- BÙI VĂN THÀNH TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MODULE ĐIỀU PHỐI NĂNG LƢỢNG TRÊN MÁY BAY KHÔNG NGƢỜI LÁI SỬ DỤNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI Chuyên ngành : Kĩ thuật máy thủy khí LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH KĨ THUẬT MÁY THỦY KHÍ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC : 1. - Tổng quan về máy bay sử dụng năng lƣợng mặt trời. - 5 1.1.1 Máy bay có ngƣời lái ứng dụng năng lƣợng mặt trời. - 5 1.1.2 Máy bay không ngƣời lái ứng dụng năng lƣợng mặt trời. - Nghiên cứu ứng dụng năng lƣợng mặt trời trên UAV tại ĐH BKHN. - 11 1.2.2 Pin mặt trời sử dụng trên máy bay của nhóm sinh viên K55. - Đƣờng đặc tính làm việc của pin mặt trời. - 63 3.1.1 Kiểm tra tính có cực trị của pin mặt trời. - 14 Hình II.1: Bộ điều khiển MPPT trong hệ thống pin mặt trời. - 16 Hình II.2: Sơ đồ tƣơng đƣơng của pin mặt trời. - 17 Hình II.3: Đƣờng đặc tính làm việc của pin mặt trời. - 18 Hình II.4: Sơ đồ pin mặt trời nối với tải thuần trở có điện trở thay đổi đƣợc. - 19 Hình II.5: Đƣờng đặc tính làm việc của pin mặt trời và của tải thuần trở có giá trị điện trở thay đổi đƣợc. - 62 Hình III.1: Sơ đồ kết nối thử nghiệm tính có cực trị của pin mặt trời. - 63 Hình III.2: Thí nghiệm kiểm tra đặc tính công suất của pin mặt trời. - 67 Hình III.7: Đồ thị sự ảnh hƣởng của độ rọi tới công suất pin mặt trời. - 68 Hình III.8: Đồ thị công suất pin mặt trời theo thời gian ở lần bay thử thứ 3. - Tại Việt Nam, hiện chƣa có mẫu máy bay không ngƣời lái sử dụng pin năng lƣợng mặt trời (Solar UAV) nào đƣợc công bố. - Các nhóm nghiên cứu trƣớc đây đã từng bƣớc xây dựng cơ sở lí thuyết, nghiên cứu, chế tạo thiết bị bay có gắn pin mặt trời. - hệ thống pin mặt trời chƣa tham gia vào hệ thống năng lƣợng của máy bay do chƣa có mạch điều phối năng lƣợng. - Chính vì vậy, tôi đã chọn đề tài "Nghiên cứu chế tạo module điều phối năng lƣợng trên máy bay không ngƣời lái sử dụng năng lƣợng mặt trời" cho Luận văn thạc sỹ khoa học của tôi. - Bố cục luận văn gồm 3 chƣơng Chƣơng I: Giới thiệu chung Trình bày tổng quan về máy bay sử dụng năng lƣợng mặt trời, nguyên lý và phân loại pin mặt trời, pin mặt trời sử dụng cho UAV. - Một trong những giải pháp để nâng cao thời gian bay của UAV là sử dụng năng lƣợng mặt trời kết hợp với pin lƣu trữ. - Trên thế giới, một số nƣớc đã nghiên cứu chế tạo thành công máy bay không ngƣời lái sử dụng năng lƣợng mặt trời giúp nâng cao thời gian bay lên đáng kể. - Vì thế ở 4 luân văn này, mục tiêu là phát triển Solar UAV kế thừa từ sản phẩm chế tạo bởi các nhóm trƣớc: Nghiên cứu, thiết kế mạch điều phối năng lƣợng (MPPT) cho UAV sử dụng năng lƣợng mặt trời. - Thử nghiệm mạch và đánh giá thời gian hoạt động của máy bay khi có pin năng lƣợng mặt trời. - Đinh Tấn Hƣng, Luận văn bƣớc đầu đã khẳng định hiệu quả nhất định của mạch điều phối năng lƣợng (MPPT) khi tích hợp trên Solar UAV, các ảnh hƣởng của yếu tố bên ngoài tới hiệu suất pin mặt trời cũng nhƣ thời gian bay. - Tổng quan về máy bay sử dụng năng lƣợng mặt trời 1.1.1 Máy bay có người lái ứng dụng năng lượng mặt trời Ngày 19 tháng 12 năm 1978, David Williams và Fred đã thực hiện chuyến bay có ngƣời lái đầu tiên ở sân bay Lasham, Hampshire với chiếc Solar One. - Tuy nhiên, những tấm pin mặt trời công suất 350W không đủ cung cấp cho động cơ, vì vậy ông phải sử dụng đến pin lƣu trữ. - Boucher hỗ trợ và cung cấp pin mặt trời từ 2 phiên bản Sunrise I & II đã hỏng của mình. - Chương I: Giới thiệu chung 6 Hình I.2: Máy bay Gossamer Penguin của Paul McCready, 1980 Tuy nhiên, Gossamer Penguin không an toàn cho ngƣời phi công nên Công ty Dupont đã sử dụng những kết quả của Gossamer Penguin và tài trợ cho MacCready để xây dựng một chiếc máy bay năng lƣợng mặt trời mới. - Solar Challenger có sải cánh 14.2m với 16128 tấm pin mặt trời cung cấp 2500W. - Hình I.3: Chiếc Solar Challenger, 1981 Cũng trong năm 1981, Günter Rochelt đã thiết kế và xây dựng chiếc máy bay Solair I, với sải cánh 16m, phủ 2499 cell pin mặt trời cung cấp 1800W, tuy nhiên Chương I: Giới thiệu chung 7 chiếc máy bay này không thể cất cánh. - Đặc điểm khác biệt của máy bay này là hệ thống 12000 tấm pin mặt trời vừa giúp cung cấp năng lƣợng cho động cơ máy bay, vừa có khả năng nạp nhiên liệu dự trữ, nhờ đó Solar Impulse có thể bay cả vào ban đêm. - Hình I.8: Chiếc máy bay Solar-Impulse Solar-Impulse vừa hoàn thành chuyến bay xuyên nƣớc Mỹ mà chỉ sử dụng năng lƣợng mặt trời từ ngày 03 tháng 5 năm 2013 đến ngày 07 tháng 7 năm 2013. - Chương I: Giới thiệu chung 9 1.1.2 Máy bay không người lái ứng dụng năng lượng mặt trời Ngày 04 tháng 11 năm 1974, tại Irwin, California, chiếc máy bay Sunrise I đƣợc thiết kế bởi R.J. - Boucher của công ty Astrol Flight theo hợp đồng với ARPA, đã trở thành chiếc máy bay đầu tiên bay với năng lƣợng mặt trời. - Chiếc máy bay có sải cánh dài 9.76m, nặng 12.25 kg, với 4096 viên pin năng lƣợng mặt trời có tổng công suất đạt 450W. - Số lƣợng pin mặt trời là 4480 cung cấp công suất 600W với hiệu suất 14%. - Hình I.9: Máy bay Sunrise I Hình I.10: Máy bay Sunrise II Cũng trong thời gian này, Helmut Bruss đang làm việc tại Đức cũng chế tạo máy bay năng lƣợng mặt trời một cách độc lập với R.J. - Tuy nhiên, do quá tải nhiệt trên pin mặt trời nên mãi tới năm 1976, chiếc máy bay của ông, với tên Solaris, mới đƣợc hoàn thành và có 3 chuyến bay với tổng thời gian là 150 giây ở độ cao 50m. - Sau đó, đã có rất nhiều mô hình đã đƣợc chế tạo sử dụng nguồn năng lƣợng mặt trời. - Đồng thời, chiếc máy bay năng lƣợng mặt trời nhỏ nhất là 3 chiếc : MikroSol, PicoSol và NanoSol của Tiến sĩ Sieghard Dienlin chế tạo với khối lƣợng chỉ 159.5g, sải cánh là 1.11m, công suất tiêu thụ là 8.64W. - Nghiên cứu ứng dụng năng lƣợng mặt trời trên UAV tại ĐH BKHN 1.2.1 Kết quả đạt được của các nhóm nghiên cứu trước Đề tài nghiên cứu ứng dụng pin năng lƣợng mặt trời cho UAV tại Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội đƣợc bắt đầu từ sinh viên khóa 52. - Trải qua các khóa sinh viên tiếp theo K53, K54, K55, đề tài đã từng bƣớc tháo gỡ đƣợc các vấn đề lớn trong việc thiết kế, chế tạo và đƣa vào ứng dụng UAV sử dụng năng lƣợng mặt trời. - Xây dựng mô hình thí nghiệm và tiến hành thí nghiệm kiểm chứng hiệu quả khi sử dụng pin mặt trời đa tinh thể. - Lắp đặt hệ thống pin mặt trời trên cánh và khảo sát dƣới mặt đất, tuy nhiên chƣa đáp ứng đƣợc năng lƣợng. - Quãng đƣờng đã qua của đề tài nghiên cứu máy bay NLMT khẳng định từng bƣớc phát triển trên từng lĩnh vực cấu thành nên một chiếc UAV hoàn chỉnh sử dụng năng lƣợng mặt trời từ cải thiện chất lƣợng khí động, tối ƣu kết cấu, cải thiện hiệu suất pin đến hoàn thiện phƣơng án mạch năng lƣợng cho máy bay. - Chương I: Giới thiệu chung 14 1.2.2 Pin mặt trời sử dụng trên máy bay của nhóm sinh viên K55 Rút kinh nghiệm còn tồn tại của các nhóm trƣớc, nhóm sinh viên K55 đã sử dụng loại pin mặt trời đơn tinh thể silic có hiệu suất và độ linh hoạt cao (Hình I.14). - Nghiên cứu, thiết kế mạch điều phối năng lƣợng (MPPT) cho UAV sử dụng năng lƣợng mặt trời. - Thử nghiệm hiệu suất hoạt động mạch điều phối năng lƣợng (MPPT) giữa pin lƣu trữ và pin mặt trời trong các điều kiện môi trƣờng khác nhau, từ đó đánh giá các yếu tố ảnh hƣởng tới hiệu suất pin mặt trời, thời gian hoạt động của máy bay. - Kiểm nghiệm thực khả năng ứng dụng MPPT trên máy bay không ngƣời lái sử dụng năng lƣợng mặt trời. - Giới thiệu chung MPPT (Maximum Power Point Tracker) là phƣơng pháp dò tìm điểm làm việc có công suất tối ƣu của hệ thống nguồn điện pin mặt trời qua việc điều khiển chu kỳ đóng mở khoá điện tử dùng trong bộ biến đổi DC/DC. - Phƣơng pháp MPPT đƣợc sử dụng rất phổ biến trong hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập và đang dần đƣợc áp dụng trong hệ quang điện làm việc với lƣới. - MPPT bản chất là thiết bị điện tử công suất ghép nối nguồn điện PV (pin mặt trời) với tải để khuyếch đại nguồn công suất ra khỏi nguồn pin mặt trời khi điều kiện làm việc thay đổi, và từ đó có thể nâng cao đƣợc hiệu suất làm việc của hệ. - Hình II.1: Bộ điều khiển MPPT trong hệ thống pin mặt trời Bộ điều khiển MPPT có thể là bộ điều khiển tƣơng tự truyền thống. - Nhƣ vậy, ta thu đƣợc quan hệ giữa điện áp (U) và dòng điện (I) của pin mặt trời nhƣ sau: exp 1sd B shqV VI E In k T R. - (2.2) Từ phƣơng trình trên ta có đƣờng đặc tính U-I của pin mặt trời đƣợc biểu diễn trong hình dƣới: Hình II.3: Đường đặc tính làm việc của pin mặt trời Chương II: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mạch điều phối năng lượng (MPPT) 19 Khi nối tải vào hệ thống pin mặt trời, đƣờng đặc tính tải và đƣờng đặc tính pin mặt trời sẽ cắt nhau tại các điểm làm việc, tại đó điện áp và dòng điện qua tải bằng điện áp dòng điện đƣợc cấp từ pin mặt trời. - Khi một tấm pin mặt trời (PV) đƣợc mắc trực tiếp vào một tải, điểm làm việc của tấm PV đó sẽ là giao điểm giữa đƣờng đặc tính làm việc I – U của pin và đƣờng đặc tính I – U của tải. - Hình II.4: Sơ đồ pin mặt trời nối với tải thuần trở có điện trở thay đổi được Hình II.5: Đường đặc tính làm việc của pin mặt trời và của tải thuần trở có giá trị điện trở thay đổi được Nói cách khác, trở kháng của tải bám theo điều kiện làm việc của pin. - Mạng nguồn pin mặt trời thƣờng bị quá tải khi phải bù cho một lƣợng công suất thấp vào thời gian ánh sáng yếu kéo dài nhƣ trong mùa đông. - Sự không thích ứng giữa tải và các tấm pin mặt trời thƣờng làm cho nguồn pin mặt trời bị quá tải và gây ra tổn hao trong toàn hệ thống. - Chương II: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mạch điều phối năng lượng (MPPT) 20 Phần này đề cập đến đặc tính làm việc I – U của mođun pin mặt trời và tải, sự tƣơng thích của cả tải và pin, phƣơng pháp điều khiển MPPT. - Trong điều kiện thời gian giữa 2 lần chuyển chế độ là nhỏ có thể coi điều kiện môi trƣờng, nhiệt độ pin mặt trời không thay đổi. - Dữ liệu thu đƣợc cho thấy việc sử dụng mạch MPPT giúp tăng công suất làm việc của pin mặt trời tăng từ 15% tới 20 % so với khi không sử dụng. - Phƣơng án thứ hai: Kết hợp pin LIPO và pin năng lƣợng mặt trời. - Dữ liệu thu đƣợc từ hai phƣơng án thử nghiệm trên cho phép đánh giá một cách tƣơng đối về mặt năng lƣợng, cũng nhƣ thời gian hoạt động của động cơ tăng thêm khi sử dụng mạch MPPT phối hợp nguồn pin mặt trời và nguồn pin Lipo. - Bảng III.1: Kết quả thử nghiệm tĩnh với hai mức công suất 50% và 70% ga Chế độ Mức ga Chỉ pin Lipo Kết hợp pin Lipo và pin mặt trời Lần 1 Lần 2 Lần 1 Lần 2 50% 20 phút 20 phút 63 phút 133 phút 70% 8 phút 8 phút 11 phút 30 phút Điều kiện thời tiết thử nghiệm. - Từ kết quả đo đạc ta nhận thấy việc sử dụng pin mặt trời với mạch điều phối đã cho kết quả rất tốt ở cả 2 chế độ tiêu thụ năng lƣợng 50% ga và 70% ga. - Thời gian sử dụng pin lipo kết hợp với pin mặt trời trong các lần thử nghiệm có sự chênh lệch lớn do điều kiện nắng trong mỗi lần thử nghiệm khác nhau. - Các thông số về công suất đo đƣợc qua các lần thử nghiệm đƣợc cho ở đồ thị dƣới đây: Hình III.6: Đồ thị công suất theo thời gian của bốn lần thử nghiệm Nhận xét: công suất pin mặt trời thay đổi rõ rệt giữa các khoảng thời gian mà điều kiện nắng thay đổi. - Các ngày thử nghiệm khác nhau thì công suất pin mặt trời cũng khác nhau do điều kiện thời tiết khác nhau, điều kiện nắng tốt thì công suất pin mặt trời khá cao từ 60 - 80W (ngày 17/5) và thời gian hoạt động của động cơ cũng kéo dài hơn. - Mặt khác, trong quá trình thử nghiệm ngoài việc đánh giá thời gian hoạt động của động cơ ở các chế độ trên, ta còn đánh giá đƣợc sự ảnh hƣởng của độ rọi tới công suất pin mặt trời nhờ số liệu đo từ cảm biến tích hợp trên mạch MPPT, kết quả của các lần thử nghiệm đƣợc cho dƣới đạng đồ thị dƣới đây: Chương III: Thử nghiệm. - đánh giá 68 Hình III.7: Đồ thị sự ảnh hưởng của độ rọi tới công suất pin mặt trời Nhận xét: độ rọi ảnh hƣởng trực tiếp tới công suất của pin mặt trời, độ rọi càng lớn thì công suất pin càng lớn. - Thử nghiệm bay thực tế với mạch MPPT Thử nghiệm bay tự động solar UAV với hai trƣờng hợp chỉ sử dụng pin LIPO và kết hợp sử dụng pin LIPO với pin năng lƣợng mặt trời, nhằm so sánh thời gian bay và đánh giá hiệu quả phối hợp nguồn pin mặt trời với tải của mạch MPPT cũng nhƣ độ ổn định của mạch trong điều kiện bay thực tế khi mà chế độ hoạt động của động cơ luôn thay đổi do tải gió khác nhau và công suất pin mặt trời thay đổi ở các vị trí khác nhau của máy bay. - Từ đó thấy đƣợc việc sử dụng mạch MPPT rất quan trọng trong việc điều phối năng lƣợng pin mặt trời với pin Lipo. - Kết quả hiện tại đã chứng tỏ mạch hoạt động tốt và ổn định, phát huy tác dụng của pin mặt trời. - Bảng III.2: Kết quả bay thử nghiệm với pin mặt trời và mạch MPPT1 Lần 1 Lần 2 Lần 3 Điều kiện thời tiết khi bay thử Nắng nhẹ, ít mây, gió cấp 1-2. - Tuy nhiên, ở thời tiết nắng đẹp, phần năng lƣợng cho máy bay sẽ đƣợc pin mặt trời cung cấp khoảng 50 – 80% thông qua mạch điều phối từ đó có thể kéo dài thời gian so với khi chỉ sử dụng pin Lipo. - Điều đáng lƣu ý là pin mặt trời chỉ cung cấp với công suất Chương III: Thử nghiệm. - Dƣới đây là kết quả về công suất pin mặt trời đo đƣợc qua mạch điều phối ở lần bay thử thứ 3 (đề cập ở Bảng III.2): Hình III.8: Đồ thị công suất pin mặt trời theo thời gian ở lần bay thử thứ 3 Nhận xét: ở điều kiện nắng gắt công suất pin mặt trời đo đƣợc qua mạch điều phối tƣơng đối ổn định và khá cao ở khoảng từ 80 – 100W (theo lý thuyết tối đa 120W) chứng tỏ mạch hoạt động tốt. - 3.3.1 Phân tích nguyên nhân Nhƣ đã trình bày ở trên, mạch MPPT1 đƣợc lựa chọn theo nguyên lý mạch BUCK vì hệ thống pin mặt trời có điện áp 21V, và pin lƣu trữ có điện áp 12.6V (3S). - Do đó cần mạch giảm điện áp BUCK để đƣa điện áp pin mặt trời xuống xấp xỉ với điện áp pin lƣu trữ. - Thứ hai, lúc này do điện áp pin mặt trời thấp hơn điện áp pin lƣu trữ, nên để đồng bộ ta lựa chọn thiết kế mạch MPPT theo nguyên lý mạch tăng áp BOOT. - Dƣới đây là các kết quả thử nghiệm tĩnh ở mức 50% ga (mức công suất bay bằng): Bảng III.4: Kết quả thử tĩnh ở mức công suất 50% ga với mạch MPPT2 Chế độ Mức ga Chỉ pin Lipo Kết hợp pin Lipo và pin mặt trời Lần 1 Lần 2 Lần 1 Lần 2 50% 47 phút 46 phút 190 phút (nắng nhẹ) 215 phút (nắng nhẹ) Hình III.13: Đồ thị công suất theo thời gian ở lần thử tĩnh thứ nhất với mạch MPPT2 Chương III: Thử nghiệm. - Các kết quả đo công suất cho thấy mạch MPPT2 hoạt động khá ổn định, đáp ứng nhanh với điều kiện nắng, công suất pin mặt trời thời ở mức 40-50W ở điều kiện nắng nhẹ. - Kết quả test kết hợp sử dụng mạch MPPT2 cùng pin mặt trời cho thời gian hoạt động của động cơ lớn hơn từ bốn lần so với chỉ dùng pin lƣu trữ, kết quả cho thấy phƣơng án thiết kế mới khá khả quan. - Bảng III.6: Kết quả bay thử ở phương án 2 Lần thử Chỉ pin Lipo Kết hợp pin Lipo và pin mặt trời 1 45 phút 150 phút (nắng nhẹ) 2 45 phút 70 phút (nắng nhẹ, có mây) 3 45 phút 50 phút (nhiều mây) Việc thử nghiệm bay chỉ sử dụng pin lƣu trữ đƣợc tiến hành rất nhiều lần các kết quả thu đƣợc cho thấy thời gian bay trung bình 45 phút, xấp xỉ với thời gian bay thử nghiệm kết hợp pin mặt trời ở phƣơng án mạch MPPT1. - Thử nghiệm bay kết hợp pin lƣu trữ và pin mặt trời đƣợc tiến hành ba lần với ba kịch bản khác nhau. - Công suất pin mặt trời trung bình từ 40 - 50W, thể hiện ở đồ thị bên dƣới: Chương III: Thử nghiệm. - Chất lƣợng video ghi lại tốt, công suất pin mặt trời trung bình khoảng 30W. - Tuy nhiên do thời tiết nhiều mây, nên công suất pin mặt trời thấp (dƣới 10W), thời gian bay 50 phút. - Chứng minh đƣợc đƣờng đặc tính của của pin mặt trời dƣới dạng thực nghiệm. - Chứng minh sự phụ thuộc của công suất pin mặt trời vào cƣờng độ ánh sáng. - Sử dụng hệ thống pin mặt trời có hiệu suất cao hơn, có tính đàn hồi cao để phù hợp với nhiều biên dạng khác nhau. - Cải tiến mạch MPPT để có đƣợc hiệu quả khai thác pin mặt trời cao hơn với hệ thống pin lớn hơn. - [2] Đào Xuân Tùng, Vũ Bá Hƣng, “Nghiên cứu thiết kế máy bay nhỏ sử dụng năng lƣợng mặt trời”, Báo cáo Đồ án tốt nghiệp, Đại học Bách khoa Hà Nội, 6-2013. - [3] Nguyễn Quốc Huy, Nguyễn Hoài Nam “Nghiên cứu sử dụng năng lƣợng mặt trời cho máy bay mô hình”, Báo cáo Đồ án tốt nghiệp, Đại học Bách khoa Hà Nội, 6-2012. - [4] Nguyễn Văn Dinh, Bùi Đức Xuân, “Nghiên cứu ứng dụng pin mặt trời trong chế tạo UAV dạng tàu lƣợn với tải trọng có ích 1kg”, Báo cáo Đồ án tốt nghiệp, Đại học Bách khoa Hà Nội, 6-2015. - [5] Tống Minh Quý, “Nghiên cứu chế tạo máy bay nhỏ sử dụng năng lƣợng mặt trời”, Báo cáo Đồ án tốt nghiệp, Đại học Bách khoa Hà Nội, 6-2014
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt