng lớn nhất của MOSFETs: TjRjsE = TjMAX - TaMAX
Mức tiêu tán năng lượng lớn nhất: PD_max= Tj^ 1SE,
JA

Pd

m a x

Q ịa -

6 2 C °/W

= (115 - 60)/62 = 0.89 w

Với các chức năng trên, đề tài đã chọn Mosfet IRF9540N.
Sau khi lựa chọn các linh kiện, bo mạch đã được chế tạo và lắp ráp linh kiện được mô tả tại
hình 11 dưới đây.

Hình 11: Mạch nạp điện cho acquy

17

ÚAI H Ọ C Q U Ố C G IA HẢ NỘI
ĨRUNG TẨM THÔNG TIN THỰ VIỀN

Q C ũ b O Q O O O M -


Phần IV: Cấu trúc phần mềm điều khiển cho hệ thống
Toàn bộ phần mềm nhúng cho bộ điều khiển lưu trữ năng lượng được xây dựng
trong bộ công cụ phát triển CCS c phiên bản 4.033 hãng CCS Int. dành cho họ vi điều
khiển Microchip PIC. Công cụ nạp trình được thực hiện theo chuẩn nạp ICSP ( ln-Circuit
Serial Programming) và nạp trực tiếp chương trình vào vi điều khiển trên mạch (On
board). Giao tiếp giữa PIC16F877A với mạch nạp qua 06 pins, cụ thể là: MCLR - v c c GND - PGD - PGC- PGM. Thuật toán và chương trình điều khiển được xây dụng dựa trên
đặc tính vật lý của acquy như sau:
IV. 1 Đặc tính điện của acquy

Điện áp của acquy sẽ tăng nhanh chóng trong chu kỳ nạp và điện áp này sẽ nhanh
chóng vượt qua mức 2.1 V/Cell. Khi điện áp trên mồi Cell đạt 2.2 V thì oxygen sẽ được
giải phóng ở cực dương và ở 2.3 V/Cell, Hydrogen sẽ được giải phóng từ cực âm cùa
acquy. Nếu điện áp trên mỗi Cell vượt qua mức 2.3V thì dòng điện đi qua mỗi Cell sẽ
không có tác dụng nạp và làm cho acquy nóng lên. Vì vậy, aquy 12V (có 6 Cell) sẽ có giới
hạn điện áp trên là 13.8V (2.3V/Cell) và giới hạn dưới là 12.6V (2.1V/Cell). Nhưng trên
thực tế thì giới hạn dưới chỉ là 12.5V.
IV.2 X ây dựng phần mềm điều khiển

Trong quá trình xây dựng phần mềm điều khiển lưu trữ năng lượng, các chức năng
và module của vi điều khiển PIC được khai thác, cụ thể như bộ định thời Timer2, CCP
module, ADC module. Timer2 và CCP module được sử dụng để tạo ra tín hiệu PWM điều
khiển hoạt động đóng ngắt của Mosfet. Ngẳt Timer2 được sử dụng để thực hiện việc
chuyển đổi ADC và điều khiển PI. Một biến đếm Count được sử dụng và sẽ tăng sau mỗi
lần ngất Timer2 xảy ra. Bộ chuyển đổi ADC và bộ điều khiển PI sẽ được thực hiện sau 8
lần ngắt Timer2. Quá trình chuyển đổi ADC và tính toán bộ điều khiển PI được thiết lập
bởi việc set biến StartPI trong hàm ngẳt Timer2.
Bộ điều khiển PI được sừ dụng để điều khiển dòng nạp cho acquy. Bộ điều khiển PI
bao gồm hai thành phần đó là thành phần tỷ lệ và thành phần tích phân. Bộ điều khiển PI sẽ
tính sai số so với dòng nạp yêu cầu dựa trên giá trị dòng feedback đo được trên kênh AN1
của vi điều khiển để từ đó có tin hiệu điều khiển dòng nạp thích hợp cho acquy. Đầu ra của
bộ điều khiển PI được sử dụng để thiết lập duty cycle để điều khiển đóng/ngắt Mosfet.

18


Ket-noi.com
Ket-noi.com kho
kho tai
tai lieu
lieu mien
mien phi
phi
Tín hiệu ra của bộ điều khiển PI được xác định bởi công thức:
Error = Setpoint - Feedback
Integral = Integral + Eưor
Out-put = K p.E rro r + Kv In te g r a l
Trước tiên, sai số (Error) giữa giá trị dòng điện thực tế đo được từ chân AN1
(Feedback) và giá trị dòng điện mong muốn (Setpoint) được tính. Nếu sai số này đủ nhỏ thì
PWM duty cycle sẽ không cần điều chinh hoặc được điều chỉnh một lượng rất nhỏ mà
dòng điện nạp cho acquy vẫn đáp ứng được yêu cầu.
Thành phần p có giá trị tỳ lệ với giá trị sai số Error. Nếu dòng điện nạp cho acquy có
giá trị xấp xì bằng với giá trị dòng điện yêu cầu thì thành phần p chỉ cần điều chỉnh rất ít để
có được giá trị như mong muốn. Ngược lại, nếu dòng nạp cho acquy có giá trị lớn hơn hoặc
nhỏ hơn nhiều so với giá trị dòng yêu cầu thì thành phần p sẽ đưa ra đáp ứng lớn để có thể
thu được dòng điện cỏ giá trị mong muốn.
Dòng nạp được giám sát nhờ bộ điều khiển PI và vi điều khiển PIC16F877A. Khi bắt
đầu nạp, điện áp trên acquy sẽ được xác định và nạp với dòng điện không đổi 1A nếu điện
áp trên acquy có giá trị nhỏ hem 12.5V, nạp với dòng 0.5A nếu điện áp trên acquy có giá trị
từ 12.5V đến 13.8V và không làm gì nếu điện áp trên acquy lớn hơn 13.8V. Sau mỗi giây
điện áp trên acquy sẽ được đo một lần thông qua bộ ADC của 16F877A để từ đó xác định
chế độ nạp. Quá trình nạp sẽ diễn ra cho đến khi điện áp trên acquy đạt đến ngưỡng trên
(13.8V) và khi đó dòng điện sẽ được turn off để tránh tĩnh trạng quá áp cho đến khi điện áp
trên acquy giảm xuống dưới mức giới hạn dưới (12.5V) thì chuyển sang trạng thái nạp với
dòng nhò (0,5A) cho đến khi điện áp trên acquy tăng đến giới hạn nạp trên, dòng lại được
ngắt và quá trình nạp lại được lặp lại.

Hình 12: Sơ đồ nạp điện cho acquy

19


Sơ đồ giải thuật nạp điện cho acquy:

Hình 13: Sơ đồ giài thuật nạp điện cho acquy

20


Ket-noi.com
Ket-noi.com kho
kho tai
tai lieu
lieu mien
mien phi
phi
S ơ đ ồ g iả i t h u ậ t l ậ p tr ìn h b ộ đ i ề u k h i ể n PI:

Hình 14: Sơ đồ giải thuật lập trình bộ điều khiển PI

Mã phần mềm nhúng điều khiển cho hệ thống lưu trữ năng lượng tự động được đính kèm
trong phụ lục số 02 của báo cáo này.
21


Phần V: Kết quả của đề tài
Trong qua trình thực hiện đề tài, nhóm tác giả đã đạt được một số kết quà cụ thể như
Kết quả khoa học


Đã nghiên cứu tồne quan các loại máy phát điện thuỷ lực loại nhỏ hiện có trên
thị trường và lựa chọn hình thiết kế được mô hình chuyển đổi, lưu trữ năng
lượng tà sóng biển thành điện năng thu nhò dưới quy mô của phòng thí
nghiệm.



Đã thiết kế thành công phần cứng cho hệ thống.



Thiết kế mạch, viết chương trình điều khiển và chạy thành công mô hình hệ
thống.



Quá trình nạp điện cho acquy thu nhận được kết quả khá chính xác. Khi nạp
với dòng 1A thì trên thực tế là 1,006A và khi nạp với dòng 0,5A thì thực tế là
486mA.



Thời gian nạp điện cho thiết bị lưu trữ từ 4^10 giờ.



01 báo cáo khoa học về kết quả của đề tài và khả năng ứng dụng sản phẩm
trong thực tế.



01 khóa luận tốt nghiệp kỷ sư Cơ điện tử đã được thực hiện trong quá trình
thực hiện đề tài (Loại giỏi).

Ket quả ứng dụng
Sản phẩm công nghệ: 01 thiết bị chuyển đổi và lưu trữ năng lượng từ sóng biển
thành điện năng.
Khả năng ứng dụng thực tế
- Cung cấp năng lượng chiếu sáng cho các đơn vị ngoài khơi, hải đảo khai thác từ
năng lượng sóng biển;
- Cung cấp năng lượng chiếu sáng và sinh họat cho các hộ dân sống các khu vực miền
núi có thể khai thác dòng chảy tò thượng nguồn;
- Bước đầu hình thành hướng nghiên cứu và ứng dụng công nghệ khai thác các nguồn
năng lượng sạch.

22


Ket-noi.com
Ket-noi.com kho
kho tai
tai lieu
lieu mien
mien phi
phi

TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tài liệu tiếng Việt
1. Nghiên cứu sử dụng năng ỉượng sóng biển làm ngiión chiếu sáng phao tín hiệu
hoạt động ngoài khơi biển Việt Nam. Báo cáo tổng kết để tài cấp Bộ, Viện Công
nghệ Giao thông Vận tải, Bộ Giao thông Vận tải, Hà Nội, 2002
2. Nghiên cíni đánh giá tiềm năng sử dụng năng lượng biên ở Việt Nam,
Báo tổng kết đề tài cấp Viện Khoa học và Công Nghệ viêt nam, Hà Nội, 2003.
Tài liệu tiếng nước ngoài:
3. Jin

s. Chung, Moo-Hyun Kim, 1995, Added Mass and Damping on an

Oscillating Surface-Piercing Column with a Horizontal Cylinder: Square Cross
Sections, International Journal o f Offshore and Polar Engineering, Vol. 5, No. 3,
(119).
4. Eidsmoen,

H.: On theory 'a n d simulation o f heaving-buoy wave-energy

converters with control. Dr.ing. thesis 1995:126, Division o f Physics, Norwegian
Institute o f Technology’, Trondheim, Norway, 1995
Internet links:
http://www. oregon.gov/ENERGY/RENE w
http://\vww. alternative-energy-news. info
http://www. microchip, com

24


SUM M ARY
Project Title: R esearch on designing and a p p ly the m ini p o w er g en era to r f o r the
converter system using energy o f O cean waves.
Code num ber: Q C 07.05
C oordinator: Pham M anh Thang, PhD.
Im plem enting Institution: C ollege o f Technology - VNƯ H anoi
C ooperating Institution(s): Institute o f M echanics - V A ST
D uration: 12 m onths, from 9/2008 to 8/2009
1. O bjectives:
The first step to design the mini energy storage control m odel in the process o f
energy conversion from Ocean w aves into electricity.
2. M ain contents:
O cean w aves are caused by the w ind as it blow s across the sea. W aves are a
pow erful source o f energy. W ave energy is produced when electricity generators are
placed on the surface o f the ocean. B etw een the advantages o f O cean w ave energy
are: The energy is free - no fuel needed, no w aste produced; C an produce a great
deal o f energy. The m ain contents o f this project are as following:
■ R esearch docum ents and literature review o f mini pow er generator in propose
o f conversion from O cean w aves into electricity.
■ Select the suitable com ponents to design the m echanical part o f the mini
energy storage m odel.
■ D esign the autom atic control' system for energy storage m odel from the
electronics com ponents and m icrocontrollers.
■ Program the em bedded softw are for autom atic control o f Lead A cid - Battery
charger.


Setting up the system in m echatronics laboratory (VNƯ ); checking, editing
and evaluating the results.

25


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×