Luận văn Điều khiển mạch nạp cho bộ điện phân sử dụng trong pin nhiên liệu

Ngành Kỹ Thuật Điện, Khoa Điện – Điện Tử, Đ H Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S Trần Công Binh SVTH: Trần Văn Dinh 1/2008 Tên đề tài ĐIỀU KHIỂN MẠCH NẠP CHO BỘ ĐIỆN PHÂN SỬ DỤNG TRONG PIN NHIÊN LIỆU Nội dung chính 1/2008 Ngành Kỹ Thuật Điện, Khoa Điện – Điện Tử, ĐH Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh Bộ điện phân (Electrolyzer) và Pin nhiên liệu (Fuel cell)1 Bộ biến đổi công suất nạp điện cho Bộ điện phân2 Mô hình3 Kết quả, hướng phát triển và ứng dụng4 1/2008 Ngành Kỹ Thuật Điện, Khoa Điện – Điện Tử, ĐH Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh Pin nhiên liệu (Fuel Cell) Bộ điện phân (Electrolyzer) 1 1/2008 Ngành Kỹ Thuật Điện, Khoa Điện – Điện Tử, ĐH Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh Pin nhiên liệu và Bộ điện phân1 Hoạt động của Pin nhiên liệu Pin nhiên liệu tổng hợp Hydro và Oxy thành nước, trong quá trình đó sinh ra dòng điện cung cấp cho các thiết bị điện hoạt động 2H2 + O2 = 2H2O -++® 2e2HH 2 O22H2O4e4H ®+ - + + 1/2008 Ngành Kỹ Thuật Điện, Khoa Điện – Điện Tử, ĐH Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh Pin nhiên liệu và Bộ điện phân1 Gas thiên nhiên, bio gas, gas than đá, H2 O2 , Không khí 60% 65% Từ 800 đến 10000C Ziriconi Oxit (ZrO2) rắn Solid Oxide Fuel cell (SOFC) Gas thiên nhiên, bio gas, gas than đá, H2 O2 , Không khí 65%Từ 620 đến 6600C Na2CO3, K2CO3 nóng chảy Molten Carbonate Fuel cell (MCFC) Gas thiên nhiên, bio gas, H2 O2 , Không khí 55%Từ 160 đến 2200C Axit Phosphoric (H3PO4) Phosphoric Acid Fuel cell (PAFC) CH3OH O2 , Không khí 20% 30% Từ “nhiệt độ phòng” đến 1300C Màng trao đổi Proton Direct Methanol Fuel cell (DMFC) H2 O2 , Không khí 40% 60% Từ “nhiệt độ phòng” đến 800C Màng trao đổi Proton Proton Exchange Membrane Fuel cell (PEMFC) H2 O2 60% 70% Từ “nhiệt độ phòng” đến 900C Kiềm (KOH) Alkaline Fuel cell (AFC) Nhiên liệu Hiệu xuất điện Nhiệt độ hoạt động Chất điện phân Phân loại Pin nhiên liệu 1/2008 Ngành Kỹ Thuật Điện, Khoa Điện – Điện Tử, ĐH Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh Pin nhiên liệu và vấn đề môi trường H2 Pin nhiên liệu và Bộ điện phân1 Hydrocacbon Dầu mỏ, khí thiên nhiên,… Điện phân nước Methanol: Tinh bột, đường,… Tài nguyên không tái 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 Không tái sinh được: Than đá, dầu mỏ, khí gas, nguyên tử,… Tái sinh được: Nước, gió, mặt trời, Sóng, địa nhiệt,… Chuyển CO2 từ nơi sử dụng dạng năng lượng này đến nơi sản xuất H2 Vẫn thải ra CO2 Nguồn năng lượng vô tận Không thải ra CO2 Thân thiện với môi trường 1/2008 Ngành Kỹ Thuật Điện, Khoa Điện – Điện Tử, ĐH Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh Nạp nhiên liệu (Methanol) cho Pin nhiên liệu Pin nhiên liệu và Bộ điện phân1 1/2008 Ngành Kỹ Thuật Điện, Khoa Điện – Điện Tử, ĐH Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh Hoạt động của Bộ điện phân PEM Pin nhiên liệu và Bộ điện phân1 Bộ điện phân là thiết bị dùng để chuyển hóa điện năng thành hóa năng Bộ điện phân tách nước thành H2 và O2 khi có dòng điện DC đi qua Điện áp Vdc ≥ 1,23Vdc 1,23V(điện áp phân ly H2O) * PEM gồm lớp teflon được sulfonic hóa bởi nhóm chức SOH3. * PEM chỉ cho proton H+ đi qua. 1/2008 Ngành Kỹ Thuật Điện, Khoa Điện – Điện Tử, ĐH Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh Tích trữ H2 và O2 Pin nhiên liệu và Bộ điện phân1 Sợi nano carbon (đang trong giai đoạn nghiên cứu) O2 Hóa lỏng Dạng Kim loại HydruaÁp suất cao H2 Mô hình hệ thống tích trữ năng lượng sử dụng Pin nhiên liệu 1/2008 Ngành Kỹ Thuật Điện, Khoa Điện – Điện Tử, ĐH Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh Bộ biến đổi công suất 2 1/2008 Ngành Kỹ Thuật Điện, Khoa Điện – Điện Tử, ĐH Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh Giới thiệu Bộ biến đổi công suất2 Chức năng: nhận năng lượng điện từ nguồn ngoài dưới dạng DC không điều khiển được U, I sang dạng năng lượng điện DC có U và I điều khiển được. Nhận các tín hiệu điều khiển từ khối điều khiển và tạo ra dòng điện với cường độ thích hợp cung cấp cho bộ điện phân. Mạch CUK (Buck - Bosst): có thể giảm – tăng điện áp. Khối điều khiển: Dùng DSP TMS320F2812. Cảm biến: đo điện áp và dòng điện (cảm biến Hall). 1/2008 Ngành Kỹ Thuật Điện, Khoa Điện – Điện Tử, ĐH Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh DSP TMS320F1812 Vi điều khiển TMS320F2812 là phiên bản mới nhất của thế hệ DSP TMS320C28xTM Các ngoại vi tích hợp trên chip nên 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 phép thực hiện các kỹ thuật điều khiển hiệu quả nhất. Bộ biến đổi công suất2 1/2008 Ngành Kỹ Thuật Điện, Khoa Điện – Điện Tử, ĐH Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh Cấu trúc DSP TMS320F2812 2 khối quản lý sự kiện có đến 16 kênh PWM ADC 12bit, 16 kênh MUX ngõ vào Ngoại vi cổng nối tiếp Đến 56 chân ngoại vi đa năng (GPIO) Nhân 32bit dấu chấm tĩnh Tốc độ cao 150MHz (6.67ns) Tính toán 16x16 và 32x32bit Kiến trúc Bus Harvard Xử lý và đáp ứng ngắt nhanh Bộ biến đổi công suất2 1/2008 Ngành Kỹ Thuật Điện, Khoa Điện – Điện Tử, ĐH Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh Mô hình 3 1/2008 Ngành Kỹ Thuật Điện, Khoa Điện – Điện Tử, ĐH Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh Mô hình3 Mạch kích Mạch cách ly Mạch đệm Cuk Converter Mạch phân áp Cảm biến Hall Bộ điện phân Mạch phân áp Cảm biến Hall Biến trở điều chỉnh giá trị đặt eZdsp KIT TMS320F2812 PWMADC ADC 1/2008 Ngành Kỹ Thuật Điện, Khoa Điện – Điện Tử, ĐH Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh Mô hình3 1/2008 Ngành Kỹ Thuật Điện, Khoa Điện – Điện Tử, ĐH Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh Mô hình3 Lưu đồ giải thuật 1/2008 Ngành Kỹ Thuật Điện, Khoa Điện – Điện Tử, ĐH Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh Kết quả, ứng dụng và hướng phát triển của đề tài 4 1/2008 Ngành Kỹ Thuật Điện, Khoa Điện – Điện Tử, ĐH Bách Khoa Tp Hồ Chí 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 không đổi 24V, Tải không đổi (bóng dèn 24V - 10 W), áp vào thay đổi 1/2008 Ngành Kỹ Thuật Điện, Khoa Điện – Điện Tử, ĐH Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh Kết quả4 Dòng ra không đổi 0.5A, Tải thay đổi, áp vào không 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 Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh Kết quả4 Áp ra không đổi 0.5A, Tải thay đổi, áp vào không 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 Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh Kết quả4 Nhận xét hệ thống Hệ thống vận hành được ở các chế độ khác nhau có thể cung cấp điện cho bộ điện phân Ưu điểm Khuyết điểm Đề tài thiết kế được mạch Cuk nhưng hoạt động ở công suất nhỏ Chưa thiết kế mạch bảo vệ cho mạch Cuk 1/2008 Ngành Kỹ Thuật Điện, Khoa Điện – Điện Tử, ĐH Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh Ứng dụng4 Hệ thống ứng dụng để nhận năng lượng từ nguồn DC (Pin quang điện, máy phát điện dùng năng lượng gió,…), nguồn AC đã qua chỉnh lưu nạp năng lượng cho Bộ điện phân. Hệ thống có thể dùng để điều khiển điện áp và dòng điện của Pin nhiên liệu cung cấp cho tải. Nhiên liệu do Bộ điện phân tạo ra là Hydro và Oxy dùng cho Pin nhiên liệu Ngoài ra có thể dùng cho các mục đích khác như trong y tế,… 1/2008 Ngành Kỹ Thuật Điện, Khoa Điện – Điện Tử, ĐH Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh Xin chân thành cảm ơn!