Đề tài Điều khiển mạch nạp cho bộ điện phân sử dụng trong pin nhiên liệu

Ngành Kỹ Thuật Điện, Khoa Điện – Điện Tử, Đ H Bỏch Khoa Tp Hồ Chớ Minh LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S Trần Cụng Binh SVTH: Trần Văn Dinh 1/2008 Tờn đề tài ĐIỀU KHIỂN MẠCH NẠP CHO BỘ ĐIỆN PHÂN SỬ DỤNG TRONG PIN NHIấN LIỆU Nội dung chớnh 1/2008 Ngành Kỹ Thuật Điện, Khoa Điện – Điện Tử, ĐH Bỏch Khoa Tp Hồ Chớ Minh Bộ điện phõn (Electrolyzer) và Pin nhiờn liệu (Fuel cell)1 Bộ biến đổi cụng suất nạp điện cho Bộ điện phõn2 Mụ hỡnh3 Kết quả, hướng phỏt triển và ứng dụng4 1/2008 Ngành Kỹ Thuật Điện, Khoa Điện – Điện Tử, ĐH Bỏch Khoa Tp Hồ Chớ Minh Pin nhiờn liệu (Fuel Cell) Bộ điện phõn (Electrolyzer) 1 1/2008 Ngành Kỹ Thuật Điện, Khoa Điện – Điện Tử, ĐH Bỏch Khoa Tp Hồ Chớ Minh Pin nhiờn liệu và Bộ điện phõn1 Hoạt động của Pin nhiờn liệu Pin nhiờn liệu tổng hợp Hydro và Oxy thành nước, trong quỏ trỡnh đú sinh ra dũng điện cung cấp cho cỏc thiết bị điện hoạt động 2H2 + O2 = 2H2O -++đ 2e2HH 2 O22H2O4e4H đ+ - + + 1/2008 Ngành Kỹ Thuật Điện, Khoa Điện – Điện Tử, ĐH Bỏch Khoa Tp Hồ Chớ Minh Pin nhiờn liệu và Bộ điện phõn1 Gas thiờn nhiờn, bio gas, gas than đỏ, H2 O2 , Khụng khớ 60% 65% Từ 800 đến 10000C Ziriconi Oxit (ZrO2) rắn Solid Oxide Fuel cell (SOFC) Gas thiờn nhiờn, bio gas, gas than đỏ, H2 O2 , Khụng khớ 65%Từ 620 đến 6600C Na2CO3, K2CO3 núng chảy Molten Carbonate Fuel cell (MCFC) Gas thiờn nhiờn, bio gas, H2 O2 , Khụng khớ 55%Từ 160 đến 2200C Axit Phosphoric (H3PO4) Phosphoric Acid Fuel cell (PAFC) CH3OH O2 , Khụng khớ 20% 30% Từ “nhiệt độ phũng” đến 1300C Màng trao đổi Proton Direct Methanol Fuel cell (DMFC) H2 O2 , Khụng khớ 40% 60% Từ “nhiệt độ phũng” đến 800C Màng trao đổi Proton Proton Exchange Membrane Fuel cell (PEMFC) H2 O2 60% 70% Từ “nhiệt độ phũng” đến 900C Kiềm (KOH) Alkaline Fuel cell (AFC) Nhiờn liệu Hiệu xuất điện Nhiệt độ hoạt động Chất điện phõn Phõn loại Pin nhiờn liệu 1/2008 Ngành Kỹ Thuật Điện, Khoa Điện – Điện Tử, ĐH Bỏch Khoa Tp Hồ Chớ Minh Pin nhiờn liệu và vấn đề mụi trường H2 Pin nhiờn liệu và Bộ điện phõn1 Hydrocacbon Dầu mỏ, khớ thiờn nhiờn,… Điện phõn nước Methanol: Tinh bột, đường,… Tài nguyờn khụng tỏi sinh Đồng thời thải ra CO2 Ảnh hưởng đến nguồn lương thực của con người Đồng thời thải ra CO2 Năng lượng điện cung cấp Khụng tỏi sinh được: Than đỏ, dầu mỏ, khớ gas, nguyờn tử,… Tỏi sinh được: Nước, giú, mặt trời, Súng, địa nhiệt,… Chuyển CO2 từ nơi sử dụng dạng năng lượng này đến nơi sản xuất H2 Vẫn thải ra CO2 Nguồn năng lượng vụ tận Khụng thải ra CO2 Thõn thiện với mụi trường 1/2008 Ngành Kỹ Thuật Điện, Khoa Điện – Điện Tử, ĐH Bỏch Khoa Tp Hồ Chớ Minh Nạp nhiờn liệu (Methanol) cho Pin nhiờn liệu Pin nhiờn liệu và Bộ điện phõn1 1/2008 Ngành Kỹ Thuật Điện, Khoa Điện – Điện Tử, ĐH Bỏch Khoa Tp Hồ Chớ Minh Hoạt động của Bộ điện phõn PEM Pin nhiờn liệu và Bộ điện phõn1 Bộ điện phõn là thiết bị dựng để chuyển húa điện năng thành húa năng Bộ điện phõn tỏch nước thành H2 và O2 khi cú dũng điện DC đi qua Điện ỏp Vdc ≥ 1,23Vdc 1,23V(điện ỏp phõn ly H2O) * PEM gồm lớp teflon được sulfonic húa bởi nhúm chức SOH3. * PEM chỉ cho proton H+ đi qua. 1/2008 Ngành Kỹ Thuật Điện, Khoa Điện – Điện Tử, ĐH Bỏch Khoa Tp Hồ Chớ Minh Tớch trữ H2 và O2 Pin nhiờn liệu và Bộ điện phõn1 Sợi nano carbon (đang trong giai đoạn nghiờn cứu) O2 Húa lỏng Dạng Kim loại HydruaÁp suất cao H2 Mụ hỡnh hệ thống tớch trữ năng lượng sử dụng Pin nhiờn liệu 1/2008 Ngành Kỹ Thuật Điện, Khoa Điện – Điện Tử, ĐH Bỏch Khoa Tp Hồ Chớ Minh Bộ biến đổi cụng suất 2 1/2008 Ngành Kỹ Thuật Điện, Khoa Điện – Điện Tử, ĐH Bỏch Khoa Tp Hồ Chớ Minh Giới thiệu Bộ biến đổi cụng suất2 Chức năng: nhận năng lượng điện từ nguồn ngoài dưới dạng DC khụng điều khiển được U, I sang dạng năng lượng điện DC cú U và I điều khiển được. Nhận cỏc tớn hiệu điều khiển từ khối điều khiển và tạo ra dũng điện với cường độ thớch hợp cung cấp cho bộ điện phõn. Mạch CUK (Buck - Bosst): cú thể giảm – tăng điện ỏp. Khối điều khiển: Dựng DSP TMS320F2812. Cảm biến: đo điện ỏp và dũng điện (cảm biến Hall). 1/2008 Ngành Kỹ Thuật Điện, Khoa Điện – Điện Tử, ĐH Bỏch Khoa Tp Hồ Chớ Minh DSP TMS320F1812 Vi điều khiển TMS320F2812 là phiờn bản mới nhất của thế hệ DSP TMS320C28xTM Cỏc ngoại vi tớch hợp trờn chip nờn hoạt động linh hoạt trong ứng dụng điều khiển số động cơ, nguồn điện,… TMS320C28xTM được thiết kế đặc biệt xử lý thời gian thực cho phộp thực hiện cỏc kỹ thuật điều khiển hiệu quả nhất. Bộ biến đổi cụng suất2 1/2008 Ngành Kỹ Thuật Điện, Khoa Điện – Điện Tử, ĐH Bỏch Khoa Tp Hồ Chớ Minh Cấu trỳc DSP TMS320F2812 2 khối quản lý sự kiện cú đến 16 kờnh PWM ADC 12bit, 16 kờnh MUX ngừ vào Ngoại vi cổng nối tiếp Đến 56 chõn ngoại vi đa năng (GPIO) Nhõn 32bit dấu chấm tĩnh Tốc độ cao 150MHz (6.67ns) Tớnh toỏn 16x16 và 32x32bit Kiến trỳc Bus Harvard Xử lý và đỏp ứng ngắt nhanh Bộ biến đổi cụng suất2 1/2008 Ngành Kỹ Thuật Điện, Khoa Điện – Điện Tử, ĐH Bỏch Khoa Tp Hồ Chớ Minh Mụ hỡnh 3 1/2008 Ngành Kỹ Thuật Điện, Khoa Điện – Điện Tử, ĐH Bỏch Khoa Tp Hồ Chớ Minh Mụ hỡnh3 Mạch kớch Mạch cỏch ly Mạch đệm Cuk Converter Mạch phõn ỏp Cảm biến Hall Bộ điện phõn Mạch phõn ỏp Cảm biến Hall Biến trở điều chỉnh giỏ trị đặt eZdsp KIT TMS320F2812 PWMADC ADC 1/2008 Ngành Kỹ Thuật Điện, Khoa Điện – Điện Tử, ĐH Bỏch Khoa Tp Hồ Chớ Minh Mụ hỡnh3 1/2008 Ngành Kỹ Thuật Điện, Khoa Điện – Điện Tử, ĐH Bỏch Khoa Tp Hồ Chớ Minh Mụ hỡnh3 Lưu đồ giải thuật 1/2008 Ngành Kỹ Thuật Điện, Khoa Điện – Điện Tử, ĐH Bỏch Khoa Tp Hồ Chớ Minh Kết quả, ứng dụng và hướng phỏt triển của đề tài 4 1/2008 Ngành Kỹ Thuật Điện, Khoa Điện – Điện Tử, ĐH Bỏch Khoa Tp Hồ Chớ Minh Kết quả4 0 5 10 15 20 25 10 15 20 25 30 35 Vin (V) Vout (V) 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0Iin (A) Áp ra 24Vdc Iin Áp ra khụng đổi 24V, Tải khụng đổi (búng dốn 24V - 10 W), ỏp vào thay đổi 1/2008 Ngành Kỹ Thuật Điện, Khoa Điện – Điện Tử, ĐH Bỏch Khoa Tp Hồ Chớ Minh Kết quả4 Dũng ra khụng đổi 0.5A, Tải thay đổi, ỏp vào khụng đổi 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 R(Ohm) Iout(A) 0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0V(V)Iout Vout Vin 1/2008 Ngành Kỹ Thuật Điện, Khoa Điện – Điện Tử, ĐH Bỏch Khoa Tp Hồ Chớ Minh Kết quả4 Áp ra khụng đổi 0.5A, Tải thay đổi, ỏp vào khụng đổi 0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 20.0 22.0 24.0 26.0 28.0 30.0 32.0 34.0 36.0 R(Ohm) V(V) 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6Iout(A) Vout Vin Iout 1/2008 Ngành Kỹ Thuật Điện, Khoa Điện – Điện Tử, ĐH Bỏch Khoa Tp Hồ Chớ Minh Kết quả4 Nhận xột hệ thống Hệ thống vận hành được ở cỏc chế độ khỏc nhau cú thể cung cấp điện cho bộ điện phõn Ưu điểm Khuyết điểm Đề tài thiết kế được mạch Cuk nhưng hoạt động ở cụng suất nhỏ Chưa thiết kế mạch bảo vệ cho mạch Cuk 1/2008 Ngành Kỹ Thuật Điện, Khoa Điện – Điện Tử, ĐH Bỏch Khoa Tp Hồ Chớ Minh Ứng dụng4 Hệ thống ứng dụng để nhận năng lượng từ nguồn DC (Pin quang điện, mỏy phỏt điện dựng năng lượng giú,…), nguồn AC đó qua chỉnh lưu nạp năng lượng cho Bộ điện phõn. Hệ thống cú thể dựng để điều khiển điện ỏp và dũng điện của Pin nhiờn liệu cung cấp cho tải. Nhiờn liệu do Bộ điện phõn tạo ra là Hydro và Oxy dựng cho Pin nhiờn liệu Ngoài ra cú thể dựng cho cỏc mục đớch khỏc như trong y tế,… 1/2008 Ngành Kỹ Thuật Điện, Khoa Điện – Điện Tử, ĐH Bỏch Khoa Tp Hồ Chớ Minh Xin chõn thành cảm ơn!