ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP VŨ ĐỨC NHẬT NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VÀ MỜ ĐỂ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI Chuyên ngành : Tự Động Hóa Mã số : TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN – 2011 1 Công trình được hoàn thành tại : Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp - Đại học Thái Nguyên Người hướng dẫn khoa học : PGS.TS. Nguyễn Hữu Công Phản biện 1: PGS. TS. Nguyuẽn Thanh hà Phản biện 2: TS. Nguyễn Văn Vỵ Luận văn sẽ được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn họp tại : Nhà A6, Trường đại học kỹ thuật công nghiệp Đại học Thái Nguyên Vào hồi 09 giờ 30 phút, ngày 25 tháng 10 năm 2011 Có thể tìm hiểu luận văn tại Trung tâm học liệu - Đại học Thái Nguyên và Thư viện Trường đại học kỹ thuật công nghiệp - Đại học Thái Nguyên 2 MỞ ĐẦU Hiện nay, Năng lượng mặt trời được xem như là nguồn sạch và tái tạo năng lượng cho tương lai, nó cũng là nguồn năng lượng ít nhất gây ô nhiễm nhất trong tất cả các nguồn năng lượng được biết đến. Hầu hết năng lượng mặt trời hiện nay được sử dụng làm năng lượng nhiệt hoặc điện. Bên cạnh đó nhờ các bộ gom nhiệt mặt trời và các bộ hiệu ứng quang điện của chất bán dẫn đã tạo ra điện trực tiếp từ ánh sáng mặt trời. Năng lượng mặt trời thu được giá trị tối ưu khi các chùm tia chiếu tới bề mặt thu một cách tốt nhất. Điều này dẫn tới việc nghiên cứu sự bức xạ mặt trời trên bề mặt trái đất và đặc biệt nghiên cứu sự thay đổi của các hệ thống gom năng lượng bám theo mặt trời một cách liên tục. Trong luận văn này “Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển PID và mờ để điều khiển hệ thống pin mặt trời”, mục đích chính là tìm mặt trời và bám theo mặt trời để thu năng lượng nhiều nhất đồng thời có tính linh hoạt cao. Phần nội dung của bản luận văn gồm 4 chương: Chương 1: Năng lượng mặt trời và một số ứng dụng thực tế Chương 2: Tổng quan về các hệ thống pin mặt trời Chương 3: Giới thiệu tóm tắt về bộ điều khiển PID và điều khiển mờ. Chương 4: Xây dựng thuật toán điều khiển cho hệ thống pin mặt trời. Mặc dù có nhiều cố gắng trong quá trình nghiên cứu với sự hướng dẫn tận tình của PGS.TS.Nguyễn Hữu Công, song luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót. Tác giả mong nhận được sự góp ý, nhận xét của các thầy cô giáo và các bạn quan tâm. Thái Nguyên, ngày 30 tháng 8 năm 2011 Người thực hiện Vũ Đức Nhật 3 CHƯƠNG 1 NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG THỰC TẾ 1.1. 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. 1.2. Đặc điểm của năng lượng mặt trời trên bề mặt quả đất Ta biết, quả đất quay xung quanh mặt trời trên quĩ đạo elip, khoảng cách từ quả đất đến mặt trời khoảng 150 triệu km. Nó quay một vòng mất 365,25 ngày (một năm). Đồng 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 0 so với pháp tuyến của mặt phẳng quĩ đạo của nó quay xung quanh mặt trời . 1.3. 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 tia mặt trời đi thẳng từ mặt trời tới điểm quan sát 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 tia sáng đến điểm quan sát từ mọi hướng do các tia mặt trời khi qua lớp khí quyển của quả đất bị tán xạ, nhiễu xạ trên các phân tử khí, hơi nước, các hạt bụi,… Thành phần nhiễu xạ cũng phụ thuộc vào vị trí mặt trời và thời tiết. 1.4. Hiệu ứng nhà kính và bộ thu phẳng 1.4.1. Hiệu ứng nhà kính Hình 1.3: Sơ đồ hộp thu NLMT theo nguyên lý hiệu ứng nhà kính 1.4.2. Bộ thu năng lượng mặt trời phẳng 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 thể thay lớp kính này bằng các tấm trong suốt khác như thuỷ tinh hữu cơ, polyester, v.v Đối với vật liệu ngoài thủy tinh 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 thể giảm 5 ÷ 10%. 1.5. Một số ứng dụng năng lượng mặt trời 1.5.1. Sản xuất nước nóng bằng NLMT 4 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.v Hình 1.4: Sơ đồ một bộ thu để sản xuất nước nóng 1.5.1.1. Hệ thống sản xuất nước nóng đối lưu tự nhiên Hình 1.5 là sơ đồ một hệ thống sản xuất nước nóng dùng nguyên lý đối lưu tự nhiên. Nước lạnh khi qua bộ thu nhiệt mặt trời sẽ nóng lên, khối lượng riêng giảm nên chảy lên phía trên. Phía dưới áp các ống áp suất nước bị giảm nên nước lạnh lại chảy vào. Hình 1.5: Hệ sản xuất nước nóng NLMT sử dụng nguyên lý đối lưu tự nhiên 1.5.1.2. Hệ thống sản xuất nước nóng đối lưu cưỡng bức Khi cần một lượng nước nóng lớn thì thì hệ thống nước nóng đối lưu tự nhiên không thích hợp. Khi đó người ta sử dụng hệ thống dùng đối lưu cưỡng bức. Hình 1.7 là sơ đồ hệ thống sản xuất nước nóng bằng NLMT theo nguyên lý đối lưu cưỡng bức. Hình 1.7: Hệ sản xuất nước nóng bằng NLMT đối lưu cưỡng bức 5 1.5.2. Sấy bằng NLMT 1.5.2.1. Hệ thống sấy đối lưu tự nhiên Thời gian sấy trong buồng có thể từ 2÷4 ngày. Để điều khiển quá trình sấy người ta có thể đóng bớt hay mở rộng thêm các khe hút khí phía dưới hay khe thoát khí thải ở phía trên buồng. Sản phẩm sấy thích hợp thường là chuối, ớt, vải, nhãn, nho,v.v tức là các sản phẩm yêu cầu độ sạch và chất lượng cao. Hình 1.8: Sơ đồ buồng sấy bằng NLMT đối lưu tự nhiên 1.5.2.2. Hệ thống sấy đối lưu cưỡng bức Để có thể sấy lượng sản phẩm lớn và rút ngắn thời gian sấy người ta thường dùng loại hệ sấy cưỡng bức. Hình 1.9 là sơ đồ một hệ thống sấy đối lưu cưỡng bức. Hình 1.9: Hệ sấy sử dụng nguyên lý đối lưu cưỡng bức 1.5.3. Chưng lọc nước bằng NLMT Hình 1.11: Sơ đồ hệ thống chưng cất nước bằng NLMT 1.5.4. Bếp mặt trời :Một ứng dụng khác khá hiệu quả sử dụng NLMT là bếp mặt trời. Nguyên lý hoạt động của loại thiết bị này phổ biến có 2 loại, sử dụng hiệu ứng nhà kính và hiệu ứng hội tụ. 6 1.5.4.1. Bếp mặt trời kiểu hiệu ứng nhà kính Hình 1.13 : Sơ đồ một bếp mặt trời sử dụng hiệu ứng nhà kính 1.5.4.2. Bếp mặt trời hội tụ Các tia mặt trời khi gặp gương sẽ hội tụ tại tiêu điểm, nhiệt độ có thể lên đến 200 ÷ 250 o C. Tại tiêu điểm này người ta đặt nồi thức ăn cần nấu. Hình 1.14: Bếp NLMT hội tụ 1.5.5. Sưởi ấm nhà cửa, chuồng trại NLMT cũng thường được sử dụng để sưởi ấm nhà cửa, chuồng trại chăn nuôi trong mùa đông. Hình 1.15: Hệ thống sưởi ấm nhà cửa hay chuồng trại sử dụng NLMT Hình 1.16: Hệ thống sưởi NLMT sử dụng nước làm chất thu và tải nhiệt 1.5.6. Pin mặt trời 1.5.6.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 7 Hình 1.17 : Sơ đồ cấu tạo một pin mặt trời tinh thể Si Hình 1.18 : Sơ đồ cấu tạo PMT Si Hình1.19: Một môđun hoàn thiện 1.5.6.2. Hệ thống nguồn điện PMT PMT được ứng dụng để sản xuất điện. Hiện nay có 2 phương pháp sử dụng điện mặt trời. Đó là các phương pháp nguồn điện PMT nối lưới và nguồn điện PMT độc lập. * Nguồn điện PMT nối lưới Hình 1.20 : Sơ đồ hệ thống điện mặt trời nối lưới * Nguồn điện PMT độc lập Hình 1.21 : Sơ đồ khối hệ nguồn điện mặt trời độc lập 1.6. Kết luận. Trong thời đại khoa học kỹ thuật phát triển, nhu cầu về năng lượng ngày càng tăng. Trong khi đó các nguồn nhiên liệu dự trữ như than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên và ngay cả thủy điện thì có hạn khiến cho nhân loại đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng. Việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng mới 8 như năng lượng hạt nhân, năng lượng địa nhiệt, năng lượng gió và năng lượng mặt trời là một trong những hướng quan trọng trong kế hoạch phát triển năng lượng, không những đối với những nước phát triển mà ngay cả với những nước đang phát triển. Năng lượng mặt trời - nguồn năng lượng sạch và tiềm tàng nhất đang được loài người thực sự đặc biệt quan tâm. Do đó việc nghiên cứu nâng cao hiệu quả các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời và triển khai ứng dụng chúng vào thực tế là vấn đề có tính thời sự. CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI 2.1. Vai trò của hệ thống pin 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 thực sự là một vấn đề rất mới và hiện đang là mối quan tâm hàng đầu của các nhà khoa học. Do đó việc nghiên cứu nâng cao hiệu quả các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời và triển khai ứng dụng chúng vào thực tế là vấn đề có tính thời sự. Các ứng dụng NLMT phổ biến hiện nay bao gồm các lĩnh vực chủ yếu sau: Pin mặt trời, nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời, thiết bị sấy khô dùng năng lượng mặt trời, thiết bị làm lạnh và điều hoà không khí dùng NLMT 2.2. Giới thiệu hệ thống thu năng lượng dùng pin mặt trời 2.2.1. Nguyên lý làm việc của pin mặt trời Việc chuyển đổi từ ánh sáng mặt trời thành dòng điện đòi hỏi sự hình thành của cả điện tích âm và điện tích dương cũng như một lực điều khiển có thể đẩy các điện tích đó qua mạch điện ngoài. Khi được kết nối với mạch điện bên ngoài, bất kỳ thiết bị điện nào, chẳng hạn một màn hình máy tính hay một động cơ của máy bơm nước, có thể sử dụng năng lượng mặt trời đã được chuyển đổi. Hình 2.1: Cấu tạo của một tế bào năng lượng mặt trời điển hình. 2.2.2. Hệ thống điều khiển pin mặt trời Hiện nay, các tấm pin mặt trời thường được lắp đặt cố định vào 1 tấm đế, do đó hiệu suất lớn nhất khi ánh sáng mặt trời chiếu vuông góc với mặt phẳng tấm pin (12h trưa). Ngoài thời điểm này hiệu suất pin mặt trời sẽ giảm. Do vậy, bài toán đặt ra là: Làm thế nào để hiệu suất pin mặt trời được tối đa. Để nâng cao hiệu suất của pin cần có một hệ thống điều khiển để luôn xác định được hướng chiếu của ánh sáng mặt trời, từ đó mới điều khiển cho mặt phẳng của tấm pin mặt trời hướng về phía vuông góc với ánh sáng. 9 Hình dưới đây so sánh hiệu suất của một hệ thống pin mặt trời gắn cố định và hệ thống pin mặt trời được điều khiển Hình 2.3: Công suất đầu ra của pin mặt trời Trong đó: : Hiệu suất pin mặt trời được điều khiển : Hiệu suất pin mặt trời gắn cố định Rõ ràng thời gian đạt hiệu suất đỉnh của pin có điều khiển được kéo dài ra. Toàn bộ hiệu suất của pin mặt trời được tính toán, đánh giá trong vòng 24h thể hiện qua bảng dưới đây. Bảng 2.1: So sánh hiệu suất của pin mặt trời đặt cố định và có điều khiển 2.2.2.1. Mô hình điều khiển pin mặt trời dùng PID số cho đến khi nào chúng bằng nhau, lúc này dừng động cơ có thể hiểu lúc này mặt trời đang ở giữa hai sensor. Hình 2.4: Mô hình điều khiển pin mặt trời bằng bộ điều khiển PID 2.2.2.2. Mô hình điều khiển pin mặt trời dùng Fuzzy Controller 10 [...]... bị điều khiển rõ (thường là bộ điều khiển kinh điển PID) - Phần thiết bị điều khiển mờ 15 Sử dụng bộ điều khiển mờ lai sẽ phát huy được ưu điểm của cả bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển rõ Ta xét hệ thống điều khiển có hai cấu trúc vòng, một trong hai vòng điều khiển sử dụng bộ điều khiển mờ Hình 3.5: Cấu trúc của bộ điều khiển mờ lai 3.5.2 Bộ điều khiển mờ lai chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID. .. điều khiển pin mặt trời bằng bộ điều khiển mờ Để nâng cao hiệu suất cuả hệ thống thu thập năng lượng của pin mặt trời người ta áp dụng phương pháp thiết kế bộ điều khiển mờ để điều khiển hướng của pin Motor A dùng để điều khiển pin quay theo chiều x, còn Motor B điều khiển pin xoay theo chiều y Tuy nhiên, hai động cơ giống nhau về công suất và phương thức điều khiển Do vậy, ta chỉ cần thiết kế bộ điều. .. của bộ điều khiển mờ 25 Hình 4.22: Bề mặt đặc trưng cho quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ Hình 4.23: Các bộ điều khiển mờ và PID Hình 4.24: Hàm đáp ứng đầu ra với các bộ điều khiển mờ tương ứng với các dạng hàm liên thuộc khác nhau Nhận xét: - Ta thấy cả hai bộ điều khiển đều có ưu điểm là triệt tiêu được sai lệch tĩnh - Đặc tính quá độ của bộ điều khiển mờ Fuzzy – gaussmf so với bộ điều khiển mờ. .. Phương pháp “ Tiêu chuẩn đối xứng” 3.2 Giới thiệu về Logic mờ và bộ điều mờ 3.2.1 Bộ điều khiển mờ cơ bản 11 Một bộ điều khiển mờ cơ bản thường bao gồm các khâu: fuzzy hóa, thiết bị hợp thành (thiết bị thực hiện luật hợp thành) và khâu giải mờ Một bộ điều khiển mờ chỉ gồm 3 thành phần trên gọi là bộ điều khiển mờ cơ bản Hình 3.1: Bộ điều khiển mờ cơ bản Do bộ điều khiển mờ cơ bản chỉ có khả năng xử... 3.4: Bộ điều khiển mờ PID Hình vẽ trên là ví dụ đơn giản về một hệ điều khiển mờ PID Sai lệch giữa tín hiệu đặt và tín hiệu ra được đưa vào bộ điều chỉnh theo luật P và D, sau đó được đưa vào bộ điều khiển mờ Bộ điều chỉnh I được dùng như một thiết bị chấp hành, đầu vào lấy sau bộ giải mờ và đầu ra được đưa tới đối tượng 3.4 Nguyên tắc thiết kế bộ điều khiển mờ Các bước cần thiết để thiết kế và tổng... điều khiển pin mặt trời bao gồm hai động cơ Một động cơ điều khiển pin quay theo phương x ( đông – tây) Một động cơ điều khiển pin mặt trời quay theo phương y ( nam – bắc) vì hai động cơ cùng kiểu do vậy ta chỉ cần thiết kế bộ điều khiển cho một động cơ 4.1.2 Mô hình toán học của hệ thống pin mặt trời Hệ thống điều khiển có mục đích chính là tự động điều khiển bộ thu nhiệt tìm và bám theo mặt trời để. .. điều khiển mờ cho một động cơ Dưới đây là bộ điều khiển pin mặt trời đã được thực nghiệm để kiểm chứng các số liệu cho trong bảng 2.1 và hình 2.3 Hình 2.6: Mô hình thực của bộ điều khiển 2.3 Kết luận Hầu hết các hệ thống điều khiển pin mặt trời là hệ hở Trong mô hình điều khiển tỷ lệ cố định, biến tốc độ lập trình để xoay pin với một tốc độ không đổi dựa trên sự chuyển động của mặt trời Trong mô hình điều. .. khiển PID 4.2.2 Sử dụng bộ điều khiển mờ động * Sơ đồ mô phỏng của bộ điều khiển mờ động Hình Hình.4.6: Sơ đồ cấu trúc của bộ điều khiển mờ động * Định nghĩa các biến vào ra: Bộ điều khiển mờ gồm có hai đầu vào và một đầu ra - Đầu vào thứ 1 là điện áp đặt vào bộ điều khiển, đại lượng này được ký hiệu là UH - Đầu vào thứ 2 là đạo hàm của đầu vào thứ nhất, đại lượng này được ký hiệu là dUH - Đầu ra của bộ. .. xuất kết quả ra vùng Workspace để tiến hành mô phỏng bằng công cụ Simulink của Matlab • Kết quả mô phỏng Hình 4.14: Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển mờ động 4.3 So sánh chất lượng khi dùng bộ điều khiển PID và Mờ 4.3.1 Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển Mờ và PID sau khi thiết kế * Sơ đồ mô phỏng của bộ điều khiển PID và Mờ 23 Hình 4.15: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển mờ và PID thiết kế * Kết quả mô phỏng... các bộ điều khiển mờ tĩnh Hình 3.2: Một bộ điều khiển mờ động Để mở rộng miền ứng dụng của chúng vào các bài toán điều khiển động, các khâu động học cần thiết sẽ được đưa thêm vào bộ điều khiển mờ cơ bản Các khâu động đó chỉ có nhiệm vụ cung cấp thêm cho bộ điều khiển mờ cơ bản các giá trị đạo hàm hay tích phân của tín hiệu Cùng với những khâu động bổ xung này, bộ điều khiển không còn là bộ điều khiển . ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP VŨ ĐỨC NHẬT NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VÀ MỜ ĐỂ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI Chuyên ngành : Tự Động Hóa Mã số : TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT THÁI. nghiên cứu sự thay đổi của các hệ thống gom năng lượng bám theo mặt trời một cách liên tục. Trong luận văn này Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển PID và mờ để điều khiển hệ thống pin mặt trời ,. 2: Tổng quan về các hệ thống pin mặt trời Chương 3: Giới thiệu tóm tắt về bộ điều khiển PID và điều khiển mờ. Chương 4: Xây dựng thuật toán điều khiển cho hệ thống pin mặt trời. Mặc dù có nhiều