TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÌM ĐIỂM CỰC ĐẠI CỦA PIN MẶT TRỜI
CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO
Năng lượng tái tạo, hay năng lượng tái sinh, là nguồn năng lượng vô hạn từ các yếu tố tự nhiên như mặt trời, gió, mưa, thủy triều, song và địa nhiệt Nguyên tắc sử dụng năng lượng tái tạo là khai thác năng lượng từ các quy trình diễn ra liên tục trong môi trường, chủ yếu từ ánh sáng mặt trời, và áp dụng vào các công nghệ kỹ thuật Năng lượng tái tạo đang dần thay thế các nguồn năng lượng truyền thống trong bốn lĩnh vực chính: phát điện, đun nước nóng, nhiên liệu động cơ, và hệ thống điện độc lập cho nông thôn.
Năng lượng tái tạo được hiểu là những nguồn năng lượng hoặc phương pháp khai thác năng lượng mà theo tiêu chuẩn của con người là vô hạn Vô hạn có thể được hiểu theo hai nghĩa: một là năng lượng tồn tại với số lượng lớn đến mức không thể cạn kiệt do sự sử dụng của con người, như năng lượng mặt trời; hai là năng lượng tự tái tạo nhanh chóng và liên tục, như năng lượng sinh khối, trong các quy trình diễn ra trong thời gian dài trên Trái Đất.
Năng lượng, theo quan điểm vật lý, không thể tái tạo mà chủ yếu được cung cấp từ Mặt Trời, sau đó được chuyển đổi thành các dạng năng lượng khác nhau Tùy thuộc vào từng tình huống, năng lượng này có thể được sử dụng ngay lập tức hoặc được lưu trữ tạm thời.
Khái niệm "tái tạo" thường được hiểu là các chu kỳ tái tạo ngắn hơn so với thời gian của con người, như khí sinh học so với năng lượng hóa thạch Mặt Trời được xem là nguồn năng lượng gần như vô tận, cung cấp năng lượng liên tục cho nhiều quy trình trong bầu sinh quyển Trái Đất Những quy trình này không chỉ cung cấp năng lượng cho con người mà còn tạo ra nguyên liệu tái tăng trưởng Con người đã khai thác luồng gió, dòng nước và nhiệt lượng từ Mặt Trời trong quá khứ, trong đó sức nước trở thành nguồn năng lượng quan trọng nhất trong thời đại công nghiệp, cả về mặt kỹ thuật và chi phí sinh thái.
Ngược lại với việc sử dụng các quy trình năng lượng bền vững, việc khai thác than đá và dầu mỏ hiện nay diễn ra nhanh hơn so với tốc độ tái tạo của chúng Theo định nghĩa về năng lượng "vô tận", phản ứng tổng hợp hạt nhân (nhiệt hạch) và phản ứng phân rã hạt nhân (phân hạch) với các lò phản ứng tái sinh đều có tiềm năng trở thành nguồn năng lượng tái tạo Mặc dù thường không được coi là năng lượng tái tạo, nhưng khi năng lượng tiêu tốn trong quá trình khai thác uranium hay thorium được kiểm soát ở mức thấp, chúng có thể đóng góp vào nguồn năng lượng bền vững trong tương lai.
1.1.2 Phân biệt năng lượng tái tạo và năng lượng không tái tạo Được sử dụng ngày càng nhiều để thay thế năng lượng không tái tạo trong tương lai, vậy 2 nguồn năng lượng này có sự giống và khác nhau là:
Cả hai đều được sử dụng để cung cấp năng lượng cho nhu cầu của con người và không tự chuyển hóa thành năng lượng mà cần có tác động từ các yếu tố như nhiệt độ và áp suất.
Có thể tái tạo được
Khi chuyển thành năng lượng ít gây hại cho môi trường
Để thu nhận năng lượng hiệu quả, cần sử dụng các dụng cụ khoa học kỹ thuật hiện đại Tuy nhiên, việc đầu tư vào cơ sở vật chất và chi phí sử dụng là khá cao.
- Năng lượng không tái tạo:
Không tái tạo, sử dụng bao nhiêu hao mòn từng ấy
Trong quá trình biến đổi thành năng lượng có thể gây hại cho môi trường Chi phí sử dụng cơ sở vật chất vừa phải
1.1.3 Ưu , nhược điểm của năng lượng tái tạo
Có thể tái tạo được
Có thể sử dụng được tại nhiều địa hình, khu vực khác nhau
Nguồn cung bền vững và vô tận Ít gây hại cho môi trường
Không gây tiếng ồn khi khai thác
Công nghệ sử dụng tiên tiến
Chi phí sử dụng cao
Không ổn định do điều kiện tự nhiên không ổn định
Chi phí lưu trữ năng lượng cao
Vẫn gây ô nhiễm môi trường dù rất ít
Sử dụng nhiều thành phần đắt tiền và quý hiếm
Mật độ năng lượng thấp nên công suất trung bình thường thấp hơn so với các nguyên liệu hóa thạch hay không tái tạo
1.1.4 Sự cần thiết phát triển năng lượng tái tạo
Trong quá trình phát triển, an toàn năng lượng luôn được các quốc gia đặt lên hàng đầu Sự gia tăng kinh tế và đời sống nhân dân kéo theo nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng cao Hiện nay, các nguồn năng lượng chủ yếu bao gồm dầu, than đá và khí gas.
Sự khai thác mạnh mẽ nguồn năng lượng hóa thạch không tái tạo đang dẫn đến nguy cơ mất an ninh năng lượng ở nhiều quốc gia Do đó, việc phát triển và sử dụng năng lượng tái tạo đang trở thành một ưu tiên hàng đầu cho các quốc gia trên toàn thế giới.
Năng lượng tái tạo có khả năng cung cấp điện ngoài lưới với chi phí thấp, góp phần tăng cường an ninh năng lượng Đầu tư phát triển đúng hướng vào nguồn năng lượng này sẽ giúp giải quyết các vấn đề về năng lượng, khai thác hợp lý tài nguyên thiên nhiên, bảo vệ môi trường và thúc đẩy phát triển kinh tế bền vững.
Vì vậy phát triển năng lượng tái tạo là hết sức cần thiết
1.1.5 Sự phát triển năng lượng tái tạo trên thế giới
Hiện nay, nhiều quốc gia như Trung Quốc, Đức và Nhật Bản đang đẩy mạnh phát triển và ứng dụng năng lượng tái tạo Nguyên nhân chủ yếu là do nguồn năng lượng truyền thống như than, dầu và khí đốt đang dần cạn kiệt, giá cả biến động và chịu ảnh hưởng từ chính trị Hơn nữa, việc sử dụng năng lượng truyền thống còn dẫn đến phát thải khí nhà kính, góp phần vào hiệu ứng nóng lên toàn cầu.
Thế giới đang đối mặt với sự kết thúc của thời đại "vàng đen" giá rẻ, khi giá dầu mỏ trên thị trường quốc tế liên tục tăng cao với tốc độ chóng mặt, lập nên nhiều kỷ lục mới Tình hình này không có dấu hiệu sẽ sớm chấm dứt, khiến nhiều quốc gia phải xem xét các phương án tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế.
Để giảm bớt sự phụ thuộc vào dầu mỏ, khí đốt và than đá, các quốc gia dự kiến sẽ đạt được từ 5% đến 30% sản lượng điện năng từ các nguồn tái tạo như thủy điện, năng lượng mặt trời, gió và sinh khối vào năm 2010.
Các quốc gia có kế hoạch năng lượng tái tạo đầy tham vọng nhất bao gồm Áo, dự kiến sẽ đáp ứng 78% nhu cầu nhiên liệu vào năm 2010, Thụy Điển với 60% và Latvia đạt 49,3% Nguồn điện xanh chủ yếu hiện nay là từ năng lượng gió, với sản lượng toàn cầu tăng 28% trong năm 2007, đạt 95 gigawatt Năng lượng mặt trời là lĩnh vực phát triển nhanh nhất, với tỷ lệ tăng trưởng 50% trong năm 2007, đạt 7,7 gigawatt.
CÁC DẠNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO
Năng lượng địa nhiệt là nguồn năng lượng được khai thác từ nhiệt độ bên trong Trái Đất, xuất phát từ quá trình hình thành hành tinh, sự phân hủy phóng xạ của khoáng vật, và năng lượng mặt trời được hấp thụ tại bề mặt.
Năng lượng địa nhiệt, đã được sử dụng từ thời La Mã cổ đại cho mục đích nung và tắm, hiện nay chủ yếu được áp dụng để phát điện Đến năm 2007, thế giới đã lắp đặt khoảng 10 GW công suất điện địa nhiệt, đáp ứng 0,3% nhu cầu điện toàn cầu Ngoài ra, có 28 GW công suất nhiệt địa nhiệt trực tiếp được sử dụng cho sưởi ấm, spa, quy trình công nghiệp, lọc nước biển và nông nghiệp ở nhiều khu vực khác nhau.
Khai thác năng lượng địa nhiệt là một giải pháp kinh tế, khả thi và thân thiện với môi trường, mặc dù trước đây bị hạn chế về mặt địa lý Tuy nhiên, nhờ vào những tiến bộ khoa học kỹ thuật, phạm vi và quy mô của nguồn tài nguyên này đã được mở rộng, đặc biệt trong các ứng dụng trực tiếp như sưởi ấm hộ gia đình Mặc dù các giếng địa nhiệt có thể giải phóng khí thải nhà kính từ lòng đất, nhưng mức phát thải này thấp hơn nhiều so với việc đốt nhiên liệu hóa thạch Công nghệ địa nhiệt có tiềm năng giảm thiểu sự nóng lên toàn cầu nếu được triển khai rộng rãi.
Năng lượng thuỷ triều, hay còn gọi là điện thuỷ triều, là một loại thủy năng có khả năng chuyển đổi năng lượng từ thuỷ triều thành điện năng và các dạng năng lượng hữu ích khác.
Mặc dù năng lượng thuỷ triều chưa phổ biến, nhưng nó có tiềm năng lớn cho sản xuất điện trong tương lai nhờ tính dễ dự đoán hơn so với gió và mặt trời Chi phí triển khai năng lượng thuỷ triều hiện vẫn cao và chỉ khả thi ở những vùng có thuỷ triều mạnh Tuy nhiên, với sự phát triển công nghệ như năng lượng thuỷ triều động và các loại tua bin mới, tổng công suất có thể vượt xa dự đoán trước đây, giúp giảm chi phí kinh tế và môi trường xuống mức cạnh tranh Lịch sử cho thấy, cối xoay thuỷ triều đã được áp dụng ở Châu Âu và Bắc Mỹ từ thời Trung Cổ, sử dụng dòng nước để tạo ra năng lượng cơ học cho việc nghiền hạt, và việc sử dụng dòng chảy để phát điện đã bắt đầu từ thế kỷ 19.
Nhà máy thủy điện quy mô lớn đầu tiên trên thế giới là trạm điện thủy triều Rance ở Pháp, hoạt động từ năm 1966 Đây là trạm thủy triều lớn nhất về sản lượng cho đến khi trạm thủy điện Sihwa Lake tại Hàn Quốc được khánh thành vào tháng 8 năm 2011 Trạm Sihwa sử dụng các đê chắn biển hoàn chỉnh với 10 tuabin, sản xuất công suất lên đến 254 MW.
Năng lượng gió, một dạng động năng của không khí trong bầu khí quyển Trái Đất, là hình thức gián tiếp của năng lượng mặt trời Việc khai thác năng lượng gió đã được thực hiện từ rất lâu, từ thời kỳ Cổ đại, và là một trong những phương pháp lấy năng lượng từ thiên nhiên lâu đời nhất.
Năng lượng gió đã được khai thác từ hàng trăm năm qua, từ việc di chuyển thuyền buồm và khinh khí cầu đến việc tạo công cơ học bằng cối xay gió Ý tưởng sử dụng năng lượng gió để sản xuất điện ra đời ngay sau khi phát minh ra điện và máy phát điện Ban đầu, cối xay gió chỉ được cải tiến nhẹ, chuyển đổi động năng của gió thành năng lượng cơ học, nhưng sau đó được trang bị máy phát điện để tạo ra điện năng Khi cơ học dòng chảy phát triển, thiết bị và hình dáng cánh quạt cũng được cải tiến, dẫn đến sự ra đời của tuốc bin gió hiện đại, trong khi khái niệm cối xay gió trở nên không còn phù hợp Sau các cuộc khủng hoảng dầu vào thập niên 1970, nghiên cứu và phát triển năng lượng gió đã được thúc đẩy mạnh mẽ trên toàn cầu.
- Sản xuất điện từ năng lượng gió
Gió không thổi đều đặn, vì vậy để đảm bảo cung cấp năng lượng liên tục, điện năng từ các tuốc bin gió cần được kết hợp với các nguồn năng lượng khác như năng lượng mặt trời Đặc biệt, gió thường mạnh hơn vào ban đêm so với ban ngày.
Một phương pháp khác để sản xuất điện là sử dụng các nhà máy phát điện có bơm trữ, nơi nước được bơm lên các bồn chứa trên cao Khi không có gió, nước sẽ được sử dụng để vận hành tuốc bin Tuy nhiên, việc xây dựng các nhà máy này có tác động lớn đến thiên nhiên, vì chúng thường được đặt trên các đỉnh núi cao.
Công suất dự trữ phụ thuộc vào độ chính xác của dự báo gió, khả năng điều chỉnh của mạng lưới và nhu cầu dùng điện
Công nghệ tích trữ năng lượng gió mới sử dụng cánh quạt gió để trực tiếp quay máy nén khí, giúp tích lũy động năng gió vào hệ thống bình khí nén Hệ thống này cho phép luân phiên phun khí nén vào các turbine, từ đó quay máy phát điện một cách ổn định Dù gió mạnh hay yếu, khí luôn được nén vào bình, giúp dễ dàng điều khiển cường độ và lưu lượng khí nén Nhờ vào việc nạp và xả khí luân phiên, hệ thống đảm bảo cung cấp năng lượng liên tục cho máy phát điện.
Năng lượng gió, cùng với năng lượng thủy điện, được coi là một trong những nguồn năng lượng tiết kiệm nhất khi tính toán toàn bộ chi phí bên ngoài, bao gồm cả tác động tiêu cực đến môi trường như việc thải các chất độc hại.
Năng lượng sinh khối là nguồn năng lượng được sản xuất từ việc xử lý các nguyên liệu sinh khối, bao gồm vật liệu sinh học từ cơ thể sinh vật Trong lĩnh vực năng lượng, năng lượng sinh khối chủ yếu được khai thác từ các nguồn tài nguyên tự nhiên như cây cỏ và gỗ.
Năng lượng sinh khối, được cấu tạo từ carbon và các hợp chất chứa hidro, nito cùng một lượng nhỏ kiềm và đất kiềm, khác biệt với nguyên liệu hóa thạch, khi đốt cháy tạo ra carbon từ hàng triệu năm trước, làm gia tăng ô nhiễm không khí Khi năng lượng sinh khối được đốt cháy, nó phát thải khí cacbonic CO2 mới, góp phần vào chu trình tuần hoàn của carbon và giúp hạn chế ô nhiễm môi trường.
Nguyên liệu sinh khối đang trở thành lựa chọn hàng đầu nhờ vào khả năng tái tạo và đặc tính thân thiện với môi trường.
CÁC PHƯƠNG PHÁP TÌM ĐIỂM CỰC ĐẠI CỦA PIN MẶT TRỜI PHỔ BIẾN
1.3.1 Phương pháp điện áp hằng số [19]
Phương pháp này dựa trên mối quan hệ gần đúng giữa điện áp tại điểm công suất tối đa (VMPP) và điện áp hở mạch (VOC), cả hai đều biến đổi theo nhiệt độ và bức xạ.
Hằng số k, phụ thuộc vào đặc tuyến của PV, được xác định thông qua V MPP và V OC ở các mức bức xạ và nhiệt độ khác nhau Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng giá trị của k thường nằm trong khoảng từ 0.71 đến 0.85.
Điện áp VMPP có thể xác định thông qua việc đo VOC với một số hằng số k đã biết Tuy nhiên, để đo VOC, cần ngắt tải PV, dẫn đến tổn hao công suất và sai số lớn khi bức xạ mặt trời thay đổi Phương pháp này chỉ mang tính gần đúng và không đảm bảo độ chính xác cao Để cải thiện, có thể sử dụng một PV mẫu để đo VOC mà không phát điện, nhằm xác định các thông số của PV PV mẫu cần được chọn lọc và lắp đặt cùng với mô đun PV để đảm bảo điều kiện môi trường giống nhau Dù việc thêm PV mẫu có thể tăng giá thành hệ thống, đây vẫn là một phương pháp đơn giản vì không yêu cầu phần cứng phức tạp.
1.3.2 Phương pháp P&O ( Perturbation & Observation ) [19] Đây là thuật toán được sử dụng phổ biến nhờ sự đơn giản trong thuật toán và việc thực hiện dễ dàng Thuật toán này xem xét đến sự tăng giảm điện áp theo chu kỳ để tìm được điểm làm việc có công suất lớn nhất Nếu sự biến thiên của điện áp làm công suất tăng lên thì sự biến thiên tiếp theo sẽ giữ nguyên chiều hướng tăng hoặc giảm Ngược lại, nếu sự biến thiên làm công suất giảm xuống thì sự biến thiên tiếp theo sẽ có chiều hướng ngược lại Khi điểm làm việc có công suất lớn nhất được xác định trên đường cong đặc tính thì sự biến thiên điện áp sẽ dao động xung quanh điểm làm việc có công suất lớn nhất đó chíng là điểm MPP
Giải thuật P&O phụ thuộc nhiều vào thời gian lấy mẫu so sánh Khi cường độ ánh sáng ổn định, thuật toán này hiệu quả trong việc xác định điểm cực đại Tuy nhiên, khi cường độ ánh sáng thay đổi, hiệu suất của giải thuật P&O sẽ bị giảm sút.
Hệ MPPT sử dụng thuật toán P&O có khả năng điều chỉnh điểm làm việc về MPP mới sau vài chu kỳ hoạt động không chính xác Tuy nhiên, nếu cường độ chiếu sáng thay đổi dần dần, thuật toán P&O có thể gặp sai sót nếu chu kỳ lấy mẫu không được điều chỉnh hợp lý.
Hệ thống MPPT không nhận diện được sự gia tăng công suất do thay đổi cường độ, mà chỉ phản ứng với sự dao động điện áp trong quá trình hoạt động Điều này dẫn đến việc thuật toán liên tục giảm hoặc tăng điện áp, vì nó nhận thấy công suất sau vẫn lớn hơn công suất ban đầu.
Nguyên nhân chính gây ra hoạt động sai của thuật toán P&O là sự không phân biệt giữa thay đổi công suất do biến động điện áp và thay đổi công suất do cường độ ánh sáng Đây là một nhược điểm cơ bản của thuật toán này.
1.3.3 Phương pháp điện dẫn gia tăng INC ( Incremental Conductance )
Giải thuật này khắc phục nhược điểm của phương pháp P&O khi thời tiết thay đổi đột ngột, bằng cách sử dụng tổng điện dẫn gia tăng của dãy pin quang điện để tìm kiếm điểm công suất cực đại.
Phương pháp INC là một kỹ thuật thực tiễn, trong đó độ dốc của đường cong công suất tại điểm MPP bằng không Đối diện bên trái điểm MPP, độ dốc là dương, trong khi bên phải điểm MPP, độ dốc là âm.
HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI
ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI TÌM HIỂU
Hình 2.1: Cấu trúc hệ thống bám công suất cực đại MPPT
Hệ thống bám công suất cực đại của pin mặt trời có cấu trúc cơ bản như hình 2.1, bao gồm các thành phần chính sau:
• Tấm pin năng lượng mặt trời
Bộ điều khiển MPPT là linh hồn của hệ thống năng lượng mặt trời, giúp tối ưu hóa công suất cực đại và nâng cao hiệu suất làm việc của hệ thống pin mặt trời.
Bộ biến đổi DC – DC: có nhiệm vụ đóng cắt van bán dẫn để thay đổi trở kháng vào của PMT.
GIỚI THIỆU VỀ PIN MẶT TRỜI
Pin mặt trời, hay còn gọi là pin quang điện, là thiết bị sử dụng hiệu ứng quang điện trong lớp bán dẫn để sản xuất dòng điện một chiều khi tiếp xúc với ánh sáng.
2.2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Hình 2.2: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin mặt trời a Cấu tạo pin mặt trời
Gồm ba thành phần chính như đã mô tả trên hình 2.2:
Mặt ghép bán dẫn p-n được chế tạo từ tinh thể Silic, là thành phần chính của pin Lớp n thường mỏng để ánh sáng có thể dễ dàng chiếu tới lớp tiếp xúc p-n.
Điện cực là thành phần quan trọng trong việc dẫn điện đến phụ tải, yêu cầu vật liệu làm điện cực phải có độ dẫn điện tốt và khả năng bám dính cao vào chất bán dẫn.
Lớp chống phản quang rất quan trọng vì nó giúp giảm thiểu sự phản xạ ánh sáng, từ đó nâng cao hiệu suất của pin Việc phủ lớp này đảm bảo rằng ánh sáng được hấp thụ tối đa, góp phần vào nguyên lý hoạt động hiệu quả của hệ thống pin.
Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời dựa trên hiện tượng quang điện, trong đó ánh sáng có bước sóng lớn hơn hoặc bằng năng lượng ban đầu của các hạt điện tử sẽ tạo ra cặp điện tử – lỗ trống Các hạt tải điện này di chuyển về phía cực của bán dẫn loại n và p, tạo ra dòng điện khi hai loại bán dẫn được nối với nhau.
-Cho tới nay vật liệu chế tạo pin mặt trời chủ yếu là silic và được chia làm 3 loại chính:
- Đơn tinh thể: có hiệu suất tới 16% và loại này thường đắt tiền do được cắt từ các thỏi hình ống
- Đa tinh thể: làm từ thỏi đúc từ Silic nung chảy, sau đó làm nguội và làm rắn
Loại này rẻ hơn pin đơn tinh thể nhưng hiệu suất lại thấp hơn
Dải Silic được tạo ra từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy với cấu trúc đa tinh thể Mặc dù loại này có hiệu suất thấp nhất, nhưng nó lại có giá thành rẻ nhất trên thị trường.
2.2.3 Ứng dụng a Tích hợp vào thiết bị
Pin mặt trời có ưu điểm gọn nhẹ, dễ lắp đặt ở bất kỳ nơi nào có ánh sáng mặt trời, và được ứng dụng rộng rãi trong ngành hàng không vũ trụ Chúng cung cấp năng lượng ở những khu vực mà các nguồn năng lượng truyền thống không thể tiếp cận Ngoài ra, pin mặt trời còn được tích hợp vào nhiều thiết bị hàng ngày như đồng hồ, máy tính và đèn đường Đây là nguồn năng lượng xanh, sạch, đang ngày càng được sử dụng để thay thế cho các nguyên liệu truyền thống gây ô nhiễm môi trường, đặc biệt trong các phương tiện giao thông.
Nguồn điện này cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện ở mọi nơi, đặc biệt là những khu vực không có điện lưới như vùng sâu, vùng xa, hải đảo và trên biển.
Các ứng dụng nguồn điện di động bao gồm bộ sạc năng lượng mặt trời, cặp năng lượng mặt trời, áo năng lượng mặt trời và trạm điện năng lượng mặt trời di động Những giải pháp này không chỉ cung cấp nguồn điện tiện lợi mà còn thân thiện với môi trường, góp phần cung cấp năng lượng cho các tòa nhà một cách hiệu quả.
Nguồn điện cho tòa nhà không chỉ giúp giảm hóa đơn tiền điện hàng tháng mà còn giảm thiểu đầu tư xã hội cho các nhà máy điện lớn Bằng cách kết hợp sức mạnh của cộng đồng, chúng ta có thể tạo ra điện phục vụ cho đời sống và sản xuất chung.
Nguồn điện cho tòa nhà được phân thành hai loại: nguồn điện mặt trời cục bộ và nguồn điện mặt trời hòa lưới điện quốc gia Trong đó, nguồn điện mặt trời hòa lưới điện quốc gia nổi bật với nhiều ưu điểm và mang lại lợi ích kinh tế cao.
Sử dụng nguồn điện mặt trời trong gia đình vừa giúp bảo vệ môi trường, vừa thể hiện phong cách sống hiện đại d Nhà máy điện mặt trời
Kết nối nhiều nguồn điện mặt trời tạo ra tổ hợp có khả năng thay thế nhà máy phát điện Nhà máy điện mặt trời có thể cung cấp năng lượng cho thành phố hoặc hòn đảo Mặc dù hiện nay số lượng nhà máy điện mặt trời trên thế giới còn hạn chế, nhưng dự kiến sẽ tăng lên trong tương lai khi giá pin mặt trời giảm.
BỘ CHUYỂN ĐỔI DC-DC BOOST CONVERTER
Bộ chuyển đổi DC-DC là thiết bị quan trọng trong nguồn điện một chiều, có chức năng chuyển đổi nguồn điện không ổn định thành nguồn điện có thể điều khiển Trong hệ thống pin mặt trời, bộ biến đổi này hoạt động chặt chẽ với MPPT, giúp điều chỉnh điện áp đầu vào từ pin mặt trời để cung cấp điện áp tối ưu nhất cho tải.
Để đạt công suất cực đại từ pin mặt trời trong mọi điều kiện nhiệt độ và bức xạ mặt trời, việc điều khiển cả điện áp và dòng điện ngõ ra là cần thiết Để thực hiện điều này, chúng ta cần sử dụng bộ dò tìm điểm công suất cực đại, bộ dò tìm này phải đáp ứng một số yêu cầu nhất định.
• Vận hành hệ thống PV càng gần càng tốt để đạt được MPP bất kể thay đổi khí quyển
• Chi phí thấp, hiệu suất chuyển đổi cao
• Giao điện ngõ ra tương thích với yêu cầu của tải
Mạch boost converter, hay còn gọi là mạch tăng áp, là bộ biến đổi điện áp được thiết kế cho các ứng dụng yêu cầu điện áp đầu ra cao hơn điện áp đầu vào.
Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi này dựa vào đặc tính lưu trữ và tích phóng năng lượng của cuộn dây
Hình 2.3: Cấu trúc mạch lực bộ biến đổi boost
Trường hợp 1: khi van đóng cắt Q dẫn và diode D không dẫn.
Khi dòng điện từ nguồn đi qua cuộn dây, năng lượng từ trường sẽ được tích lũy trong cuộn dây Lúc này, diode D không có dòng điện chạy qua, và nguồn cung cấp cho dòng tải là tụ điện C, như được mô tả trong hình 2.4 dưới đây.
Hình 2.4: Mạch tương đương khi Q đóng
Hình 2.5: Dạng sóng điện áp và dòng điện trên cuộn dây L khi Q đóng
Trường hợp 2: Khi van Q không dẫn và diode D dẫn
Van đóng cắt Q không dẫn do cuộn cảm L duy trì dòng điện, tạo ra điện áp cảm ứng đủ lớn để kích mở diode D, khiến diode này trở nên dẫn Sơ đồ mạch tương ứng được trình bày trong hình 2.6.
Hình 2.6: Mạch tương đương khi Q mở
Hình 2.7: Dạng sóng điện áp và dòng điện trên L khi Q mở
Khi Q đóng dòng điện cảm ứng chạy vào tải qua diode cũng như nạp lại
V L = V g − V O = L di L dt (2.5) Suy ra: di L dt = V g − V O
Năng lượng lưu trữ trong cuộc dây bằng 0 khi kết thúc chu kỳ:
ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA PIN MẶT TRỜI
2.4.1 Sơ đồ tương đương của pin mặt trời
Mô hình toán học của pin mặt trời
Hình 2.8: Mạch tương đường của 1 tế bào pin mặt trời
Khi được chiếu sáng, pin mặt trời phát ra dòng quang điện Iph, cho thấy nó hoạt động như một nguồn dòng Lớp tiếp xúc p-n có tính chất chỉnh lưu tương tự như diode D Tuy nhiên, khi phân cực ngược, do điện trở tiếp xúc có giới hạn, vẫn tồn tại dòng điện rò qua lớp tiếp xúc này Dòng điện rò qua lớp tiếp xúc p-n được đặc trưng bởi điện trở shunt Rsh.
Dòng quang điện trong mạch phải đi qua các lớp bán dẫn p và n, cũng như các điện cực và tiếp xúc Tổng các điện trở của các lớp này được biểu diễn bằng một điện trở RS mắc nối tiếp trong mạch Điều này giúp xây dựng sơ đồ tương đương tổng quát của một tế bào PMT.
I pv = I ph − I D − I sh = I sh − I s [e q(V+I.R AkT S − 1] −V + I R S
- I ph : dòng phát trong PMT, [A]
- Ish: dòng qua điện trở shunt, [A]
- Vd: điện áp ra của PMT, [V]
- Iph: dòng điện ra của PMT, [A]
- T: nhiệt độ lớp tiếp xúc, [ O C]
Hệ số lý tưởng của diode là yếu tố quan trọng để đảm bảo công suất, điện áp và dòng điện đạt yêu cầu Để đạt được điều này, cần ghép nối các tế bào PMT thành một module PMT, giả sử rằng các tế bào được ghép nối tiếp với nhau.
PMT, và ghép song song NP các tế bào PMT lại thì phương trình đặc tính
I - V có đặc tính như sau [15]:
I pv = N p I ph − N p I D − I sh = N p I ph − N p I s (e q(Vpv+Ipv.RS)
Isc : dòng ngắn mạch ở điều kiện chuẩn, Isc = 5,1 A
Ki : tỷ số dòng điện / nhiệt độ tại Isc, Ki = 0,0017 A/ o C λ: cường độ bức xạ mặt trời, [ W/m 2 ]
I rs = q VOC I SC e NS AkT−1
Eg : năng lượng kích hoạt electron của silic, Eg = 1,1Ev
Tr : nhiệt độ tham chiếu, Tr = 25 o C
Irs : dòng ngược bão hòa ở nhiệt độ T
Voc : điện áp hở mạch ở điều kiện chuẩn, Voc = 22V
Dòng chảy qua điện trở shunt:
2.4.2 Đặc tính của pin mặt trời a Đặc tính I - V, P - V lý tưởng của pin năng lượng mặt trời
Mô hình pin lý tưởng được mô tả trên hình 2.9 là mô hình không xét tới những ảnh hưởng của Rs và Rsh, có nghĩa là Rs = 0 và Rsh = ∞
Hình 2.9: Mô hình lý tưởng của tế bào pin mặt trời
Phương trình đặc tính I - V thu được của pin dựa vào phương trình (2.13):
I pv = N p I ph − N p I D = N p I ph − N p I S (e qVD nkT − 1) (2.20)
Np Iph là nguồn dòng ổn định trong các điều kiện thời tiết cụ thể Đặc tính I - V của diot cho thấy đường cong đồng biến trong khoảng điện áp V D dương Từ những thông tin này, ta có thể suy ra đặc tính I - V và P - V của pin mặt trời khi bức xạ đạt 1000 W/m² và nhiệt độ ở 25°C.
Hình 2.10: Đặc tính I - V, P - V của pin mặt trời
Theo hình 2.10, dòng điện I(A) và điện áp V có mối quan hệ phi tuyến, tương tự như công suất P(V) = I.V, và các mối quan hệ này thay đổi theo điều kiện thời tiết Mỗi điều kiện khí hậu cụ thể sẽ có một điểm công suất lớn nhất, gọi là MPP (Maximum Power Point), tại đó hiệu suất của pin đạt giá trị tối ưu.
CHỌN THUẬT TOÁN BÁM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CHO PIN MẶT TRỜI
GIỚI THIỆU CHUNG
MPPT (Maximum Power Point Tracker) là phương pháp tối ưu hóa công suất cho hệ thống pin mặt trời bằng cách điều chỉnh điện năng thông qua bộ biến đổi DC-DC Phương pháp này được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống pin mặt trời độc lập và ngày càng 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 pin mặt trời với tải, giúp tăng cường công suất đầu ra và nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống khi điều kiện làm việc thay đổi.
Hình 3.1: Bộ điều khiển MPPT trong hệ thống pin mặt trời
Khi một tấm PMT được kết nối trực tiếp với tải, điểm làm việc của tấm PMT sẽ xác định tại giao điểm giữa đường đặc tính I-V của tấm và đường đặc tính I-V của tải Đối với tải thuần trở, đường đặc tính tải sẽ có dạng thẳng với hệ số góc bằng 1/R.
Hình 3.2: Pin mặt trời mắc trực tiếp với tải thuần trở có thể thay đổi giá trị
Hình 3.3: Đặc tính làm việc của pin mặt trời và của tải có thể thay đổi giá trị
Điểm MPPT (Maximum Power Point) là điểm tối ưu mà hệ thống hoạt động, giúp pin mặt trời đạt công suất tối đa.
Để tối ưu hóa dòng công suất từ pin năng lượng mặt trời tới tải trong hầu hết các ứng dụng, cần thiết lập điểm hoạt động của hệ thống tại điểm công suất tối đa (MPP).
Điểm hoạt động với công suất lớn nhất (MPP) của hệ thống năng lượng mặt trời phụ thuộc vào bức xạ mặt trời, nhiệt độ và điều kiện môi trường, dẫn đến sự thay đổi liên tục của vị trí điểm MPP Để duy trì hoạt động hiệu quả gần điểm MPP, người ta sử dụng mạch MPPT, giúp hệ thống theo dõi và tối ưu hóa công suất cực đại.
NGUYÊN LÝ DUNG HỢP TẢI
Khi PMT được mắc trực tiếp với một tải thì điểm làm việc sẽ do đặc tính tải xác định Điện trở tải được xác định như sau:
Tải tối ưu của PMT được xác định như sau:
- Vmpp, Impp : lần lượt là điện áp lớn nhất của pin mặt trời
- Vo, Io : lần lượt là điện áp ra, dòng điện ra của tải
Khi giá trị của tải tương ứng với giá trị Ropt, công suất truyền từ PMT đến tải đạt mức tối đa Tuy nhiên, điều này thường không xảy ra trong thực tế, vì vậy cần sử dụng MPPT để điều chỉnh trở kháng của tải sao cho phù hợp với trở kháng tối ưu của PMT.
Bộ biến đổi boost là thiết bị phổ biến khi cần nâng cao điện áp ra so với điện áp đầu vào Với ưu điểm là dòng điện vào ổn định và dễ dàng điều chỉnh, nó thường được áp dụng trong bộ công suất của bộ điều khiển MPPT Hệ thống MPPT sử dụng mạch boost được minh họa trong hình 3.4.
Hình 3.4: Pin mặt trời kết nối với tải qua bộ biến đổi DC - DC
Bộ biến đổi Boost được mô tả bởi các hệ thức toán học như sau [4]:
Loại trừ các toán hạng Vo trong (3.3) , Io trong (3.4) thế vào phương trình (3.5) thu được trở kháng vào của PMT:
Rei(D,R) phụ thuộc vào chu kỳ nhiệm vụ D của bộ biến đổi DC-DC và giá trị tải R Do đó, có thể điều chỉnh giá trị của R ei bằng cách thay đổi chu kỳ nhiệm D, giá trị của R hoặc cả hai Thông thường, giá trị tải R thường được giữ cố định, vì vậy người ta thường điều chỉnh chu kỳ nhiệm D.
Từ phương trình (3.6) có thể thay thế mạch trong hình 3.4 bằng sơ đồ mạch tương đương như hình 3.5 sau:
Để điều chỉnh vị trí của điểm làm việc trong PMT với điện trở Rei(D,R), cần thay đổi góc nghiêng ϴRei(D,R) của đường đặc tính tải Việc thay đổi chu kỳ nhiệm vụ D một cách hợp lý sẽ giúp xác lập giao điểm giữa hai đường đặc tính tại đúng điểm MPP.
Hình 3.6: Đặc tính của pin mặt trời và của tải thuần trở
Góc nghiêng của đặc tính tải được xác định theo công thức [4]:
Chu kỳ nhiệm vụ D có thể thay đổi trong khoảng từ 0 đến 1, dẫn đến việc góc nghiêng của tải bị giới hạn bởi các góc tối đa và tối thiểu Các giới hạn này được tính toán theo công thức cụ thể.
Do đó , giải giá trị góc nghiêng của tải là: atan ( 1
Từ công thức (3.10) được minh họa và giải thích bằng hình (3.7) nó xác định rõ hai khoảng riêng biệt:
Khoảng theo dõi là yếu tố quan trọng; nếu điểm MPP nằm trong khoảng này, sẽ có một giá trị chu kỳ nhiệm vụ D xác lập điểm làm việc tại MPP, từ đó tối ưu hóa công suất ra của pin năng lượng.
Khoảng không theo dõi là khu vực mà nếu điểm MPP nằm trong đó, giá trị chu kỳ nhiệm vụ D không thể xác định được, dẫn đến việc điểm làm việc của hệ thống không đạt được điểm MPP Kết quả là công suất đầu ra của pin mặt trời không đạt giá trị tối đa Khi điểm MPP nằm trong khoảng không theo dõi, điểm làm việc sẽ tương ứng với giao điểm giữa đường đặc tính của pin và giới hạn đường cong tải.
Hình 3.7: Khoảng làm việc của bộ tăng áp Boost [4]
THUẬT TOÁN INC BÁM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CHO
Điểm MPP trên đường đặc tính I - V, P - V của pin mặt trời không thể xác định trước, như thể hiện trong hình 3.8 Bài viết mô tả đặc tính I - V và P - V của pin mặt trời khi nhiệt độ được giữ cố định ở 25 độ C và bức xạ mặt trời thay đổi.
Hình 3.8: Đặc tính I-V, P-V bức xạ thay đổi và vị trí các điểm MPP
Để theo dõi điểm công suất tối đa (MPP), cần thiết phải có một thuật toán, mà thuật toán này chính là trái tim của bộ điều khiển MPPT Trong số nhiều thuật toán đã được nghiên cứu và ứng dụng, thuật toán Incremental Conductance (INC) là một trong những phương pháp phổ biến Trong bài viết này, tôi sẽ trình bày chi tiết về thuật toán INC.
Thuật toán INC điều khiển trực tiếp chu kì nhiệm vụ D
Phương pháp dựa trên thực tế như sau:
• dP dV = 0, tại điểm MPP
• dP dV > 0, bên trái điểm MPP
• dP dV < O, bên phải điểm MPP
• dP dV = d ( IV) dV = I + VdI dV ≈ I + VΔI ΔV
Do đó có thể viết lại các hệ thức trên như sau:
Hình 3.9: Đường đặc tính I - V và thuật toán INC
Thuật toán INC điều khiển trực tiếp chu kỳ nhiệm vụ D
Hình 3.10: Lưu đồ thuật toán INC điều khiển trực tiếp hệ số D
Lưu đồ thuật toán hình 3.10 mô tả hoạt động của thuật toán INC trong việc điều khiển theo chu kỳ nhiệm vụ D Thuật toán này đo các giá trị điện và điện áp của PMT, sau đó sử dụng các giá trị tức thời và trước đó để tính toán các giá trị gia tăng ∆I và ∆V Cuối cùng, thuật toán sẽ kiểm tra điều kiện của phương trình.
- Nếu điểm hoạt động nằm phía bên trái điểm MPP thì chúng ta phải giảm D
- Nếu điểm hoạt động nằm phía bên phải điểm MPP thì chúng ta phải tăng D
𝑉 được thỏa mãn tức nó chính là các điểm MPP thì thuật toán này sẽ bỏ qua việc điều chỉnh D
Cấu trúc điều khiển INC trực tiếp chu kỳ D được miêu tả như sau:
Hình 3.11: Sơ đồ khối của phương pháp MPPT điều khiển trực tiếp chu kỳ D
Khi tăng điện áp hoạt động của pin mặt trời dẫn tới góc nghiêng ϴ Rei (D,R) của đặc tính tải giảm, thì phải giảm chu kỳ nhiệm vụ D
Tương tự, nếu điện áp hoạt động và giảm thì phải tăng chu kỳ nhiệm vụ
MÔ HÌNH MÔ PHỎNG PIN MẶT TRỜI
3.4.1 Mô hình pin mặt trời
Mô hình pin mặt trời được xây dựng trong Matlab/Simulink, với các biểu thức I-V được phát triển từ nhiều công thức khác nhau Cụ thể, dòng quang điện Iph được tính toán dựa trên biểu thức (2.14), dòng bão hòa ngược Irs từ biểu thức (2.17), dòng bão hòa Is từ biểu thức (2.16), và dòng I được xác định từ biểu thức (2.13).
Hình 3.12: Dòng quang điện Iph được xây dựng trong Matlab/Simulink
Hình 3.13: Dòng bão hòa ngược Irs được xây dựng trong Matlab/Simulink
Hình 3.14: Dòng bão hòa Is được xây dựng trong Matlab/Simulink
Hình 3.15: Mô hình thu gọn PMT được xây dựng trong Matlab/Simulink
Mô hình PMT với thuật toán INC điều khiển trực tiếp chu kỳ D được thực hiện thông qua việc sử dụng pin mặt trời Ks80m-36 Dưới đây là bảng thông số chi tiết cho mô phỏng này.
Bảng 2.1: Bảng thông số pin mặt trời Ks80m-36 [20]
Thông số Ký hiệu Giá trị
Công suất lớn nhất Pmax 80W Điện áp tại điểm cực đại MPP VMPP 18V
Dòng điện tại điểm cực đại MPP IMPP 4,45A Điện áp hở mạch VOC 22V
Dòng điện ngắn mạch ISC 5,1A
Số tế bào mắc nối tiếp Ni 36
Số tế bào mắc song song NP 1
Tỷ số dòng điện / nhiệt độ tại ISC Ki 0,0017A/ 0 C
Hình 3.17: Bảng giá trị đầu vào của pin mặt trời
Hình 3.18: Giải thuật INC được xây dựng trong Matlab/Simulink
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Do nhiệt độ có quán tính lớn, nó thay đổi chậm hơn nhiều so với bức xạ mặt trời Do đó, trong các mô phỏng dưới đây, chúng tôi sẽ giả định nhiệt độ luôn được duy trì ở mức 25°C.
Hình 3.20: Đặc tính P-V khi nhiệt độ 25 o C và bức xạ mặt trời là 1000 W/m 2
Hình 3.21: Đặc tính I-V khi nhiệt độ 25 o C và bức xạ mặt trời là 1000 W/m 2
Hình 3.22: Đặc tính P-V khi nhiệt độ 25 o C và bức xạ mặt trời là 800 W/m 2
Hình 3.23: Đặc tính I-V khi nhiệt độ 25 o C và bức xạ mặt trời là 800 W/m 2
Hình 3.24: Đặc tính P-V khi nhiệt độ 25 o C và bức xạ mặt trời là 600 W/m 2
Hình 3.25: Đặc tính I-V khi nhiệt độ 25 o C và bức xạ mặt trời là 600 W/m 2
Hình 3.26: Điện áp làm việc của pin mặt trời
Hình 3.27: Dòng điện làm việc của pin mặt trời
Hình 3.28: Công suất làm việc của pin mặt trời
Bằng cách phân tích sự thay đổi của bức xạ mặt trời, chúng ta có thể xác định các đường đặc tuyến P-V và I-V của pin mặt trời Kết quả cho thấy, khi bức xạ mặt trời tăng, công suất cực đại trên đặc tuyến P-V cũng tăng theo Đồng thời, trên đặc tuyến I-V, dòng điện tại các điểm cực đại cũng có xu hướng tăng cùng với bức xạ mặt trời.
Kết quả mô phỏng cho thấy đồ thị điện áp và dòng điện của pin mặt trời tại ngõ ra qua bộ dò tìm điểm công suất cực đại, thể hiện sự tăng trưởng điện áp và dòng điện tương ứng với sự thay đổi bức xạ Điều này giúp xác định điểm làm việc công suất cực đại của pin mặt trời, như thể hiện trong đồ thị công suất Sự hiệu quả của giải thuật INC được chứng minh qua khả năng đáp ứng tốt khi bức xạ mặt trời thay đổi trong suốt cả ngày.