ĐỒ ÁN : NÂNG CAO HIỆU SUẤT PIN MẶT TRỜI VÀ ỨNG DỤNG VÀO ĐỜI SỐNG TÓM TẮT LUẬN VĂN Đầu tiên, Luận văn trình bày một cách tổng quan về tình hình sử dụng nguồn năng lượng mặt trời ở nước ta. Nước ta nằm gần đường xích đạo, có nhiều lợi thế để khai thác năng lượng mặt trời. Việt Nam nước giàu nguồn năng lượng mặt trời.Hàng năm các vùng phía bắc có khoảng 14002000 giờ nắng và các vùng miền Trung và một số vùng miền Nam có từ 20003000 giờ nắng.Tuy nhiên Việt Nam chỉ mới khai thác được 25% nguồn năng lượng tái tạo(trong đó có năng lượng mặt trời) còn lại 75% vẫn chưa khai thác đó là một sự lãng phí lớn.Năng lượng mặt trời đem lại lợi ích kinh tế,bảo vệ môi trường và bảo vệ sức khỏe con người.Luận văn “NÂNG CAO HIỆU SUẤT PIN MẶT TRỜI VÀ ỨNG DỤNG VÀO ĐỜI SỐNG” là một đề tài chỉ nghiên cứu một mảng nhỏ trong hệ thống pin mặt trời,đó là nuôi tải DC, luận văn còn nêu ra những phương pháp nâng cao hiệu suất của pin năng lượng mặt trời. Thứ hai, Luận văn giới thiệu một số lý thuyết về hệ thống pin năng lượng mặt trời, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin quang điện. Hệ thống dò tìm điểm công suất cực đại, và hệ thống xoay panel theo hướng ánh sáng được thiết kế trong luận văn. Thiết kế được bộ converter chuyển đổi DCDC và mạch sạc 3 giai đoạn bảo vệ Ắcquy tránh quá dòng, quá áp, đấu ngược cực. Thứ ba, bộ khung được thiết kế phù hợp với vị trí địa lý, nhằm giúp ánh sáng hướng vào tấm pin. Bên cạnh đó, các linh kiện điện tử được lựa chọn để thiết kế các mạch điện trong hệ thống điều khiển. Đây là một trong những phần quan trọng của luận văn giúp hệ thống có thể hoạt động chính xác và mang lại hiệu suất cho pin cao nhất. Thuật toán điều khiển và chương trình là phần kế tiếp trong luận văn, thuật toán điều khiển giúp panel xoay theo hướng ánh sáng và bộ dò tìm điểm đạt công suất cực đại làm việc theo mong muốn, nhằm tăng hiệu suất pin quang điện khi phục vụ trong sinh hoạt, và đời sống. Cuối cùng, Luận văn báo cáo kết quả và hướng phát triển trong tương lai. MỤC LỤC PHẦN A GIỚI THIỆU.................................................................................................... Nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp………………………………………………………….. Lời nhận xét của giáo viên hướng dẫn……………………………………………… Lời nhận xét của giáo viên phản biện………………………………………………. Lời cảm ơn…………………………………………………………………………… Tóm tắt Luận Văn…………………………………………………………………… Mục lục……………………………………………………………………………….. Danh mục hình vẽ…………………………………………………………………… Danh mục các từ viết tắt……………………………………………………………. PHẦN B NỘI DUNG…………………………………………………………………1 Chương1:TỔNG QUAN………………………………………………………….... 2 1.1 Đặt vấn đề……………………………………………………………………….2 1.2 Mục tiêu luận văn………………………………………………………………..2 1.3 Giới hạn luận văn………………………………………………………………..3 1.4 Ý nghĩa thực tiễn………………………………………………………………...3 1.5 Phương pháp nghiên cứu………………………………………………………...4 Chương 2:CƠ SỞ LÝ THUYẾT…………………………………………………...5 2.1 Giới thiệu về hệ thống pin năng lượng mặt trời…………………………………5 2.2 Hệ thống điều khiển góc xoay pin mặt trời theo ánh sáng………………………6 2.3 Bộ lưu điện (Accu) và bộ sạc bảo vệ Accu……………………………...............7 2.3.1 Khái niệm Accu……………………………………………………………...7 2.3.2 Phân loại và cấu tạo Accu…………………………………………………...7 2.3.3 Bộ sạc bảo vệ Accu………………………………………………………….8 2.4 Bộ biến đổi DCDC…………………………………………………………......9 2.4.1 Mạch Buck…………………………………………………………………10 2.4.2 Mạch Boost………………………………………………………………...13 2.4.3. Mạch Buck – Boost…………………………..……………………………15 2.5 Bộ dò tìm công suất cực đại…………………………………………………....17 2.5.1 giới thiệu về MPPT...…………………………………….............................17 2.5.2 Nguyên lý hợp dung tải….…………………………………………………19 2.5.3 Thuật toán xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất MPPT…...……..20 2.5.3.1Phương pháp nhiễu loạn và quan sát PO…………………………….22 2.5.3.2 Phương Pháp điện dẫn gia tăng INC….………………………………24 2.6 Bộ ổn áp DCDC Converter……………………………………………………26 2.7 Pin mặt trời..……………………………………………………………………27 2.7.1Cấu tạo………………………………………………………………………27 2.7.2 Nguyên lý hoạt động của pin…….…………………………………………27 Chương 3:THIẾT KẾ PHẦN CỨNG……………………………………………30 3.1 Hệ thống xoay panel theo hướng ánh sáng.……………………………………30 3.1.1 Yêu cầu của hệ thống.………………………………………………………30 3.1.2 Bộ khung đỡ tấm panel mặt trời……………………………………………30 3.1.3 Mạch cảm biến hướng chiếu sáng.…………………………………………31 3.1.4 Động cơ và cơ cấu truyền động…………………………………………….32 3.2 Hệ thống dò điểm công suất cực đại...…………………………………………33 3.3 Mạch sạc Ắcquy ba giai đoạn....………………………………………………34 3.4 Mạch ổn áp xung.………………………………………………………………35 3.5 Mạch hiển thị ápdòng…………………………………………………………37 Chương 4:THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN..………………………………………39 4.1 Lưu đồ giải thuật cho hệ thống..……………………………………………….39 4.2 Chương trình..………………………………………………………………….39 Chương 5:KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN...............................................40 5.1Kết quả…………………………………………………………………………40 5.2 Hướng phát triển………………………………………………………………45 5.3 Kết luận……..…………………………………………………………………46 Tài Liệu Tham Khảo…............................................................................................47
Giới hạn luận văn
Thời gian thực hiện luận văn bị giới hạn, do đó, mô hình hoạt động chỉ có thể thiết kế với công suất nhỏ, phục vụ cho các nhu cầu như chiếu sáng, quạt làm mát, radio và sạc thiết bị di động.
Ý nghĩa thực tiễn
Năng lượng đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của mỗi quốc gia, dẫn đến nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng tăng Tuy nhiên, nguồn năng lượng truyền thống như than và dầu hỏa đang dần cạn kiệt Một giải pháp tiềm năng là năng lượng hạt nhân, mặc dù việc sử dụng nó vẫn gây tranh cãi do lo ngại về an toàn và tác động đến môi trường Sự cố gần đây tại Nhật Bản, khi sóng thần phá hủy nhà máy điện hạt nhân, đã làm nổi bật những rủi ro này, gây thiệt hại nghiêm trọng về người và kinh tế.
Năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời, là lựa chọn tối ưu cho nguồn năng lượng xanh và thân thiện với môi trường Nó được ứng dụng hiệu quả ở những khu vực chưa có lưới điện, như vùng sâu, vùng xa và hải đảo Năng lượng mặt trời là nguồn tài nguyên tự nhiên vô tận, không lo cạn kiệt như than đá hay dầu mỏ Mặc dù chi phí đầu tư ban đầu còn cao, nhưng nhờ sự hỗ trợ từ các tổ chức quốc tế và chính phủ, năng lượng mặt trời đang ngày càng được chú ý và áp dụng rộng rãi tại Việt Nam.
Luận văn này tập trung vào việc ứng dụng năng lượng mặt trời trong hộ gia đình, với mục tiêu chuyển đổi năng lượng quang năng thành năng lượng một chiều Đặc biệt, nghiên cứu đề xuất phương pháp dò tìm điểm công suất cực đại cho pin mặt trời và phương pháp sạc dự trữ năng lượng, nhằm tối ưu hóa việc sử dụng, lưu trữ và di chuyển năng lượng, phục vụ cho sự phát triển của ngành công nghiệp.
Phương pháp nghiên cứu
Để đạt được mục tiêu tối ưu trong hệ thống năng lượng mặt trời, cần triển khai các biện pháp như hệ thống “hướng sáng” giúp tấm pin luôn xoay theo hướng mặt trời, cùng với hệ thống “dò tìm điểm cực đại” để tối đa hóa hiệu suất Đối với hệ thống năng lượng mặt trời công suất lớn, việc chuyển đổi sang nguồn AC và hòa vào lưới quốc gia giúp tiết kiệm chi phí mà không cần hệ thống lưu trữ năng lượng, tuy nhiên, chi phí đầu tư ban đầu cho hệ thống này là rất lớn Đối với hệ thống pin mặt trời công suất nhỏ, sử dụng cho hộ gia đình, có một số giải pháp khả thi để tối ưu hóa hiệu suất và chi phí.
Hai hệ thống hoạt động song song với nhau khi kết hợp với nguồn điện lưới, đảm bảo cung cấp điện liên tục mà không cần đến nguồn lưu trữ như ắc-quy.
Vùng xa khu vực điện lưới cần hệ thống năng lượng mặt trời hoạt động độc lập, tuy nhiên, việc cung cấp điện không liên tục do thiếu ánh sáng ban đêm Để giải quyết vấn đề này, cần có hệ thống ắc-quy để lưu trữ điện vào ban ngày và cung cấp cho tải vào ban đêm Mặc dù hệ thống này không phụ thuộc vào lưới điện, nhưng chi phí đầu tư và bảo trì ắc-quy khá cao Hơn nữa, ắc-quy hư hỏng có thể gây ô nhiễm môi trường, làm giảm tính "sạch" của năng lượng mặt trời.
Vào ban ngày, năng lượng từ các tấm pin mặt trời thường dư thừa và cần được lưu trữ để sử dụng vào ban đêm Có nhiều giải pháp lưu trữ điện hiệu quả để tận dụng nguồn năng lượng này.
+ Năng lượng được nạp vào Ắc-quy dự trữ với hiệu suất đạt 80% – 85%.
Sử dụng năng lượng dư thừa để điện phân nước thành hydrogen (H2) và oxygen (O2), sau đó lưu trữ chúng Khi cần thiết, năng lượng này sẽ được chuyển hóa trở lại thành điện thông qua pin nhiên liệu với hiệu suất lên tới 90%.
Năng lượng có thể được chuyển đổi thành thế năng bằng cách bơm nước lên hồ chứa trên cao, và khi cần thiết, có thể khai thác năng lượng dưới dạng thủy điện, tuy nhiên hiệu suất chỉ đạt khoảng 30% - 35%.
Có nhiều giải pháp năng lượng được đề xuất, và việc áp dụng chúng cần phù hợp với từng điều kiện cụ thể Bên cạnh đó, cần xem xét giữa chi phí và hiệu suất Hiện tại, năng lượng mặt trời vẫn được coi là nguồn năng lượng "xa xỉ", nhưng trong tương lai gần, nó có khả năng trở thành nguồn năng lượng chính cho toàn cầu.
SỞ LÝ THUYẾT
Giới thiệu về hệ thống pin năng lượng mặt trời
Hình dưới đây mô tả hệ thống pin năng lượng mặt trời cung cấp năng lượng cho tải một chiều
Hình 2.1:Sơ đồ khối của hệ thống pin năng lượng mặt trời
Hệ thống pin năng lượng mặt trời bao gồm khối pin quang điện, bộ dò tìm công suất cực đại và tải DC, tạo thành một cấu trúc đơn giản nhưng hiệu quả trong việc chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng.
Pin mặt trời được cấu tạo từ nhiều tế bào quang điện, là thiết bị bán dẫn có lớp tiếp giáp p-n, có khả năng chuyển đổi quang năng thành điện năng dưới ánh sáng mặt trời Quá trình này được gọi là hiệu ứng quang điện Đặc tuyến ngõ ra của hệ thống pin quang điện phụ thuộc vào cường độ bức xạ mặt trời, nhiệt độ pin và điện áp ngõ ra của hệ thống.
Hệ pin năng lượng mặt trời nhìn chung được chia làm 2 loại cơ bản
- Hệ Pin năng lượng mặt trời làm việc độc lập
- Hệ Pin năng lượng mặt trời làm việc nối lưới
Hệ thống pin năng lượng mặt trời độc lập thường được sử dụng ở những vùng xa, miền núi, hải đảo nơi mà lưới điện kéo đến.
Trong hệ thống pin năng lượng mặt trời kết nối với lưới điện, các tấm pin mặt trời được kết nối với lưới thông qua bộ biến đổi mà không cần bộ lưu trữ năng lượng Bộ biến đổi DC/AC trong hệ thống này cần phải đồng bộ với lưới điện về tần số và điện áp để đảm bảo hoạt động hiệu quả.
Hình 2.2:Sơ đồ khối của hệ pin mặt trời nối lưới
Hình dưới đây mô tả một hệ thống pin năng lượng mặt trời hoạt động độc lập cung cấp năng lượng cho tải một chiều, xoay chiều.
Hình 2.3:Sơ đồ khối hệ pin mặt trời làm việc độc lập
2.2.Hệ thống xoay panel theo hướng ánh sáng
Hệ pin quang điện tối ưu hóa hiệu suất hấp thu năng lượng mặt trời khi tấm panel được đặt vuông góc với ánh sáng Thông thường, các tấm panel được hướng về phía đường xích đạo với góc nghiêng phù hợp với vĩ độ lắp đặt Tuy nhiên, để nâng cao hiệu suất hấp thụ, cần điều chỉnh tấm panel xoay theo hướng Đông-Tây, tương ứng với hướng chiếu sáng của Mặt trời.
Hệ thống điều khiển góc xoay của tấm panel hoạt động nhờ vào hai cảm biến quang trở kết hợp với động cơ và cơ cấu truyền động, giúp tấm panel luôn hướng về phía Mặt trời Việc xoay tấm panel theo hướng ánh sáng này nâng cao hiệu suất của pin mặt trời.
2.3.Bộ lưu điện (Accu) và bộ sạc bảo vệ Accu.
Accu là nguồn điện hóa học, có khả năng chuyển đổi điện năng thành hóa năng và ngược lại Quá trình chuyển đổi hóa năng thành điện năng được gọi là phóng điện, trong khi quá trình chuyển đổi điện năng thành hóa năng được gọi là nạp điện.
Accu là nguồn điện một chiều phổ biến, hoạt động dựa trên hiện tượng điện-hóa học Để đảm bảo hiệu suất và an toàn, các accu sản xuất ra cần tuân thủ các tiêu chuẩn về tính năng điện theo quy định.
-Sức điện động lớn và ít thay đổi khi phóng, nạp điện.
-Accu phải làm việc thuận nghịch nghĩa là hiệu suất gần bằng 100%.
-Dung lượng cho một đơn vị trọng lượng và đơn vị thể tích phải lớn.
2.3.2 Phân loại và cấu tạo của Accu
Trên thị trường hiện nay, có nhiều loại ắc quy khác nhau, bao gồm ắc quy nước, ắc quy axit, ắc quy axit kiểu hở, ắc quy kín khí, ắc quy không cần bảo dưỡng, ắc quy khô, ắc quy GEL và ắc quy kiềm Tuy nhiên, ắc quy thường được phân loại thành hai loại chính: ắc quy sử dụng điện môi axit và ắc quy sử dụng điện môi kiềm Trong khi ắc quy axit phổ biến hơn, ắc quy kiềm ít gặp hơn trong thực tế.
Ắc-quy được cấu tạo từ hai điện cực khác nhau, nằm trong dung dịch điện phân và có màng ngăn cách Sự khác biệt về điện thế giữa các điện cực tạo ra hiệu điện thế, từ đó khi kết nối với mạch ngoài, ắc-quy có thể sinh ra dòng điện.
Hình 2.4:Mô phỏng 2 bản cực Accu axit
2.3.3 Bộ sạc bảo vệ Accu
Hệ pin quang điện độc lập cần lưu trữ điện năng để phục vụ tải trong thời gian thiếu ánh sáng, thường sử dụng ắc-quy làm phương pháp lưu trữ phổ biến Ắc-quy là thiết bị điện hóa, chuyển hóa hóa năng thành điện năng khi có tải kết nối Nó giúp lưu giữ điện năng chưa sử dụng và cung cấp cho bộ biến đổi DC/AC trong điều kiện thời tiết xấu Đồng thời, ắc-quy cũng cung cấp điện một chiều cho các thiết bị tương thích Mặc dù ắc-quy có giá trị lớn trong hệ thống, nhưng tuổi thọ của nó có thể ngắn nếu không được sử dụng và sạc đúng cách Để đảm bảo ắc-quy hoạt động hiệu quả và kéo dài tuổi thọ, cần sử dụng bộ sạc tiêu chuẩn và các biện pháp bảo vệ chống quá dòng, quá áp, và đấu ngược cực.
Hiện nay, có nhiều phương pháp sạc ắc-quy, trong đó sạc ở chế độ thả nổi (Float) có chi phí thấp và dễ lắp đặt, nhưng thời gian sạc dài và không bảo vệ ắc-quy khỏi quá dòng và quá áp Một phương pháp khác là sạc bằng nguồn dòng ở giai đoạn đầu, sau đó điều chỉnh áp để phù hợp với ắc-quy, phương pháp này nhanh hơn nhưng mạch điện phức tạp hơn Phương pháp tối ưu hiện nay là sạc 3 giai đoạn, kết hợp ưu điểm của hai phương pháp trên, cho thời gian sạc nhanh và tích hợp chức năng bảo vệ ắc-quy, mặc dù mạch điều khiển phức tạp Mô hình này sử dụng bộ sạc 3 giai đoạn, giúp sạc nhanh, tăng tuổi thọ ắc-quy và bảo vệ chống quá dòng, quá áp.
2.4 Bộ biến đổi DC/DC
Bộ DC/DC giúp xác định điểm hoạt động tối ưu với công suất lớn nhất của pin, đồng thời ổn định nguồn điện một chiều từ pin mặt trời để cung cấp cho tải và ắc quy.
Bộ biến đổi DC/DC đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển chế độ nạp và phóng, giúp bảo vệ và kéo dài tuổi thọ cho ắc quy Trong số nhiều loại bộ biến đổi DC/DC, ba loại phổ biến nhất là: Bộ tăng áp Boost, Bộ giảm áp Buck, và Bộ hỗn hợp tăng giảm Boost – Buck, cùng với bộ biến đổi Cuk Tất cả các loại này đều hoạt động dựa trên nguyên tắc đóng mở khóa điện tử theo chu kỳ đã được tính toán, nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng cụ thể Việc lựa chọn bộ DC/DC phù hợp phụ thuộc vào mục đích và yêu cầu của người dùng.
Hình 2.5:Sơ đồ các bộ biến đổi DC/DC a:bộ Buck , b:bộ Boost , c:bộ Buck-Boost , d:bộ Cuk nhận xét:
Bộ biến đổi Buck chuyển đổi điện áp một chiều thành điện áp một chiều thấp hơn, được sử dụng rộng rãi trong các bộ ổn định điện áp, thay thế cho các mạch analog truyền thống Công thức biến đổi của bộ Buck giúp tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm năng lượng trong các ứng dụng điện tử.
Sơ đồ biến đổi Boost chuyển đổi điện áp một chiều thành điện áp một chiều cao hơn, thường được sử dụng trong các thiết bị nguồn nuôi có công suất nhỏ như điện thoại di động và notebook Công thức biến đổi này rất quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất của các thiết bị điện tử.
Bộ lưu điện (Accu) và bộ sạc bảo vệ Accu
Ắc quy là nguồn điện hóa học có khả năng chuyển đổi giữa điện năng và hóa năng Quá trình chuyển đổi hóa năng thành điện năng được gọi là phóng điện, trong khi quá trình chuyển đổi điện năng thành hóa năng được gọi là nạp điện.
Accu là nguồn điện một chiều phổ biến, hoạt động dựa trên hiện tượng điện-hóa học Để đảm bảo hiệu suất và an toàn, accu sản xuất cần tuân thủ các tiêu chuẩn về tính năng điện theo quy định.
-Sức điện động lớn và ít thay đổi khi phóng, nạp điện.
-Accu phải làm việc thuận nghịch nghĩa là hiệu suất gần bằng 100%.
-Dung lượng cho một đơn vị trọng lượng và đơn vị thể tích phải lớn.
2.3.2 Phân loại và cấu tạo của Accu
Trên thị trường hiện nay, các loại accu thường được phân loại thành hai nhóm chính: accu sử dụng điện môi axit và accu sử dụng điện môi kiềm Trong đó, accu axit, bao gồm các loại như accu nước, accu axit kiểu hở, accu kiểu kín khí, accu không cần bảo dưỡng, accu khô, accu GEL, và accu kiềm, là phổ biến hơn cả Accu kiềm ít gặp hơn, do đó, đa số sản phẩm trên thị trường hiện tại là accu axit.
Ắc-quy được cấu tạo từ hai điện cực khác nhau đặt trong dung dịch điện phân, với một màng ngăn cách Sự khác biệt về điện thế giữa hai điện cực tạo ra hiệu điện thế, và khi kết nối với mạch ngoài, ắc-quy có khả năng sinh ra dòng điện.
Hình 2.4:Mô phỏng 2 bản cực Accu axit
2.3.3 Bộ sạc bảo vệ Accu
Hệ pin quang điện độc lập cần có hệ thống lưu trữ điện năng để cung cấp cho tải trong thời gian thiếu ánh sáng hoặc ban đêm, với ắc-quy là phương pháp phổ biến nhất Ắc-quy lưu trữ năng lượng dưới dạng hóa năng và giải phóng điện năng khi có tải sử dụng Nó giữ điện năng chưa sử dụng và cung cấp cho bộ biến đổi DC/AC trong điều kiện thời tiết xấu Tuy nhiên, ắc-quy có tuổi thọ ngắn nếu không được sử dụng và sạc đúng cách, do đó cần có bộ sạc tiêu chuẩn để bảo vệ ắc-quy khỏi quá dòng, quá áp và đấu ngược cực Ắc-quy là thiết bị lưu trữ năng lượng quan trọng trong hệ thống pin quang điện.
Hiện nay, có nhiều phương pháp sạc ắc-quy, trong đó sạc ở chế độ thả nổi (Float) có chi phí thấp và dễ lắp đặt nhưng thời gian sạc dài và không bảo vệ ắc-quy khỏi quá dòng và quá áp Phương pháp sạc bằng nguồn dòng ở giai đoạn đầu và ghim áp sau đó nhanh hơn nhưng mạch điện phức tạp hơn Phương pháp tối ưu hiện nay là sạc 3 giai đoạn, kết hợp ưu điểm của hai phương pháp trên, cho thời gian sạc nhanh và tích hợp các chức năng bảo vệ ắc-quy Bộ sạc 3 giai đoạn giúp sạc nhanh, kéo dài tuổi thọ ắc-quy và có các chức năng chống quá dòng, quá áp.
Bộ biến đổi DC/DC
Bộ DC/DC giúp xác định điểm công suất tối đa của pin và ổn định nguồn điện một chiều từ pin mặt trời, cung cấp năng lượng cho tải và ắc quy.
Bộ biến đổi DC/DC đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển chế độ nạp và phóng, giúp bảo vệ và nâng cao tuổi thọ của ắc quy Trong số nhiều loại bộ biến đổi DC/DC, ba loại phổ biến nhất là bộ tăng áp Boost, bộ giảm áp Buck, và bộ hỗn hợp tăng giảm Boost – Buck cùng với bộ biến đổi Cuk Tất cả các loại này đều hoạt động dựa trên nguyên tắc đóng mở khóa điện tử theo chu kỳ đã được tính toán, nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng cụ thể Việc lựa chọn bộ DC/DC phù hợp phụ thuộc vào mục đích và yêu cầu của người dùng.
Hình 2.5:Sơ đồ các bộ biến đổi DC/DC a:bộ Buck , b:bộ Boost , c:bộ Buck-Boost , d:bộ Cuk nhận xét:
Bộ biến đổi Buck chuyển đổi điện áp một chiều thành điện áp một chiều thấp hơn, và được sử dụng phổ biến trong các bộ ổn định điện áp, thay thế cho các mạch analog truyền thống Công thức biến đổi của bộ Buck đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm năng lượng.
Sơ đồ biến đổi Boost chuyển đổi điện áp một chiều thành điện áp một chiều cao hơn, thường được sử dụng trong các thiết bị nguồn như di động và notebook với công suất nhỏ Công thức biến đổi này giúp tối ưu hóa hiệu suất năng lượng cho các thiết bị điện tử.
Bộ biến đổi Buck-Boost chuyển đổi điện áp một chiều thành điện áp một chiều với biên độ cao hơn hoặc thấp hơn so với điện áp đầu vào Công thức hoạt động của bộ biến đổi này rất quan trọng để hiểu cách thức điều chỉnh điện áp.
Bộ biến đổi Cuk chuyển đổi điện áp một chiều thành điện áp một chiều với biên độ thấp hơn hoặc cao hơn điện áp đầu vào Nó cung cấp công suất lớn hơn và tối ưu hóa khả năng sử dụng công suất nguồn.
Các sơ đồ biến đổi không cách li có công suất nhỏ phù hợp với mô hình trong luận văn nên được sử dụng.
Khóa K trong mạch bao gồm các loại điện tử như BJT, MOSFET và IGBT Mạch Buck có nhiệm vụ giảm điện áp đầu vào để nạp ắc quy Khóa MOSFET hoạt động với tần số cao, và hệ số làm việc D của khóa được tính theo công thức D = Ton x f.
Hình 2.6:Sơ đồ nguyên lý bộ giảm áp Buck
Bộ biến đổi Buck hoạt động bằng cách sử dụng điện cảm để điều chỉnh dòng điện Khi khóa đóng, điện áp giữa ngõ vào và ngõ ra làm tăng dòng điện trong điện cảm Khi khóa ngắt, điện cảm duy trì dòng điện, tạo ra điện áp cảm ứng đủ để diode phân cực thuận Lúc này, điện áp ngược dấu với khi khóa đóng, dẫn đến việc dòng điện qua điện cảm giảm dần Tụ điện ngõ ra giữ điện áp ổn định trong giới hạn cho phép Ở trạng thái xác lập, dòng điện qua điện cảm thay đổi tuần hoàn và duy trì tính liên tục Với điện cảm lý tưởng không tiêu thụ năng lượng, điện áp rơi trung bình trên điện cảm là 0, mặc dù dòng điện trung bình vẫn khác 0.
Chu kỳ chuyển mạch được ký hiệu là T, với T1 là thời gian đóng khóa và T2 là thời gian ngắt khóa, do đó T = T1 + T2 Giả sử rằng điện áp rơi trên diode và dao động điện áp ngõ ra là nhỏ so với giá trị điện áp ngõ vào và ngõ ra Khi đó, điện áp rơi trung bình trên điện cảm trong quá trình đóng khóa sẽ được xác định.
Còn điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi ngắt khóa (van) là
VL= −(T2/T)×Vout (2.4.2) Điều kiện điện áp rơi trung bình trên điện cảm bằng 0 có thể được biểu diễn: (T1/T)×(Vin − Vout) − (T2/T)×Vout = 0 (2.4.3) hay
Giá trị D = T1/T thường được gọi là chu kỳ nhiệm vụ (duty cycle)
D thay đổi từ 0 đến 1 (không bao gồm các giá trị 0 và 1)
Khi thiết kế bộ biến đổi buck, cần xác định rõ các yếu tố như phạm vi điện áp ngõ vào Vin, điện áp ngõ ra Vout, độ dao động điện áp ngõ ra cho phép, và dòng điện tải tối thiểu Iout,min Những thông số này giúp xác định giá trị điện cảm và tụ điện, tần số chuyển mạch cũng như phạm vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ, nhằm đảm bảo ổn định cho điện áp ngõ ra.
Phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào và giá trị điện áp ngõ ra xác định phạm vi thay đổi của chu kỳ công tác D:
Dmin = Vout/Vin,max, và Dmax = Vout/Vin,min (2.4.6)
Các bộ biến đổi Buck thường hoạt động ở chế độ dòng điện liên tục qua điện cảm Tại biên giới giữa chế độ dòng điện liên tục và gián đoạn, độ thay đổi dòng điện bằng 2 lần dòng điện tải Do đó, độ thay đổi dòng điện tối đa cho phép là 2 lần dòng điện tải tối thiểu Điện cảm cần đủ lớn để giới hạn độ thay đổi dòng điện ở mức này trong điều kiện xấu nhất, cụ thể là khi D = Dmin, vì thời gian giảm dòng điện là T2 với điện áp rơi không thay đổi là Vout.
(1 − Dmin)×T×Vout = Lmin×2×Iout,min (2.4.7)
Trong việc lựa chọn các thông số, hai yếu tố quan trọng cần xem xét là Lmin và T Nếu tần số chuyển mạch được chọn là nhỏ, tức là T có giá trị lớn (T = 1/f, với f là tần số chuyển mạch), thì giá trị của Lmin cũng cần phải lớn.
Khi dòng điện xoay chiều qua điện cảm, nó sẽ đi qua tụ điện ngõ ra, tạo ra điện áp dưới dạng các đoạn đa thức bậc hai trong một chu kỳ chuyển mạch Lượng điện tích nạp vào tụ điện khi dòng điện qua điện cảm lớn hơn dòng điện trung bình được tính bằng ΔI×T/8, và có thể biểu diễn qua điện dung và điện áp trên tụ điện là C×ΔV Ở đây, ΔI là biên độ của dòng điện xoay chiều, còn ΔV là độ thay đổi điện áp khi nạp và xả tụ Từ đó, chúng ta có thể xác định giá trị của tụ điện qua đẳng thức ΔI×T/8 = C×ΔV, trong đó ΔI là 2 lần dòng điện tải tối thiểu và T đã được xác định trước Giá trị C sẽ được chọn phù hợp dựa vào độ dao động điện áp ngõ ra cho phép ΔV.
Dạng sóng điện áp và dòng điện mạch Buck
Hình 2.7:Dạng sóng điện áp và dòng điện mạch Buck
Trong 3 loại bộ biến đổi DC/DC trên, bộ Buck được sử dụng nhiều trong hệ thống pin mặt trời nhất vì nhiều ưu điểm phù hợp với các đặc điểm của hệ pin mặt trời.
Bộ biến đổi Boost hoạt động bằng cách tăng dần dòng điện trong điện cảm khi khóa (van) đóng, và khi khóa ngắt, điện cảm duy trì dòng điện, tạo ra điện áp cảm ứng đủ để diode phân cực thuận Trong điều kiện làm việc bình thường, điện áp ngõ ra lớn hơn điện áp ngõ vào, với điện áp đặt vào điện cảm ngược dấu và có độ lớn bằng chênh lệch giữa điện áp ngõ ra và điện áp ngõ vào, cộng với điện áp rơi trên diode Dòng điện qua điện cảm giảm dần theo thời gian, trong khi tụ điện ngõ ra có giá trị đủ lớn để duy trì dao động điện áp trong giới hạn cho phép.
Hình 2.8 : Sơ đồ nguyên lý bộ tăng áp Boost
Bộ dò tìm công suất cực đại
2.5.1.Giới thiệu về MPPT (Maximum Power Point Tracker).
MPPT (Maximum Power Point Tracker) là phương pháp tối ưu hóa công suất của hệ thống năng lượng mặt trời thông qua việc điều khiển chu kỳ đóng mở của khoá điện tử trong bộ DC/DC Phương pháp này ngày càng phổ biến trong các hệ thống pin mặt trời độc lập và đang được áp dụng trong các hệ thống quang điện nối lưới MPPT hoạt động như một thiết bị điện tử công suất, kết nối nguồn điện PV với tải, giúp tăng cường công suất đầu ra từ pin mặt trời khi điều kiện làm việc thay đổi, từ đó nâng cao hiệu suất hoạt động của toàn hệ thống Thiết bị MPPT được kết hợp với bộ biến đổi DC/DC và một bộ điều khiển để tối ưu hóa hiệu suất.
Hình 2.10:Bộ điều khiển MPPT trong hệ thống pin mặt trời
Bộ điều khiển MPPT ngày càng chuyển sang sử dụng bộ điều khiển số thay vì bộ điều khiển tương tự truyền thống do nhiều ưu điểm vượt trội Bộ điều khiển số cho phép lập trình dễ dàng, giúp thực hiện các thuật toán cao cấp như mã hóa biểu thức một cách hiệu quả hơn so với thiết kế mạch điện tương tự Việc hiệu chỉnh cũng trở nên đơn giản hơn với bộ điều khiển số, không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và thời gian nhờ vào hoạt động rời rạc, mang lại trạng thái ổn định lâu hơn Hơn nữa, bộ điều khiển MPPT số không phụ thuộc vào dung sai của các bộ phận khác, vì các thuật toán được thực hiện qua phần mềm, giúp giữ cho các thông số ổn định hoặc dễ dàng thay đổi.
Bộ điều khiển số cho phép giảm số lượng linh kiện nhờ sử dụng một chip duy nhất để thực hiện nhiều nhiệm vụ khác nhau Nhiều bộ điều khiển số còn tích hợp bộ biến đổi A/D nhiều lần và nguồn tạo xung PWM, giúp điều khiển nhiều thiết bị chỉ với một bộ điều khiển Với những ưu điểm này, luận án sẽ lựa chọn phương pháp điều khiển số cho MPPT Thiết kế và mô phỏng MPPT sẽ được thực hiện ở chương 3, sử dụng bộ vi xử lý 16F887 và các thuật toán tương ứng.
Khi một tấm pin mặt trời (PV) được kết nối trực tiếp với một tải, điểm làm việc của tấm PV sẽ là giao điểm giữa đường đặc tính I-V của tấm và đường đặc tính I-V của tải Nếu tải là thuần trở, đường đặc tính của tải sẽ biểu diễn bằng một đường thẳng với độ dốc là 1/Rtai.
Hình 2.11:Tấm pin mặt trời mắc trực tiếp với tải thuần trở có giá trị thay đổi
Hình 2.12:Đường đặc tính làm việc của pin và tải thuần trở
Trở kháng của tải phụ thuộc vào điều kiện làm việc của pin, và điểm làm việc thường không ở mức công suất tối đa, dẫn đến việc không tạo ra công suất lớn nhất Hệ thống pin mặt trời thường gặp tình trạng quá tải khi phải bù đắp cho công suất thấp trong những ngày ánh sáng yếu kéo dài, như vào mùa đông Sự không tương thích giữa tải và các tấm pin mặt trời có thể gây ra quá tải và tổn hao trong toàn hệ thống Để khắc phục vấn đề này, phương pháp MPPT được áp dụng để duy trì điểm làm việc tại công suất tối đa, với khả năng xác định chính xác đến 97% điểm MPPT.
Phần này trình bày đặc tính làm việc I - V của mô-đun pin mặt trời và tải, nhấn mạnh sự tương thích giữa chúng Bên cạnh đó, bài viết cũng đề cập đến phương pháp điều khiển MPPT và ứng dụng của thuật toán MPPT trong việc điều khiển bộ biến đổi DC/DC trong hệ thống, đồng thời chỉ ra những giới hạn của phương pháp MPPT.
2.5.2 Nguyên lý dung hợp tải
Khi pin mặt trời (PV) được kết nối trực tiếp với một tải, điểm làm việc của pin sẽ được xác định bởi đặc tính của tải đó Điện trở của tải có thể được tính toán theo công thức cụ thể.
Trong đó VO điện áp ra ,IO dòng điện ra
Tốiưu PV được tính theo:
Trong đó: VMPPvà IMPP là điện áp và dòng điện tại điểm công suất cực đại
Khi giá trị tải lớn nhất tương ứng với giá trị Ropt, công suất truyền từ PV đến tải đạt mức tối đa Tuy nhiên, tình huống này thường không xảy ra trong thực tế Mục tiêu của MPPT là điều chỉnh trở kháng của tải để phù hợp với trở kháng tối ưu.
PV Dưới đây là ví dụ của việc dung hợp tải sử dụng mạch Boost
Trong một bộ biến đổi lý tưởng, công suất trung bình do nguồn cung cấp cần phải tương đương với công suất trung bình mà tải hấp thụ.
Từ 2 câu thức (2.5.2.3) và (2.5.2.4) ta có
Rin=Vin/Iin=(1-D) 2 Vout/Iout=(1-D) 2 Rload (2.5.2.6)
Hình 2.13:Tổng trở vào R in được điều chỉnh bằng D
Từ hình vẽ 2.13, trở kháng do PV tạo ra là trở kháng vào Rincho bộ biến đổi Bằng cách điều chỉnh tỉ lệ làm việc D, giá trị của Rin có thể được điều chỉnh để phù hợp với Ropt.
Trở kháng của tải không cần quá lo lắng, miễn là tỉ lệ làm việc của khoá điện tử trong bộ biến đổi được điều chỉnh đúng cách.
2.5.3.Thuật toán xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất MPPT
Trong suốt cả ngày, điểm công suất cực đại của pin quang điện thay đổi tùy thuộc vào điều kiện thời tiết và nhiệt độ, do đó không thể xác định chính xác dựa trên đồ thị đặc tính I-V Ví dụ, hình 2.14 minh họa đặc tính I-V của pin quang điện trong các điều kiện khác nhau.
V của pin ứng với các mức bức xạ tăng dần ở nhiệt độ không đổi 25 o C
Hình 2.14: Đặc tính I-V ứng với bức xạ thay đổi và quỹ đạo của các điểm công suất cực đại (25 o C)
Trong khi hình 2.15 mô tả đặc tính I-V của pin ứng với các mức bức xạ tăng dần ở nhiệt độ không đổi 50 o C
Hình 2.15:Đặc tính I-V ứng với bức xạ thay đổi và quỹ đạo của điểm công suất cực đại (50 0 C)
Dựa trên hai hình vẽ, có thể thấy sự dịch chuyển điện áp tại vị trí điểm MPP Do đó, cần áp dụng thuật toán để xác định điểm MPP, và thuật toán này đóng vai trò trung tâm trong bộ điều khiển MPPT.
Thuật toán MPPT là một thành phần quan trọng trong hệ thống năng lượng mặt trời (PV), nhằm tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của dãy pin mặt trời Thuật toán này được tích hợp trong bộ điều khiển của bộ biến đổi DC/DC, giúp điều chỉnh các tham số như dòng điện và điện áp của pin mặt trời, cũng như dòng ra và điện áp ra của bộ biến đổi Việc áp dụng MPPT không chỉ nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng mà còn góp phần vào sự phát triển bền vững của hệ thống năng lượng tái tạo.
Các thuật toán được đánh giá dựa trên các tiêu chí như hiệu quả định điểm với công suất tối đa, số lượng cảm biến sử dụng, độ phức tạp của hệ thống và tốc độ biến đổi.
Bộ ổn áp DC/DC Converter
Các loại tải một chiều hoạt động ổn định nhất khi được cung cấp nguồn điện ổn định Tuy nhiên, nguồn năng lượng từ ắc-quy thường không ổn định, với điện áp của ắc-quy 12V thay đổi từ 10.5V đến 13.8V trong quá trình xả và sạc Để đảm bảo tải DC hoạt động ổn định, cần sử dụng bộ ổn áp có điện áp ra cố định, bất chấp sự sụt giảm điện áp trên ắc-quy Bộ ổn áp có hai dạng: ổn áp theo phương pháp Analog và Digital (điều khiển xung PWM) Trong nghiên cứu này, phương pháp PWM được lựa chọn do hiệu suất vượt trội so với phương pháp Analog.
Nguồn năng lượng từ Ắc-quy cung cấp điện cho các thiết bị 12VDC như đèn, quạt và bộ Inverter, cho phép sử dụng trực tiếp nguồn 12VDC từ Ắc-quy Bên cạnh đó, còn nhiều thiết bị khác cũng có thể sử dụng nguồn này.
DC như đèn LED, nguồn từ cổng USB dùng để sạc các thiết bị di động… sử dụng nguồn 5VDC.
Pin mặt trời
Vật liệu chính để sản xuất pin mặt trời là silic bán dẫn tinh khiết Trong trạng thái tinh khiết, silic có số lượng electron và lỗ trống (hole) bằng nhau, tạo ra đặc tính bán dẫn hiệu quả.
Pin mặt trời, hay còn gọi là pin quang điện, được cấu tạo từ một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n, cho phép chuyển đổi trực tiếp năng lượng bức xạ từ Mặt Trời thành điện năng thông qua hiệu ứng quang điện.
Hình 2.21:Cấu tạo pin năng lượng mặt trời
2.7.2 Nguyên lý hoạt động của pin
Nguyên lý hoạt động của pin được thể hiện ở hình bên dưới
Hình 2.22:Nguyên lý hoạt động của pin
Xét một hệ hai mức năng lượng điện tử với E1 < E2, trong đó điện tử thường chiếm mức năng lượng thấp hơn E1 Khi nhận bức xạ Mặt Trời, photon có năng lượng hv (h là hằng số Planck, v là vận tốc ánh sáng) được điện tử hấp thụ, dẫn đến việc chuyển lên mức năng lượng E2 Điều này thể hiện qua phương trình cân bằng năng lượng.
Hình 2.23:Hệ hai mức năng lượng
Trong các vật thể rắn, sự tương tác mạnh mẽ của mạng tinh thể với các điện tử vòng ngoài dẫn đến việc tách các mức năng lượng thành nhiều mức gần nhau, hình thành các vùng năng lượng đặc trưng.
Hình 2.24:Các vùng năng lượng
Vùng năng lượng thấp được điện tử chiếm đầy ở trạng thái cân bằng gọi là vùng hóa trị, với mức năng lượng Ev Phía trên là vùng dẫn, hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần, có mức năng lượng Ec Giữa hai vùng này là vùng cấp, có độ rộng Eg, không có mức năng lượng cho phép nào của điện tử Khi hấp thụ bức xạ Mặt Trời, photon có năng lượng hv được điện tử ở vùng hóa trị hấp thu, cho phép chúng chuyển lên vùng dẫn và trở thành điện tử tự do e-, để lại một lỗ trống ở vùng hóa trị, được ký hiệu là h+, như một hạt mang điện dương.
Lỗ trống này có thể di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện.
Hiệu ứng lượng tử của quá trình hấp thụ photon có thể mô tả bằng phương trình:
Điều kiện để điện tử hấp thụ năng lượng từ photon và chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử và lỗ trống, là quá trình E v + hv → e - + h.
