TỔNG QUAN
Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu
1.1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu
Các nguồn năng lượng hóa thạch chủ yếu gây ô nhiễm môi trường và đang dần cạn kiệt, góp phần làm trái đất ấm lên và ảnh hưởng đến hệ sinh thái Do đó, việc tìm kiếm nguồn năng lượng sạch và vô tận trở thành ưu tiên hàng đầu Năng lượng mặt trời và năng lượng gió đáp ứng được yêu cầu này, tuy nhiên, công suất vẫn chưa lớn và chi phí còn cao.
Nghiên cứu và ứng dụng năng lượng mặt trời đang thu hút sự chú ý lớn nhờ vào tính ưu việt như nguồn năng lượng sạch, luôn có sẵn và gần như vô tận Tuy nhiên, việc sử dụng năng lượng mặt trời một cách hiệu quả vẫn là thách thức lớn, đặc biệt liên quan đến giá thành và hiệu suất chuyển đổi năng lượng của pin mặt trời Trong những năm gần đây, hoạt động nghiên cứu năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời, đã phát triển mạnh mẽ tại Việt Nam Đặc biệt, ở những vùng hải đảo như Kiên Giang, nhu cầu sử dụng năng lượng mặt trời ngày càng gia tăng, đòi hỏi cải thiện hiệu suất sử dụng pin năng lượng mặt trời thông qua việc dò công suất cực đại để đảm bảo hoạt động ở điều kiện tối ưu Nội dung nghiên cứu này tập trung vào việc đạt được giá trị công suất cực đại cho pin năng lượng mặt trời.
Pin năng lượng mặt trời, hay còn gọi là pin quang điện, là một thiết bị bán dẫn được trang bị nhiều cảm biến ánh sáng, hay còn gọi là điốt quang Chức năng chính của nó là chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện thông qua hiệu ứng quang điện.
Pin năng lượng mặt trời có nhiều ứng dụng thực tiễn, đặc biệt hữu ích ở những vùng khó tiếp cận điện lưới như vùng núi cao và hải đảo Chúng được sử dụng cho các thiết bị như vệ tinh, laptop, điện thoại di động và máy bơm nước Các pin này được thiết kế thành các modul và ghép lại tạo thành tấm năng lượng mặt trời lớn, thường được lắp đặt trên nóc tòa nhà để tối ưu hóa ánh sáng nhận được và kết nối với mạng lưới điện Hiện nay, các tấm pin mặt trời lớn còn được trang bị bộ phận tự động điều khiển, cho phép chúng xoay theo hướng ánh sáng mặt trời, giống như cây xanh.
Bộ ắc-quy là thiết bị lưu trữ điện quan trọng cho hệ thống năng lượng mặt trời, cho phép sử dụng điện vào ban đêm hoặc khi trời ít nắng Có nhiều loại ắc-quy với kích thước và dung lượng khác nhau, phù hợp với công suất của hệ thống pin mặt trời; hệ thống lớn cần ắc-quy dung lượng cao hoặc nhiều ắc-quy kết nối Đề tài này cung cấp cái nhìn tổng quan về năng lượng mặt trời và phương pháp tối ưu hóa thu năng lượng thông qua bộ điều khiển PID, đồng thời khảo sát các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời cho hộ gia đình Nhiều phương pháp điều khiển đã được phát triển để tìm điểm công suất cực đại của hệ thống pin mặt trời, mỗi phương pháp có ưu điểm và hạn chế riêng Tác giả thử nghiệm bộ PID để dò tìm điểm công suất cực đại và đánh giá hệ thống MPPT cho năng lượng mặt trời hoạt động độc lập.
Giải thuật PID, hay bộ điều khiển tỉ lệ vi tích phân, là một phương pháp điều khiển cơ bản và phổ biến trong các hệ thống điều khiển công nghiệp, hoạt động dựa trên cơ chế phản hồi.
Bộ điều khiển PID sẽ tính toán sai số bằng cách lấy hiệu số giữa giá trị đo được và giá trị mong muốn, từ đó cho phép điều chỉnh nguồn năng lượng khi cường độ ánh sáng thay đổi.
Giải thuật PID khắc phục nhược điểm của giải thuật P&O truyền thống và có những ưu điểm nổi bật so với P&O cải tiến Bộ điều khiển PID bao gồm ba thông số riêng biệt: tỉ lệ (P), tích phân (I) và đạo hàm (D) Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại, trong khi giá trị tích phân liên quan đến tổng các sai số quá khứ và giá trị vi phân dự đoán sai số tương lai dựa trên tốc độ thay đổi hiện tại Nhờ vào việc điều chỉnh ba hằng số này, bộ điều khiển PID có thể đáp ứng các thiết kế yêu cầu đặc biệt Phương pháp xác định thông số PID qua thực nghiệm đơn giản và trực quan, chỉ cần ít thông tin về hàm truyền đạt Tuy nhiên, đối với những ứng dụng yêu cầu chất lượng cao, các thông số này cần được điều chỉnh để đạt được hiệu quả như mong muốn.
So với nhiều phương pháp thực nghiệm, việc xác định các thông số cho bộ điều khiển PID thường tốn nhiều thời gian hơn Trong quá trình thực hiện bộ điều khiển PID, có ba kỹ thuật thích nghi chính được áp dụng để tối ưu hóa hiệu suất.
Điều khiển thích nghi là một hệ thống điều khiển mà các thông số của nó được điều chỉnh liên tục để thích ứng với sự thay đổi trong quá trình hoạt động và ảnh hưởng của nhiễu.
Tự chỉnh (Self tuning) là quá trình điều chỉnh bộ điều khiển tự động theo yêu cầu của người sử dụng thông qua việc tính toán các thông số của bộ điều khiển PID Quá trình tự chỉnh bao gồm ba bước chính: tạo nhiễu quá trình, đánh giá đáp ứng nhiễu và tính toán các thông số của bộ điều khiển.
Quy trình điều khiển bao gồm việc xây dựng một bảng danh mục các điều kiện vận hành, từ đó cho phép điều chỉnh nhanh chóng các thông số của bộ điều khiển theo từng điều kiện cụ thể.
1.1.2 Các kết quả nghiên cứu có liên quan
Trên thế giới và trong nước đã có nhiều nghiên cứu về hệ thống pin mặt trời, chủ yếu trong các lĩnh vực sau:
* Mô phỏng theo dõi điểm công suất tối đa của hệ thống PV dựa trên điều khiển Fuzzy Logic[7].
Bài viết này giới thiệu phương pháp tìm điểm công suất tối đa (MPPT) cho hệ thống năng lượng mặt trời (PV) dựa trên lý thuyết Fuzzy Logic Nghiên cứu tập trung vào việc quan sát và tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống PV, nhằm nâng cao khả năng thu nhận năng lượng trong điều kiện biến đổi của môi trường.
Nghiên cứu so sánh thuật toán với bộ điều khiển logic mờ trong việc mô phỏng bộ điều khiển MPPT cho bộ chuyển đổi DC/DC Cuk Kết quả cho thấy rằng việc áp dụng bộ điều khiển Fuzzy Logic MPPT trong hệ thống năng lượng mặt trời (PV) là hợp lý và hiệu quả.
* Toán học Mô hình hóa và mô phỏng kỹ thuật số của PV Solar Panel sử dụng phần mềm MATLAB – MBOUMBOUE [21].
Bài báo khoa học này trình bày một phương pháp đơn giản để mô hình hóa và mô phỏng các tấm quang điện bằng phần mềm MATLAB Phương pháp này nhằm xác định các đặc trưng của tấm pin mặt trời và nghiên cứu ảnh hưởng của bức xạ mặt trời ở các nhiệt độ khác nhau đến hiệu suất của tế bào quang điện.
* Advanced Fuzzy MPPT Controller for a stand-alone PV system [22]
Mục tiêu của đề tài
Đề tài nghiên cứu các phương pháp xác định điểm làm việc cực đại của pin mặt trời, nhằm tối ưu hóa hiệu suất hoạt động Trên đặc tuyến của pin mặt trời, có một điểm vận hành tối ưu cần được xác định để nâng cao hiệu quả năng lượng.
Điểm vận hành tối ưu (MPP) của pin mặt trời là yếu tố quan trọng để đạt công suất tối đa, nhưng nó không cố định và thay đổi theo bức xạ mặt trời và nhiệt độ Việc xác định MPP là cần thiết để đảm bảo các mô đun pin mặt trời hoạt động trong điều kiện tối ưu nhất, từ đó nâng cao hiệu suất của hệ thống năng lượng mặt trời.
Mục tiêu của nghiên cứu là tối ưu hóa công suất chuyển từ hệ thống quang điện bằng cách xác định điểm công suất lớn nhất Đề tài phát triển giải thuật điều khiển MPPT để sạc hiệu quả cho hệ thống pin năng lượng mặt trời Phương pháp điều khiển PID được áp dụng để tìm điểm công suất tối ưu cho hệ thống pin mặt trời, nhằm cung cấp điện cho tải DC trong điều kiện môi trường thay đổi như nhiệt độ và bức xạ, đồng thời đảm bảo chi phí thấp.
Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài
- Xây dựng mô hình pin mặt trời, phân tích các đặc tính I-V, P-V của pin mặt trời
- Phân tích sự phụ thuộc các đặc tính của pin năng lượng dưới các điều kiện năng lượng thay đổi
- Phân tích tính cần thiết của điểm làm việc cực đại của pin năng lượng
- Ứng dụng Matlab/Simulink nghiên cứu xây dựng mô hình pin năng lượng, xây dựng giải thuật dò tìm điểm làm việc cực đại bằng PID
- Phân tích kết quả nghiên cứu của đề tài
Phương pháp nghiên cứu
- Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu
- Nghiên cứu các mô hình toán học của pin năng lượng
- Nghiên cứu các đặc tuyến làm việc của pin năng lượng
- Nghiên cứu các bài báo về ứng dụng các phương pháp điều khiển PID
- Xây dựng mô hình mô phỏng Pin năng lượng và giải thuật MPPT bằng bộ PID
- Phân tích các kết quả nhận được và các kiến nghị
Tính mới của đề tài
- Mô phỏng trên phần mềm Matlab, phương pháp PID điều khiển dò tìm điểm cực đại của Pin năng lượng.
Giá trị thực tiễn của đề tài
- Nghiên cứu làm tài liệu giảng dạy cho sinh viên chuyên ngành Điện công nghiệp tại trường Cao đẳng Nghề Kiên Giang
- Ứng dụng thiết kế đưa vào sử dụng bộ điều khiển PID dò tìm điểm cực đại của Pin năng lượng mặt trời đang sử dụng tại Kiên Giang.
Nội dung của đề tài
Chương 2: Cơ sở lý thuyết năng lượng mặt trời và các bộ biến đổi năng lượng Chương 3: Bộ điều khiển PID
Chương 4: Mô phỏng hệ thống Pin năng lượng sử dụng bộ điều khiển PID Chương 5: Tính toán thực nghiệm hệ thống Pin năng lượng mặt trời
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển
CƠ SỞ LÝ THUYẾT NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG
CƠ SỞ LÝ THUYẾT NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ
CÁC BỘ BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG
2.1 Công nghệ điện mặt trời
Công nghệ nhiệt mặt trời chuyển đổi năng lượng bức xạ mặt trời thành nhiệt năng thông qua bộ thu hội tụ và bộ dõi theo mặt trời Đối với các bộ thu không yêu cầu độ hội tụ cao, việc điều chỉnh chỉ cần thực hiện vài lần trong ngày và có thể làm bằng tay Tuy nhiên, các bộ thu yêu cầu độ hội tụ cao cần điều chỉnh liên tục để tối ưu hóa hiệu suất Phần lớn các bộ hội tụ này là máng parabol, nơi các tia sáng mặt trời được hội tụ tại đường tiêu điểm.
2.1.1 Công nghệ nhiệt mặt trời nhiệt độ thấp
Công nghệ mặt trời nhiệt độ thấp dựa trên hiện tượng hiệu ứng nhà kính Kính dùng trong hiệu ứng nhà kính có tính chất sau:
- Cho ánh sáng có bước sóng λ < 0,8 μm qua dễ dàng, ngăn không cho ánh sáng có λ > 0,8 μm
- Khoảng hơn 70% năng lượng mặt trời tập trung ở vùng phổ λ < 0,8 μm
Hộp thu năng lượng mặt trời hiệu ứng nhà kính
Hình 2.1:Hộp thu năng lượng mặt trời hiệu ứng nhà kính
Các tia bức xạ mặt trời có bước sóng nhỏ hơn 0,8 μm có khả năng xuyên qua tấm kính Khi các tia mặt trời chiếu tới tấm hấp thụ, chúng bị hấp thụ và chuyển hóa thành nhiệt Tấm hấp thụ sau đó nóng lên và phát ra các tia sóng dài có bước sóng lớn hơn 0,8 μm, nhưng bị kính ngăn lại.
Năng lượng mặt trời được hấp thụ vào trong hộp và không thể thoát ra, khiến cho hộp hoạt động như một "bẫy nhiệt" Khi năng lượng mặt trời tích tụ, nhiệt độ của tấm hấp thụ và không khí bên trong hộp tăng lên hàng trăm độ, tạo ra hiện tượng hiệu ứng nhà kính.
2.1.2 Công nghệ nhiệt mặt trời nhiệt độ cao
Nguyên lý hoạt động của thiết bị hội tụ bức xạ mặt trời là tập trung năng lượng từ một diện tích lớn vào một khu vực nhỏ, từ đó gia tăng mật độ năng lượng và làm tăng nhiệt độ lên hàng trăm hoặc thậm chí hàng nghìn độ C.
Các thiết bị hội tụ:
- Các gương phẳng phản xạ hội tụ
Hình 2.2 :Nhà máy nhiệt điện mặt trời sử dụng đĩa parapol
Hình 2.3: Nhà máy nhiệt điện mặt trời sử máng parapol 2.2 Hệ thống pin mặt trời
Hệ pin mặt trời (hệ PV - Photovoltaic System) hiện nay bao gồm hai loại: hệ PV hoạt động độc lập và hệ PV kết nối lưới Tuy nhiên, trong nghiên cứu này, chúng tôi sẽ tập trung vào hệ PV hoạt động độc lập.
Hệ PV độc lập thường được áp dụng tại các khu vực hẻo lánh, nơi mà lưới điện chưa phát triển Sơ đồ khối của hệ thống này thể hiện cấu trúc và cách thức hoạt động của nó.
Hình 2.4: Sơ đồ khối hệ quang điện làm việc độc lập
Hệ PV làm việc độc lập gồm có 2 thành phần chính là: Thành phần lưu giữ năng lượng và các bộ biến đổi bán dẫn
2.2.1 Thành phần lưu trữ năng lượng
Hệ quang điện hoạt động độc lập cần có hệ thống lưu trữ điện năng để cung cấp điện cho tải trong các thời điểm thiếu ánh sáng, như vào ban đêm hoặc khi trời nhiều mây.
Có nhiều phương pháp lưu trữ năng lượng trong hệ PV Phổ biến nhất vẫn là sử
Ắc quy là thiết bị quan trọng để lưu trữ năng lượng, và việc sử dụng bộ điều khiển nạp là cần thiết để bảo vệ cũng như kéo dài tuổi thọ của ắc quy.
2.2.2 Các bộ biến đổi bán dẫn trong hệ thống Pin mặt trời làm việc độc lập
Bộ điều khiển nạp Ắc-quy năng lượng mặt trời là thiết bị trung gian quan trọng giữa các tấm pin mặt trời và bình Ắc-quy lưu trữ Nhiệm vụ chính của nó là điều khiển quá trình sạc Ắc-quy từ nguồn điện do pin mặt trời sản sinh, đảm bảo hiệu quả và an toàn cho hệ thống năng lượng.
Bảo vệ bình ắc quy là rất quan trọng để đảm bảo tuổi thọ của thiết bị Khi bình ắc quy đạt mức đầy (ví dụ: 23.8V - 24V đối với ắc quy 24V), bộ điều khiển sẽ ngăn không cho nguồn điện tiếp tục nạp, tránh tình trạng sôi bình Ngược lại, khi bình gần cạn đến mức nguy hiểm (ví dụ: 18.5V đối với ắc quy 24V), bộ điều khiển sẽ tự động ngắt tải để bảo vệ bình không bị kiệt, từ đó duy trì hiệu suất và độ bền của ắc quy.
Để bảo vệ tấm pin mặt trời, cần hiểu rằng dòng điện sẽ chảy từ nơi có điện áp cao sang nơi có điện áp thấp Vào ban ngày, khi có ánh nắng, điện áp của tấm pin mặt trời loại 24V có thể đạt được mức tối ưu.
Khi điện áp của pin mặt trời từ 25 đến 30V, cao hơn điện áp của ắc quy, dòng điện sẽ chảy từ pin xuống ắc quy Tuy nhiên, vào ban đêm, khi không có ánh nắng, điện áp của pin giảm xuống dưới điện áp của ắc quy, khiến dòng điện chảy ngược từ ắc quy lên tấm pin, gây tổn hại và giảm hiệu suất của tấm pin theo thời gian Do đó, bộ điều khiển được thiết kế để ngăn chặn dòng điện chảy ngược lên tấm pin, bảo vệ tấm pin khỏi hư hỏng.
Điều khiển sạc giúp tối ưu hóa hiệu suất của tấm pin mặt trời bằng cách đảm bảo công suất sạc đạt cực đại Pmax Các bộ điều khiển sạc truyền thống chỉ thực hiện chức năng đóng cắt khi bình ắc quy đầy hoặc cạn, trong khi các thiết bị hiện đại sử dụng phương pháp điều khiển PWM (Pulse - Width - Modulation) để ổn định điện áp sạc Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm là làm hao phí khoảng 20% lượng điện sạc từ tấm pin mặt trời.
Hình 2.5: Biểu đồ so sánh bộ điều khiển sạc thông thường và bộ điều khiển sạc điều khiển MPP
Các bộ điều khiển sạc hiện đại áp dụng phương pháp điều rộng xung không hao phí, tích hợp bộ vi xử lý và thiết bị đo để xác định điểm công suất cực đại (MPP) Pmax, nhằm tối ưu hóa quá trình sạc cho ắc-quy Công suất cực đại được minh họa bằng diện tích hình chữ nhật màu xám trong hình dưới đây.
Phương pháp sạc xung là giải pháp tối ưu giúp kéo dài tuổi thọ của ắc quy Hiện nay, công nghệ này được áp dụng rộng rãi trong việc sạc laptop và điện thoại, mang lại hiệu quả cao trong việc nâng cao tuổi thọ pin.
