Tài liệu ĐIỀU KHIỂN MẠCH NẠP CHO BỘ ĐIỆN PHÂN SỬ DỤNG TRONG PIN NHIÊN LIỆU

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Ngành Kỹ Thuật Điện, Khoa Điện – Điện Tử, Đ H Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh Tên đề tài ĐIỀU KHIỂN MẠCH NẠP CHO BỘ ĐIỆN PHÂN SỬ DỤNG TRONG PIN NHIÊN LIỆU GVHD: Th.S Trần Công Binh SVTH: Trần Văn Dinh 1/2008 Nội dung chính Ngành Kỹ Thuật Điện, Khoa Điện – Điện Tử, ĐH Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh 1 Bộ điện phân (Electrolyzer) và Pin nhiên liệu (Fuel cell) 2 Bộ biến đổi công suất nạp điện cho Bộ điện phân 3 Mô hình 4 Kết quả, hướng phát triển và ứng dụng 1/2008 Ngành Kỹ Thuật Điện, Khoa Điện – Điện Tử, ĐH Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh 1 Pin nhiên liệu (Fuel Cell) Bộ điện phân (Electrolyzer) 1/2008 1 Pin nhiên liệu và Bộ điện phân Ngành Kỹ Thuật Điện, Khoa Điện – Điện Tử, ĐH Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh Hoạt động của Pin nhiên liệu H 2 ® 2H + + 2e - 4H + + 4e - + O 2 ® 2H 2 O 2H2 + O2 = 2H2O 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 1/2008 1 Pin nhiên liệu và Bộ điện phân Ngành Kỹ Thuật Điện, Khoa Điện – Điện Tử, ĐH Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh Chất điện phân Nhiệt độ hoạt động Hiệu xuất điện Alkaline Fuel cell (AFC) Kiềm (KOH) Từ “nhiệt độ phòng” đến 900C 60% 70% Proton Exchange Membrane Fuel cell (PEMFC) Màng trao đổi Proton Từ “nhiệt độ phòng” đến 800C 40% 60% Direct Methanol Fuel cell (DMFC) Màng trao đổi Proton Từ “nhiệt độ phòng” đến 1300C 20% 30% Phosphoric Acid Fuel cell (PAFC) Axit Phosphoric (H3PO4) Từ 160 đến 2200C 55% Phân loại Pin nhiên liệu Molten Carbonate Fuel cell (MCFC) Solid Oxide Fuel cell (SOFC) Na2CO3, K2CO3 nóng chảy Từ 620 đến 6600C Ziriconi Oxit (ZrO2) rắn Từ 800 đến 10000C 65% Nhiên liệu H2 O2 H2 O2 , Không khí CH3OH O2 , Không khí Gas thiên nhiên, bio gas, H2 O2 , Không khí Gas thiên nhiên, bio gas, gas than đá, H2 O2 , Không khí 60% 65% Gas thiên nhiên, bio gas, gas than đá, H2 O2 , Không khí 1/2008 1 Pin nhiên liệu và Bộ điện phân Ngành Kỹ Thuật Điện, Khoa Điện – Điện Tử, ĐH Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh Pin nhiên liệu và vấn đề môi trường Hydrocacbon Dầu mỏ, khí thiên nhiên,… H2 Methanol: Tinh bột, đường,… Điện phân nước Năng lượng điện cung cấp Tài nguyên không tái sinh Đồng thời thải ra CO2 Ảnh hưởng đến nguồn lương thực của con người Đồng thời thải ra CO2 Không tái sinh được: Than đá, dầu mỏ, khí gas, nguyên tử,… Chuyển CO2 từ nơi sử dụng dạng năng lượng này đến nơi sản xuất H2 Tái sinh được: Nước, gió, mặt trời, Sóng, địa nhiệt,… Nguồn năng lượng vô tận Không thải ra CO2 Thân thiện với môi trường Vẫn thải ra CO2 1/2008 1 Pin nhiên liệu và Bộ điện phân Ngành Kỹ Thuật Điện, Khoa Điện – Điện Tử, ĐH Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh Nạp nhiên liệu (Methanol) cho Pin nhiên liệu 1/2008 1 Pin nhiên liệu và Bộ điện phân Ngành Kỹ Thuật Điện, Khoa Điện – Điện Tử, ĐH Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh Hoạt động của Bộ điện phân PEM 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. 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 1/2008 1 Pin nhiên liệu và Bộ điện phân Ngành Kỹ Thuật Điện, Khoa Điện – Điện Tử, ĐH Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh Tích trữ H2 và O2 Sợi nano carbon Áp suất cao Hóa lỏng O2 Dạng Kim loại Hydrua (đang trong giai đoạn nghiên cứu) 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 2 Bộ biến đổi công suất 1/2008 2 Bộ biến đổi công suất Ngành Kỹ Thuật Điện, Khoa Điện – Điện Tử, ĐH Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh Giới thiệu 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 2 Bộ biến đổi công suất 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 TMS320C28xTM được thiết kế đặc biệt xử lý thời gian thực cho phép thực hiện các kỹ thuật điều khiển hiệu quả nhất. Các ngoại vi tích hợp trên chip nên hoạt động linh hoạt trong ứng dụng điều khiển số động cơ, nguồn điện,… 1/2008 2 Bộ biến đổi công suất 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 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 Ngoại vi cổng nối tiếp 1/2008 Ngành Kỹ Thuật Điện, Khoa Điện – Điện Tử, ĐH Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh 3 Mô hình 1/2008 Mô hình 3 Ngành Kỹ Thuật Điện, Khoa Điện – Điện Tử, ĐH Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh Cảm biến Hall Mạch phân áp Cuk Converter Cảm biến Hall Mạch kích Mạch phân áp Bộ điện phân Biến trở điều chỉnh giá trị đặt Mạch cách ly Mạch đệm ADC PWM ADC eZdsp KIT TMS320F2812 1/2008 3 Mô hình Ngành Kỹ Thuật Điện, Khoa Điện – Điện Tử, ĐH Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh 1/2008 3 Mô hình Ngành Kỹ Thuật Điện, Khoa Điện – Điện Tử, ĐH Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh Lưu đồ giải thuật 1/2008 Ngành Kỹ Thuật Điện, Khoa Điện – Điện Tử, ĐH Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh 4 Kết quả, ứng dụng và hướng phát triển của đề tài 1/2008 4 Kết quả Ngành Kỹ Thuật Điện, Khoa Điện – Điện Tử, ĐH Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh Áp ra không đổi 24V, Tải không đổi (bóng dèn 24V - 10 W), áp vào thay đổi Iin (A) Vout (V) 25 1.0 0.9 0.8 20 0.7 0.6 15 0.5 0.4 10 0.3 0.2 5 Áp ra 24Vdc Iin 0.1 Vin (V) 0 0.0 10 15 20 25 30 35 1/2008 4 Kết quả Ngành Kỹ Thuật Điện, Khoa Điện – Điện Tử, ĐH Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh Dòng ra không đổi 0.5A, Tải thay đổi, áp vào không đổi 0.7 Iout(A) Iout Vout V(V) Vin 25.0 0.6 20.0 0.5 15.0 0.4 0.3 10.0 0.2 5.0 0.1 R(Ohm) 0.0 0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 0.0 35.0 1/2008