Luận văn thạc sĩ nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển pid và mở để điều khiển hệ thống pin mặt trời

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển PID và mở trong điều khiển hệ thống pin mặt trời, tối ưu hóa hiệu suất và độ ổn định.

• Tác giả: Vũ Đức Nhật
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Hữu Công
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Tự động hóa
• Đề tài: Nghiên Cứu Ứng Dụng Điều Khiển PID Và Mờ Trong Hệ Thống Pin Mặt Trời
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Thái Nguyên

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Ứng Dụng Điều Khiển PID và Mờ

Nghiên cứu ứng dụng điều khiển PID và điều khiển mờ (Fuzzy Logic) trong hệ thống pin mặt trời đang ngày càng trở nên quan trọng. Điều này xuất phát từ nhu cầu tối ưu hóa hiệu suất pin mặt trời và đảm bảo hoạt động ổn định trong các điều kiện môi trường khác nhau. Các hệ thống điều khiển thông minh, đặc biệt là điều khiển PID thích nghi và điều khiển mờ thích nghi, đóng vai trò then chốt trong việc giải quyết các thách thức liên quan đến điện năng lượng mặt trời.

1.1. Giới thiệu về Hệ Thống Pin Mặt Trời Solar Panel System

Hệ thống pin mặt trời chuyển đổi điện năng lượng mặt trời thành điện năng sử dụng được. Hiệu suất của quá trình này phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm cường độ ánh sáng mặt trời, nhiệt độ và góc chiếu. Việc mô hình hóa hệ thống pin mặt trời chính xác là bước quan trọng để thiết kế các hệ thống điều khiển hiệu quả.

1.2. Vai trò của Điều Khiển trong Hệ Thống Pin Mặt Trời

Ứng dụng điều khiển trong hệ thống pin mặt trời giúp duy trì điện áp và dòng điện ổn định, đồng thời tối đa hóa công suất đầu ra. Các thuật toán điều khiển như điều khiển MPPT bằng PID và điều khiển MPPT bằng Fuzzy Logic được sử dụng để đạt được mục tiêu này. Bộ điều khiển sạc pin mặt trời đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ ắc quy và đảm bảo tuổi thọ hệ thống.

II. Thách Thức Hiệu Suất và Tính Ổn Định Pin Mặt Trời

Mặc dù điện năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo tiềm năng, vẫn còn nhiều thách thức cần vượt qua. Sự thay đổi liên tục của điều kiện thời tiết ảnh hưởng lớn đến hiệu suất. Nhiệt độ cao có thể làm giảm đáng kể hiệu quả chuyển đổi năng lượng pin mặt trời. Do đó, cần có các giải pháp điều khiển thông minh để duy trì hiệu suất cao và đảm bảo tính ổn định của hệ thống năng lượng tái tạo.

2.1. Ảnh hưởng của Nhiệt Độ đến Hiệu Suất Pin Mặt Trời

Nhiệt độ tăng cao làm giảm hiệu quả chuyển đổi năng lượng pin mặt trời. Điều khiển nhiệt độ pin mặt trời là một trong những giải pháp để giảm thiểu tác động tiêu cực này. Các hệ thống làm mát chủ động hoặc thụ động có thể được sử dụng để duy trì nhiệt độ ổn định.

2.2. Biến Động Của Điều Kiện Thời Tiết và Giải Pháp

Cường độ ánh sáng mặt trời thay đổi liên tục do mây che phủ, thời gian trong ngày và mùa trong năm. Điều khiển điện áp pin mặt trời và điều khiển dòng điện pin mặt trời cần phải thích ứng với những biến động này để đảm bảo công suất đầu ra ổn định.

2.3. Yêu cầu về Tối Ưu Hiệu Suất và Độ Bền Hệ Thống

Việc tối ưu hóa hiệu suất pin mặt trời không chỉ dừng lại ở việc tối đa hóa công suất tức thời mà còn phải đảm bảo độ bền của hệ thống. Các thuật toán điều khiển cần phải cân bằng giữa hiệu suất và tuổi thọ của hệ thống năng lượng mặt trời.

III. Phương Pháp Điều Khiển PID Ưu Điểm và Ứng Dụng MPPT

Điều khiển PID cho pin mặt trời là một phương pháp phổ biến nhờ tính đơn giản và hiệu quả. Ưu điểm của điều khiển PID trong pin mặt trời là khả năng đáp ứng nhanh và dễ dàng điều chỉnh các tham số. Điều khiển MPPT bằng PID được sử dụng để tìm điểm công suất tối đa của pin mặt trời.

3.1. Giới thiệu về Điều Khiển PID và Nguyên Lý Hoạt Động

Bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) sử dụng ba thành phần: tỷ lệ, tích phân và vi phân để điều chỉnh đầu ra dựa trên sai lệch giữa giá trị mong muốn và giá trị thực tế. Các tham số PID cần được điều chỉnh cẩn thận để đạt được hiệu suất tốt nhất.

3.2. Ứng dụng Điều Khiển PID trong MPPT cho Pin Mặt Trời

Điều khiển MPPT bằng PID sử dụng thuật toán để tìm điểm công suất tối đa trên đường cong IV của pin mặt trời. Bộ điều khiển PID điều chỉnh điện áp hoặc dòng điện để duy trì hoạt động tại điểm MPPT.

3.3. Ưu Điểm và Hạn Chế của Điều Khiển PID trong Pin Mặt Trời

Ưu điểm của điều khiển PID trong pin mặt trời bao gồm đáp ứng nhanh, dễ dàng triển khai và chi phí thấp. Tuy nhiên, hiệu suất có thể giảm trong điều kiện thời tiết thay đổi nhanh chóng. Điều khiển PID truyền thống có thể khó điều chỉnh trong các hệ thống phi tuyến.

IV. Điều Khiển Mờ Fuzzy Logic Giải Pháp Thích Ứng Cao

Điều khiển mờ (Fuzzy Logic) cho pin mặt trời là một phương pháp điều khiển thông minh cho phép xử lý các thông tin không chắc chắn và phi tuyến. Ưu điểm của điều khiển mờ trong pin mặt trời là khả năng thích ứng cao với các điều kiện thời tiết khác nhau và không yêu cầu mô hình toán học chính xác của hệ thống. Điều khiển MPPT bằng Fuzzy Logic được sử dụng rộng rãi để tối ưu hóa hiệu suất pin mặt trời.

4.1. Giới thiệu về Điều Khiển Mờ Fuzzy Logic và Nguyên Lý

Điều khiển mờ sử dụng các tập mờ và luật mờ để mô phỏng quá trình suy luận của con người. Các biến đầu vào được chuyển đổi thành các giá trị mờ, sau đó áp dụng các luật mờ để đưa ra quyết định điều khiển.

4.2. Ứng dụng Điều Khiển Mờ trong MPPT cho Pin Mặt Trời

Điều khiển MPPT bằng Fuzzy Logic sử dụng thông tin về điện áp và dòng điện của pin mặt trời để điều chỉnh duty cycle của bộ chuyển đổi DC-DC, từ đó duy trì hoạt động tại điểm công suất tối đa.

4.3. Ưu Điểm và Hạn Chế của Điều Khiển Mờ trong Pin Mặt Trời

Ưu điểm của điều khiển mờ trong pin mặt trời là khả năng thích ứng cao, không yêu cầu mô hình chính xác và có thể xử lý các thông tin không chắc chắn. Tuy nhiên, thiết kế bộ điều khiển mờ có thể phức tạp và đòi hỏi kinh nghiệm.

V. So Sánh PID và Fuzzy Logic trong Điều Khiển Pin Mặt Trời

So sánh PID và Fuzzy Logic trong điều khiển pin mặt trời giúp chúng ta hiểu rõ hơn về ưu và nhược điểm của từng phương pháp. Trong khi PID đơn giản và dễ triển khai, Fuzzy Logic có khả năng thích ứng cao hơn với các điều kiện thay đổi. Việc lựa chọn phương pháp điều khiển phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng.

5.1. Phân Tích Hiệu Suất và Độ Ổn Định của Hai Phương Pháp

Hiệu suất và độ ổn định là hai tiêu chí quan trọng để so sánh PID và Fuzzy Logic. Trong các điều kiện ổn định, PID có thể đạt hiệu suất tương đương với Fuzzy Logic. Tuy nhiên, trong các điều kiện thay đổi nhanh chóng, Fuzzy Logic thường cho kết quả tốt hơn.

5.2. Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Lựa Chọn Phương Pháp Điều Khiển

Các yếu tố như chi phí, độ phức tạp của hệ thống và yêu cầu về độ chính xác ảnh hưởng đến việc lựa chọn giữa PID và Fuzzy Logic. Nếu chi phí là yếu tố quan trọng, PID có thể là lựa chọn tốt hơn. Nếu độ chính xác và khả năng thích ứng là ưu tiên, Fuzzy Logic có thể phù hợp hơn.

5.3. Nghiên Cứu Trường Hợp So Sánh Thực Tế Ứng Dụng

Các nghiên cứu hệ thống năng lượng mặt trời thực tế cho thấy rằng Fuzzy Logic thường vượt trội hơn PID trong việc duy trì hiệu suất cao trong các điều kiện thời tiết khắc nghiệt. Tuy nhiên, việc triển khai Fuzzy Logic có thể đòi hỏi nhiều thời gian và công sức hơn.

VI. Kết Luận và Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo về Điều Khiển Pin

Nghiên cứu ứng dụng điều khiển PID và điều khiển mờ (Fuzzy Logic) trong hệ thống pin mặt trời đã mang lại những kết quả tích cực trong việc tối ưu hóa hiệu suất pin mặt trời. Hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc phát triển các thuật toán điều khiển kết hợp (Hybrid Control) để tận dụng ưu điểm của cả hai phương pháp. Điều khiển PID thích nghi và điều khiển mờ thích nghi cũng là những lĩnh vực đầy tiềm năng.

6.1. Tổng Kết Kết Quả Nghiên Cứu và Ứng Dụng Thực Tiễn

Các kết quả nghiên cứu đã chứng minh rằng cả PID và Fuzzy Logic đều có thể được sử dụng hiệu quả trong điều khiển pin mặt trời. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng và điều kiện môi trường.

6.2. Hướng Nghiên Cứu Phát Triển Các Thuật Toán Điều Khiển Mới

Phát triển các thuật toán điều khiển kết hợp (Hybrid Control) có thể mang lại hiệu quả cao hơn so với việc sử dụng riêng lẻ PID hoặc Fuzzy Logic. Các thuật toán này có thể kết hợp ưu điểm của cả hai phương pháp để đạt được hiệu suất tối ưu trong mọi điều kiện.

6.3. Tiềm Năng Ứng Dụng Trong Các Hệ Thống Năng Lượng Tái Tạo

Các hệ thống điều khiển thông minh cho pin mặt trời có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống năng lượng tái tạo, giúp giảm thiểu sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và bảo vệ môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 NANG LUQNG MAT TROI VA MOT SO UNG DUNG THUC TE 1. Nguồn năng lượng mặt trời Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng mà con người biết sử dụng từ rất sớm, nhưng ứng dụng NLMT vào các công nghệ sản xuất và trên quy mô rộng thì mới chỉ thực sự vào cuối thế kỷ 18 và cũng chủ yếu ở những nước nhiều năng lượng mặt trời, những vùng sa mạc. Có thể xem mặt trời là một quả cầu cách quả đất 150 triệu km. Đường kính mặt trời khoảng 1,4 triệu km, lớn hơn 109 lần đường kính quả đất.

Áp suất ở phần trong mặt trời rất cao, cao hơn áp suất khí quyên ở quả đất khoảng chục triệu lần. Nhiệt độ trên mặt trời biến đổi từ hơn 15 triệu độ ở trong lõi tới 6000 độ ở mặt ngoài của nó. Thành phần hóa học của mặt trời: khoảng 70-71% khí Hydro (H;), 27-29% Heli (He), các nguyên tố kim loại và các nguyên tố khác chi chiếm 1-39. Các điều kiện về áp suất, nhiệt độ và thành phan khí quyền trên mặt trời là điều kiện lý tưởng cho phản ứng nhiệt hạt nhân và tạo ra nguồn năng lượng không 16.

Công suất bức xạ của mặt trời là 3,86.10”° W, tương đương năng l6 lượng đốt cháy hét 1,32.10'° tan than da. Tuy nhiên bề mặt quả đất chỉ nhận được 17,57.10'° W, tương đương năng lượng đốt cháy hết 6 triệu tân than đá. Năng lượng mặt trời (NLMT) rất lớn, nhưng phân bố lại mỏng, chỉ khoảng 800-1000W/m2 nên việc khai thác khá khó khăn. Bản chất bức xạ mặt trời (BXMT) là sóng điện từ có phổ bước sóng rất rộng, từ hang km dén phan ty pm.

Ánh sáng nhìn thấy có bước sóng từ 0.4 đến 0,7um, chỉ chiếm một phân rất nhỏ phỏ BXMT (hình 1. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu ĐHTNỀ http:/Avww.yn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 13 Chuyên ngành tự động hóa Tia vi ty Tiday Tia Tint aa hệng Song Sóng vô tuyến 5 Mp) # ˆ y Rơnghen.ngoạ ngoại | TRẤN điện = 10 10% 10° 10% 107 10° 107 10° 10° 10° 1009 102 ¡g1 Tia nhìn thay, Hình 1.1: Pho BXMT Tuy nhiên khi BXMT xuyên qua lớp khí quyền tới bề mặt quả đất, do các phân tử khí, hơi nước, các hạt bụi,. làm tán xạ, hấp thụ, nên phổ và cường độ BXMT trên mặt đất bị giảm đi rất đáng kê. Đặc điểm của năng lượng mặt trời trên bề mặt quả đất Ta biết, quả đất quay xung quanh mặt trời trên quï đạo elip, khoảng cách từ quả đất đến mặt trời khoảng 150 triệu km.

Nó quay một vòng mắt 365,25 ngày (một năm). Đểng thời quả đất lại tự quay xuang quanh trục Bắc-Nam của nó. Thời gian quay một vòng là 24 giờ (một ngày đêm). Đặc biệt, trục quay riêng Bắc-Nam của quả đất lại tạo một góc 23,5” so với pháp tuyến của mặt phăng quĩ đạo của nó quay xung quanh mặt trời (hình 1.

Tổng hợp của các chuyển động đó dẫn tới kết quả là cường độ BXMT biến đổi liên tục theo thời gian (theo giờ, ngày, tháng, mùa trong năm) và cũng còn biến đổi theo vị tuyến trên mặt đất. By JN 21-9 Thu phan Pháp tuyên quï đạo Mặt trời Tia mit trot an 21-6 của quả đất Qut ago cin qua ait Hình 1.2: Sự chuyển động xung quanh mặt trời và xung quanh trục riêng của quả đất Số hóa bởi Trung tâm Học liệu ĐHTNỀ http:/Avww.yn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 14 Chuyên ngành tự động hóa 1. Các thành phần của bức xạ mặt trời BXMT tới mặt đất gồm 2 thành phần được gọi là trực xạ và nhiễu xạ. Trực xạ là thành phần tỉa mặt trời đi thing từ mặt trời tới điểm quan sat trên mặt đất không bị thay đổi phương truyền.

Nó phụ thuộc vào vị trí mặt trời và vào thời tiết. Nhiễu xạ là các thành phần gồm các tỉa sáng đến điểm quan sát từ mọi hướng do các tỉa mặt trời khi qua lớp khí quyền của quả đất bị tán xạ, nhiễu xạ trên các phân tử khí, hơi nước, các hat bui,. Thanh phần nhiễu xạ cũng phụ thuộc vào vị trí mặt trời và thời tiết. Tổng của các thành phần trực xạ và nhiễu xạ gọi là Tổng xạ.

Các đại lượng trực xạ, nhiễu xạ hay tổng xạ được đo trong cả ngày và theo đơn vị M1/ m”.ngày hay kW/ mẺ. Thông thường ở các Trạm khí tượng thuỷ văn người ta đo trực xạ, nhiễu xạ và tổng xạ trên mặt nằm ngang. Trong khi đó các bộ thu NLMT lại có bề mặt đặt nghiêng một góc j nào đó, nên cần phải có các hiệu chính chuyền đôi từ cường độ BXMT đo được trên mặt nằm ngang sang mặt nghiêng. Tuy nhiên số hiệu chính này không lớn, nên đưới đây chúng ta sẽ bỏ qua.

Hiệu ứng nhà kính và bộ thu phẳng 1. Hiệu ứng nhà kính Bộ thu phẳng được chế tạo dựa trên nguyên lý “hiệu ứng nhà kính”. Nguyên lý hoạt động như sau: Các loại kính xây dựng cho các tia BXMT có bước sóng À < 0,7um truyền qua một cach dé dang, trong khi đó các bức xạ có 2. < 0,7um (các tỉa này còn được gọi là tỉa nhiệt) thì bị kính phản xạ trở lại.

Trước hết ta khảo sát một hộp thu nhiệt mặt trời như hình 1. Mặt trên hộp được đậy bằng tắm kính (1). Thành xung quanh và đáy hộp có lớp vật liệu cách nhiệt dày (2). Đáy trong của hộp được làm bằng tắm kim loại dẫn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu ĐHTNỀ http:/Avww.yn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 15 Chuyên ngành tự động hóa nhỉ tốt, mặt trên của nó phủ một lớp sơn đen, hấp thụ nhiệt tốt và được gọi là tắm hấp thụ (3).

(Ð Tấm kính ) Lớp vỏ cách nhiệt ) Tấm hấp thụ Ặ. © Tia sing mat wei Hình 1.3: Sơ đỗ hộp thu NLMT theo nguyén ly hiéu ting nha kinh Như đã nói ở trên, các tia BXMT có bước sóng 2. < 0,7m tới mặt hộp thu, đi qua tâm kính phủ phía trên (1), tới bề mặt tắm hấp thụ (3). Tam này hấp thụ năng lượng BXMT và chuyển hoá thành nhiệt làm cho tắm hấp thụ nóng lên, khi đó nó trở thành nguồn phát xạ thứ cấp phát ra các tỉa bức xạ nhiệt có bước sóng A>0,7um, hướng về mọi phía.

Các tỉa đi lên phía trên bị tắm kính ngăn lại, không ra ngoài được. Nhờ vậy, hộp thu liên tục nhận BXMT nên tắm hấp thụ được nung nóng dần lên và có thể đạt đến nhiệt độ hàng trăm độ. Như vậy năng lượng nhiệt mặt trời bị "giam" trong hộp, giống như một cái bẫy nhiệt - năng lượng vào được nhưng không thê ra đựợc. Đó là nguyên lý “hiệu ứng nhà kính”.

Nhiệt độ của tắm hấp thụ cảng cao, phát xạ từ mặt hap thụ càng lớn, cho đến khi năng lượng mà tắm hấp thụ nhận được từ BXMT cân bằng với năng lượng mắt mát cho môi trường xung quanh thì trạng thái cân bằng nhiệt được thiết lập. Bộ thu phăng có cầu tạo dựa trên nguyên lý hiệu ứng nhà kính như đã mô tả trên, nhưng tuỳ thuộc vào mục đích sử dụng nhiệt khác nhau phần thu nhiệt có thể có các dạng kết cầu khác nhau. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu ĐHTNỀ http:/Avww.yn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 16 Chuyên ngành tự động hóa 1. Bộ thu năng lượng mặt trời phẳng Bộ thu NLMT có thê được ứng dụng trong nhiều mục đích khác nhau như đê sản xuât nước nóng, sây sản phâm, chưng cât nước, v.Nó có thê có nhiều hình dạng khác nhau được thiết kế cho phù hợp với mục đích sử dụng.

Dưới đây chúng ta chỉ nghiên cứu dạng phẳng, tức là dạng mà tắm hấp thụ là tắm phẳng.3 trên cũng chính là là sơ đồ cấu tạo của một bộ thu NLMT hoạt động theo nguyên lý hiệu ứng nhà kính. Bộ thu phẳng có hình khối hộp chữ nhật, trên cùng được đậy bằng một hay vài lớp kính xây dựng trong suốt. Cũng có thẻ thay lớp kính này bằng các tắm trong suốt khác như thuỷ tỉnh hữu cơ, polyester, v. Đối với vật liệu ngoài thủy tỉnh tuy có độ bền cơ học cao hơn, nhưng độ già hoá lại nhanh, do đó hệ số truyền qua sau khoảng 5 ~10 năm có thé giảm 5 + 10%.

Tâm hấp thụ là một tắm kim loại dẫn nhiệt tốt, mặt trên có phủ một lớp sơn hấp thụ ánh sáng màu đen. Lớp hấp thụ cần có hệ số hấp thụ càng cao càng tốt, ví dụ > 85%, thì hiệu suất bộ thu sẽ có thể có giá trị cao. Ngoài ra, tắm hấp thụ bằng vật liệu kim loại còn để việc hàn các thành phần khác (vi dụ ống nước bằng kim loại nếu bộ thu ding dé đun nước nóng) được dễ dàng hơn. Thành hộp xung quanh và đáy hộp là một lớp vật liệu cách nhiệt khá dày để giảm hao phí nhiệt từ tắm hấp thụ ra xung quanh.

Vật liệu cách nhị thường dùng là “xốp bọt biển” (polystyrene) màu trắng rất nhẹ được sản xuất dưới dạng tắm hoặc hạt,. cũng có thể dùng vật liệu khác như bông thuỷ tỉnh, mút, gỗ khô, mùn cưa,. Nếu cách nhiệt tốt thì trong những ngày nắng, nhiệt độ tắm hấp thụ có thể đạt đến 100 +115 °C hoặc cao hơn. Tuỳ mục đích sử dụng mà người ta thiết kế bộ thu có thêm các thành phần phụ khác và tâm hấp thụ có hình dạng khác nhau như chúng ta sẽ trình bày trong các phần sau.

Hiệu suất của các bộ thu thông thường trong khoảng 35 +45%. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu ĐHTNỀ http:/Avww.yn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 17 Chuyên ngành tự động hóa 1. Một số ứng dụng năng lượng mặt trời Từ sau các cuộc khủng hoảng năng lượng thế giới năm 1968 và 1973, NLMT càng được đặc biệt quan tâm. Các nước công nghiệp phát triển đã đi tiên phong trong việc nghiên cứu ứng dụng NLMT.

Các ứng dụng NLMT phỏ biến hiện nay bao gồm các lĩnh vực chủ yếu sau: 1. Sản xuất nước nóng bằng NUMT Nước nóng rất cần thiết cho sinh hoạt trong gia đình, cơ quan và cũng rất cần thiết cho các quá trình sản xuất trong nhà máy, các dịch vụ trong các khách sạn, nhà hàng, bệnh viện, v. Về cơ bản một thiết bị sản xuất nước nóng là một bộ thu NLMT nói trên. Trong thiết bị đun nước, người ta hàn vào tắm hấp thụ một hệ thống ống kim loại (như các ống bằng đồng hay ống nước mạ kẽm, xem hình 1.4) và sau đó cho nước chảy qua hị óng đó.

Nhỉ tir tam hap thụ sẽ được truyền qua thành ống vào nước và làm nước nóng dân lên.4 là sơ đồ một bộ thu dé san xuât nước nóng.