Nội dung nghiên cứu của luận văn là tìm hiểu tổng quan tình hình nghiên cứu và khai thác nguồn tài nguyên năng lượng mặt trời; Tìm hiểu và nghiên cứu về pin quang điện; Tìm hiểu và nghiên cứu điều khiển bám điểm công suất cực đại cho hệ pin quang điện không xét và xét đến hiệu ứng bóng râm.
Giới thiệu
Giới thiệu
Năng lượng là yếu tố thiết yếu cho sự tồn tại và phát triển của xã hội, đồng thời duy trì sự sống trên Trái Đất Trong thời đại khoa học kỹ thuật phát triển, nhu cầu năng lượng ngày càng tăng, trong khi các nguồn nhiên liệu như than đá, dầu mỏ và khí thiên nhiên đang cạn kiệt Điều này đặt nhân loại trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng nghiêm trọng Việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng mới như năng lượng hạt nhân, địa nhiệt, gió, thủy triều và đặc biệt là năng lượng mặt trời là vô cùng quan trọng Năng lượng mặt trời, với nhiều ưu điểm vượt trội, được xem là nguồn bổ sung tốt nhất cho sự thiếu hụt năng lượng hiện tại và trong tương lai.
Việc nghiên cứu và khai thác năng lượng mặt trời ngày càng trở nên quan trọng trên toàn cầu, đặc biệt là ở Việt Nam Sự quan tâm này xuất phát từ tình trạng cạn kiệt các nguồn năng lượng khác và những thách thức môi trường nghiêm trọng như hạn hán, lũ lụt, hiệu ứng nhà kính và ô nhiễm Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng thân thiện với môi trường, dồi dào, siêu sạch và miễn phí, mang lại giải pháp bền vững cho tương lai.
Việt Nam sở hữu vị trí địa lý thuận lợi với nguồn năng lượng tái tạo phong phú, đặc biệt là năng lượng mặt trời Nằm trong khoảng vĩ độ từ 8°27’ Bắc đến 23°23’ Bắc, đất nước này có bức xạ mặt trời trung bình đạt 5 kW/m²/ngày và khoảng 2000 giờ nắng mỗi năm Các khu vực nổi bật về tiềm năng năng lượng mặt trời bao gồm Ninh Thuận, Bình Thuận, Tây Ninh, Hồ Chí Minh, Bình Dương, Đồng Nai, cùng với các tỉnh Tây Bắc như Lai Châu, Sơn La, Lào Cai và vùng Bắc Trung Bộ như Thanh Hóa, Nghệ An.
An, Hà Tĩnh) là các Tỉnh, Thành Phố của Việt Nam có tiềm năng rất lớn về năng lượng mặt trời
Về cơ bản, có 2 phương thức được sử dụng phổ biến để biến đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện như sau:
- Phương thức 1: Quang năng nhiệt năng điện năng
- Phương thức 2: Quang năng điện năng
Bài viết sẽ tập trung vào việc nghiên cứu cách chuyển đổi năng lượng mặt trời dưới dạng quang năng thành điện năng thông qua pin quang điện (Photovoltaic, PV), sử dụng các vật liệu bán dẫn.
Chi phí đầu tư cho hệ thống điện năng lượng mặt trời vẫn còn cao do đặc thù của pin quang điện, thúc đẩy các nhà nghiên cứu tìm kiếm giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng Giải pháp “Điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ pin quang điện mặt trời có xét đến hiện tượng bóng râm” nhằm tối ưu hóa công suất điện trong mọi điều kiện môi trường, đặc biệt chú trọng đến ảnh hưởng của bóng râm trong quá trình nghiên cứu và điều khiển.
Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu và mô phỏng điều khiển hệ thống pin quang điện mặt trời nhằm tối ưu hóa điểm công suất cực đại, đặc biệt là khi có hiện tượng bóng râm, nhằm đảm bảo công suất đầu ra đạt mức tối đa.
Khảo sát các đường đặc tính V-I và V-P của hệ pin quang điện mặt trời là cần thiết để tối ưu hóa hiệu suất Việc điều khiển để bám điểm công suất cực đại (MPPT) rất quan trọng, đặc biệt khi có hiện tượng bóng râm ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống Điều này giúp nâng cao hiệu quả khai thác năng lượng từ ánh sáng mặt trời, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả nhất.
Thuật toán P&O (Perturbation and Observation) là một trong những phương pháp đơn giản và phổ biến nhất để xác định điểm công suất cực đại Phương pháp này sẽ được áp dụng trong luận văn này nhằm tối ưu hóa hiệu suất năng lượng.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đề tài nghiên cứu tập trung vào một hệ thống pin quang điện mặt trời, bao gồm nhiều module, mỗi module chứa nhiều tế bào pin quang điện được kết nối với nhau Hệ thống này hoạt động với tải thuần trở.
Đề tài nghiên cứu nhằm xác định điểm công suất cực đại toàn cục (GMPP) của hệ thống pin quang điện, đồng thời xem xét ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm.
- Luận văn bỏ qua các ảnh hưởng khác mà có thể ảnh hưởng đến hiệu quả khai thác của hệ thống pin quang điện.
Nội dung nghiên cứu
- Tiến hành mô phỏng hệ thống điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ pin quang điện mặt trời có xét đến hiện tượng bóng râm
- Trong điều kiện không có bóng râm, khảo sát các đường đặc tính V-I và V-P để tìm điểm công suất cực đại của hệ pin quang điện
Trong điều kiện có bóng râm, nghiên cứu tác động của hiệu ứng bóng râm đến các đặc tính điện áp - dòng điện (V-I) và điện áp - công suất (V-P) của hệ thống pin quang điện Mục tiêu là xác định điểm công suất cực đại toàn cục của hệ thống để tối ưu hóa hiệu suất hoạt động.
Bài viết trình bày và mô phỏng các thuật toán tìm điểm công suất cực đại cho hệ thống pin quang điện, bao gồm cả trường hợp không có bóng râm và có xét đến ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm Các thuật toán này giúp tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống năng lượng mặt trời, đảm bảo khai thác tối đa năng lượng từ ánh sáng mặt trời Việc nghiên cứu và áp dụng các phương pháp này là cần thiết để nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống pin quang điện trong thực tế.
- So sánh trường hợp không có bóng râm và trường hợp che từng mảng
Bố cục của luận văn
Bố cục của luân văn bao gồm:
Chương 2: Tổng quan tình hình nghiên cứu
Chương 4: Điều khiển bám điểm công suất cực đại cho hệ pin quang điện
Chương 5: Kết quả mô phỏng
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển
Tổng quan tình hình nghiên cứu 2.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước
Tổng quan tình hình phát triển năng lượng mặt trời tại Việt Nam
Lãnh thổ Việt Nam kéo dài từ 8–23 độ vĩ Bắc, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời cao với tổng xạ từ 100–175 kcal/cm²/năm, cho thấy tiềm năng lớn cho việc sử dụng năng lượng mặt trời Việc phát triển năng lượng mặt trời không chỉ mang lại hiệu quả kinh tế cao mà còn là giải pháp tối ưu, vì đây là nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm và có trữ lượng dồi dào Ngành công nghiệp sản xuất năng lượng mặt trời (PV) sẽ giúp thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch, giảm phát thải khí nhà kính và bảo vệ môi trường Mặc dù năng lượng mặt trời được coi là nguồn năng lượng quý giá, Việt Nam mới chỉ khai thác khoảng 25% tiềm năng này, và tiềm năng năng lượng mặt trời ở mỗi vùng cũng khác nhau, có thể chia thành 5 vùng với mức độ tiềm năng riêng.
Bảng 2.1 Tiềm năng năng lượng mặt trời tại Việt Nam
Năng lượng mặt trời trung bình (kcal/cm 2 năm)
Số giờ nắng trung bình năm (giờ/năm)
4 Nam Trung Bộ và Tây Nguyên 150 – 175 2000 – 2600
Việt Nam sở hữu tiềm năng lớn về năng lượng mặt trời nhờ vào số giờ nắng trong năm, như được thể hiện trong Bảng 2.1.
Tại Việt Nam, nhờ sự hỗ trợ của nhà nước và các tổ chức quốc tế, nhiều trạm pin quang điện đã được xây dựng thành công, phục vụ nhu cầu sinh hoạt và văn hóa tại các vùng sâu, vùng xa không có lưới điện Tuy nhiên, pin quang điện vẫn được coi là hàng xa xỉ ở các nước đang phát triển Ngành bưu chính viễn thông là đơn vị tiên phong trong việc ứng dụng công nghệ này, với các trạm pin quang điện cung cấp điện cho thiết bị thu phát sóng tại các bưu điện lớn và trạm truyền hình vệ tinh Trong lĩnh vực hàng hải, các trạm pin quang điện cũng được sử dụng để cung cấp điện cho thiết bị chiếu sáng, cột hải đăng và đèn báo sông.
Trong ngành công nghiệp, các trạm pin quang điện đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện dự phòng cho thiết bị điều khiển tại trạm biến áp 500 kV và thiết bị máy tính Ngoài ra, chúng còn được sử dụng để kết nối với điện lưới quốc gia, đảm bảo nguồn cung cấp điện ổn định và liên tục.
Trong ngành giao thông đường bộ, các trạm pin quang điện phát điện dần được sử dụng làm nguồn cung cấp điện cho các cột đèn đường chiếu sáng
Trong sinh hoạt của các hộ gia đình vùng sâu, vùng xa, các trạm pin quang điện phát điện sử dụng để thắp sáng, nghe đài, xem vô tuyến
Khu vực miền Nam đang triển khai lắp đặt các dàn pin quang điện để cung cấp điện cho chiếu sáng và sinh hoạt văn hóa tại những vùng nông thôn không có lưới điện Các trạm điện mặt trời được xây dựng với công suất đa dạng, phục vụ nhu cầu sử dụng điện của cộng đồng.
Hệ thống năng lượng mặt trời với công suất từ 500 - 1000 Wp đã được lắp đặt tại trung tâm xã, cung cấp điện cho ắc quy của các hộ gia đình Các dàn pin quang điện có công suất từ 250 - 500 Wp được sử dụng để chiếu sáng cho bệnh viện, trạm xá và các cụm văn hóa xã Tính đến nay, khoảng 800 - 1000 dàn pin quang điện đã được lắp đặt và sử dụng, với công suất mỗi dàn đạt 22,5 Wp.
Khu vực miền Trung Việt Nam sở hữu bức xạ mặt trời dồi dào và số giờ nắng cao, tạo điều kiện lý tưởng cho việc ứng dụng công nghệ pin quang điện Hiện tại, miền Trung đang triển khai hai dự án năng lượng mặt trời lớn nhất cả nước, góp phần thúc đẩy sự phát triển bền vững trong lĩnh vực năng lượng tái tạo.
Dự án phát điện kết hợp giữa pin quang điện và thuỷ điện nhỏ có công suất 125 kW được lắp đặt tại xã Trang, huyện Mang Yang, tỉnh Gia Lai, với hệ thống pin mặt trời (PMT) có công suất 100 kWp và thuỷ điện 25 kW Đưa vào vận hành từ cuối năm 1999, dự án cung cấp điện cho 5 làng và được quản lý, vận hành bởi Điện lực Mang Yang.
Dự án phát điện lai kết hợp giữa pin quang điện và động cơ gió với tổng công suất 9 kW, trong đó pin quang điện chiếm 7 kW, được lắp đặt tại làng Kongu 2, huyện Đak Hà, tỉnh Kon Tum Công trình do Viện Năng lượng thực hiện và đã chính thức đi vào hoạt động từ tháng 11/2000, cung cấp nguồn điện cho một bản dân tộc thiểu số.
42 hộ gia đình Hệ thống điện do sở Công thương tỉnh quản lý và vận hành
Các dàn pin quang điện đã được lắp đặt tại các tỉnh Gia Lai, Quảng Nam, Bình Định, Quảng Ngãi và Khánh Hoà, với công suất hộ gia đình từ 40 - 50 Wp Ngoài ra, các trung tâm cụm xã và trạm y tế xã cũng đã được trang bị hệ thống pin quang điện có công suất từ 200 - 800 Wp.
Wp Hệ thống điện sử dụng chủ yếu để thắp sáng và truyền thong Đối tượng phục vụ là người dân, do dân quản lý và vận hành
Khu vực miền Bắc đang chứng kiến sự phát triển nhanh chóng của các dàn pin quang điện, phục vụ cho hộ gia đình ở vùng núi cao, hải đảo và các trạm biên phòng Công suất của dàn pin quang điện cho hộ gia đình dao động từ 40 - 75 Wp, trong khi các dàn dành cho trạm biên phòng và hải đảo có công suất từ 165 - 300 Wp Đối với các trạm xá và cụm văn hoá thôn, xã, công suất của dàn pin quang điện đạt từ 165 - 525 Wp.
Tại Quảng Ninh có hai dự án PMT do vốn trong nước (từ ngân sách) tài trợ:
Dự án pin quang điện tại các đảo vùng Đông Bắc có tổng công suất lắp đặt khoảng 20 kWp, được thực hiện bởi Viện Năng lượng và Trung tâm Năng lượng mới thuộc Trường đại học Bách khoa Hà Nội Hệ thống điện này chủ yếu phục vụ cho việc thắp sáng và truyền thông, phục vụ đối tượng là bộ đội, do đơn vị quản lý và vận hành.
* Dự án pin quang điện cho các cơ quan hành chính và một số hộ dân của huyện đảo
Cô Tô Tổng công suất lắp đặt là 15 kWp Dự án trên do Viện Năng lượng thực hiện Công trình đã vận hành từ tháng 12/2001
* Công ty BP Solar của Úc đã tài trợ một dự án pin quang điện có công suất là 6120
Dự án Wp được triển khai tại xã Sĩ Hai, huyện Hà Quảng, tỉnh Cao Bằng, nhằm phục vụ cho trạm xá, trụ sở xã, trường học và khoảng 10 hộ gia đình.
Dự án “Ứng dụng thí điểm điện mặt trời cho vùng sâu, vùng xa” tại xã Ái Quốc, tỉnh Lạng Sơn đã hoàn thành vào tháng 11/2002, với tổng công suất 3000 Wp Dự án cung cấp điện cho trung tâm xã và trạm truyền hình, chủ yếu phục vụ cho việc thắp sáng và truyền thông Người dân là đối tượng hưởng lợi và cũng là những người quản lý, vận hành dự án này.
* Trung tâm Hội nghị Quốc gia sử dụng điện mặt trời: Tổng công suất pin mặt trời là
154 kWp Đây là một công trình điện mặt trời lớn nhất tại Việt Nam
* Trạm pin mặt trời nối lưới của Viện Năng lượng công suất 1080 Wp bao gồm 8 môđun
Trạm pin mặt trời nối lưới với công suất 2700 Wp đã được lắp đặt trên mái nhà làm việc của Bộ Công thương, tọa lạc tại 54 Hai Bà Trưng, Quận Hoàn Kiếm, Hà Nội.
Pin quang điện
Giới thiệu
Năng lượng mặt trời đang thu hút sự quan tâm và đầu tư ngày càng nhiều, nhưng giá cả của nguồn điện mặt trời vẫn là một thách thức lớn.
Năng lượng mặt trời hiện chỉ đáp ứng một phần nhỏ nhu cầu điện của con người, nhưng những người ủng hộ tin rằng kỷ nguyên năng lượng mặt trời mới chỉ bắt đầu Sự phát triển này ngày càng được thúc đẩy khi các quốc gia thực hiện các chiến dịch chống biến đổi khí hậu và giảm thiểu phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch như dầu mỏ và khí đốt.
Chính phủ Nhật Bản, Đức và Hoa Kỳ đang khuyến khích người dân chuyển đổi từ nhiên liệu hóa thạch sang năng lượng tái tạo Tại Đức, gia đình có thể nhận hỗ trợ lên đến 2000 euro (khoảng 2860 USD) để lắp đặt pin quang điện, không phải trả phí trong 10 năm đầu và còn được hưởng lợi trong 10 năm tiếp theo.
Các nước đang phát triển cần tăng cường tuyên truyền sử dụng năng lượng mặt trời, vì họ có lợi thế về điều kiện địa lý gần xích đạo và cường độ bức xạ mặt trời cao hơn so với các nước ôn đới Việc tận dụng nguồn năng lượng này sẽ giúp các quốc gia này phát triển bền vững hơn.
Mặt trời phát ra một dãy bức xạ năng lượng rộng lớn, nhưng không phải tất cả bức xạ đều có khả năng gây ra hiện tượng quang điện Chỉ những bức xạ có bước sóng, với năng lượng lớn hơn mức năng lượng kích hoạt electron mới có thể tạo ra hiện tượng này Hiện tượng ánh sáng với bước sóng ngắn làm cho các electron rời khỏi bề mặt kim loại được gọi là hiện tượng quang điện, và các electron bị bật ra trong quá trình này được gọi là electron quang điện.
Phổ năng lượng mặt trời ảnh hưởng đến hiệu suất của pin năng lượng mặt trời (PV), trong đó 20,2% năng lượng mặt trời bị lãng phí do không đủ năng lượng để kích hoạt electron (hv < Eg) Thêm vào đó, 30,2% năng lượng bị mất ở các vùng năng lượng cao hơn (hv > Eg), chỉ có 49,6% năng lượng hữu ích được thu thập bởi PV.
Chiều dài mức năng lượng kích hoạt 1,11m
Chiều dài sóng (m) Hình 3.1 Phổ năng lượng mặt trời
Bức xạ mặt trời trung bình toàn cầu và nhiệt độ trung bình toàn cầu cho thấy tiềm năng năng lượng mặt trời lớn nhất tập trung quanh đường xích đạo, nơi có mức độ bức xạ và nhiệt độ cao nhất.
Hình 3.2 Bản đồ bức xạ mặt trời trung bình toàn cầu [3.2]
Hình 3.3 Bản đồ nhiệt độ trung bình toàn cầu [3.2]
Năng lượng mặt trời, một dạng quang năng, có khả năng chuyển đổi thành điện năng thông qua hai hình thức chính.
- Quang năng nhiệt năng điện năng
Trong 2 hình thức phát điện trên, có thể nhận ra rằng hình thức thứ 2 với quang năng được chuyển đổi trực tiếp thành điện năng được nghiên cứu và khai thác mạnh mẽ hơn Hình thức khai thác này sẽ được thực hiện thông qua hệ thống PV (Photovoltaic, PV) mà được cấu thành từ các chất bán dẫn
PV sử dụng chất bán dẫn để chuyển đổi ánh sáng thành điện năng, với quy trình sản xuất tương tự như sản xuất các linh kiện bán dẫn như diode và transistor Nguyên liệu chính để sản xuất PV thường là tinh thể silicon, thuộc nhóm IV Có thể coi PV là sự đối lập của diode quang, khi diode quang nhận điện năng để phát ra ánh sáng, trong khi PV lại nhận ánh sáng để tạo ra điện năng.
Bảng 3.1 Bảng phân loại tuần hoàn trích lược với tinh thể Silicon thuộc nhóm IV
29 Cu 30 Zn 31 Ga 32 Ge 33 As 34 Se
47 Ag 48 Cd 49 In 50 Sn 51 Sb 52 Xe
Hình 3.4 Nguyên tắc chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện của PV
Mô hình đơn giản của PV được mô tả như sau, Hình 3.5
Photon Điện nạp âm Photon
Các electron Lớp p Điện nạp dương a)
Photon Các tiếp điểm điện Electron
Tải b) Hình 3.5 Mô hình đơn giản của PV
Sơ đồ thay thế đơn giản của PV
Sơ đồ thay thế đơn giản của PV được biểu diễn như sau, Hình 3.6 [3.1]
Hình 3.6 Sơ đồ thay thế đơn giản của PV
Trong PV, hai tham số quan trọng của nó là dòng điện ngắn mạch, I sc và điện áp hở mạch, V 0c
V = V oc a) Dòng điện ngắn mạch, I sc b) Điện áp hở mạch, V 0c
Hình 3.7 Các tham số quan trọng của PV: dòng điện ngắn mạch, I sc và điện áp hở mạch, V oc
Các đặc tuyến mô tả PV:
I: là cường độ dòng điện của PV
V: là điện áp của PV sc 0
I sc : là cường độ dòng điện ngắn mạch của PV
V oc : là điện áp hở mạch của PV
I 0 : là dòng điện ngược của diode, có giá trị rất nhỏ khoảng 10 -12 A/cm 2 q: là điện tích electron, q = 1,602.10 -19 (C) k: là hằng số Boltzman, k = 1,381 x 10 -23 (J/K)
T: là nhiệt độ tuyệt đối (K)
Trong điều kiện 25 0 C, ta có:
Sơ đồ thay thế của PV có xét đến các tổn hao
Trong thực tế, PV luôn có tổn hao, đặc trưng cho sự tổn hao này là các thông số
R s và R p Khi ấy, mô hình PV được mô tả như sau:
I Hình 3.8 Mô hình thay thế PV có xét đến các tổn hao
Biểu thức đặc trưng của PV có xét đến các ảnh hưởng của R s và R p :
Đặc tính PV có xét đến các ảnh hưởng của R s và R p
R p = 1,0; R s = 0,05 Điện áp (V) Hình 3.9 Đặc tính PV có xét đến các ảnh hưởng của R s và R p
Một khuyết điểm của PV là điện áp và dòng điện làm việc của nó rất nhỏ Một
Điện áp làm việc của pin năng lượng mặt trời (PV) khoảng 0,5 V Để đạt được điện áp lớn hơn, cần mắc nối tiếp các pin PV, trong khi để tăng cường dòng điện, các pin PV cần được mắc song song.
Khi ấy, điện áp của module PV có thể được xác định như sau:
V module : là điện áp của module PV n: là số PV của module PV
C ường độ dòng điện Cường độ dòng điện (A)
V d : là điện áp của diode
R s : là giá trị điện trở nối tiếp
Các đường đặc tính của một module PV được mô tả như sau:
4 cells 36 cells Mắc nối tiếp các cell
Hình 3.11 Đặc tính của module PV
Mảng PV được định nghĩa là việc kết nối nhiều module PV Có 3 hình thức kết nối các module PV như: nối tiếp, song song và hổn hợp
3.5.1 Nối nối tiếp nhiều module PV
Hình thức này được sử dụng để nâng điện áp của hệ thống PV
1 module 2 modules 3 modules Điện áp Hình 3.12 Các module PV được kết hợp nối tiếp với nhau
3.5.2 Nối song song nhiều module PV
Hình thức này được sử dụng để nâng cường độ dòng điện của hệ thống PV
Hình 3.13 Các module PV được kết hợp song song với nhau
3.5.3 Nối hỗn hợp nhiều module PV
Hình thức này được sử dụng để nâng cả điện áp và cường độ dòng điện của hệ thống
Cường độ dòng điện Điện áp Hình 3.14 Các module PV được kết hợp hổn hợp với nhau
3.6 Phân loại hệ thống PV
3.6.1 Hệ thống PV kết nối lưới điện
Hệ thống điện mặt trời này rất phổ biến ở các nước phát triển như Châu Âu nhờ vào sự hỗ trợ từ chính phủ Nó cho phép các nhà sản xuất điện năng kết nối trực tiếp với lưới điện quốc gia, coi lưới điện như một nguồn năng lượng bổ sung Khi nhu cầu sử dụng điện thấp, các nhà sản xuất có thể bán điện cho lưới điện và sau đó mua lại khi nhu cầu tăng cao, tạo ra một hệ thống lưu trữ hiệu quả cho năng lượng tái tạo.
Hệ thống năng lượng mặt trời (PV) cần biến tần để chuyển đổi điện năng từ DC sang AC cho lưới điện Khi hệ thống PV sản xuất đủ điện, người dùng có thể sử dụng trực tiếp cho nhà ở hoặc doanh nghiệp Nếu sản lượng không đủ, điện từ lưới sẽ được sử dụng Ngược lại, nếu sản lượng vượt nhu cầu, phần dư thừa sẽ được bán cho lưới điện, tuy nhiên, giá bán thường thấp hơn nhiều so với giá mua Giá điện cao nhất thường xảy ra vào giờ cao điểm Hệ thống PV yêu cầu ít bảo trì và có thể tiết kiệm chi phí nếu điện sản xuất được sử dụng trực tiếp tại chỗ, tạo động lực cho việc bán điện cho lưới nếu mức tiêu thụ điện của tòa nhà thấp.
Hình 3.15 Hệ thống PV kết nối lưới điện
3.6.2 Hệ thống PV độc lập Đây là một hệ thống không kết nối với lưới điện quốc gia Nó cho phép các nhà sản xuất sử dụng năng lượng điện mà được sản xuất trực tiếp Công suất thường được lưu trữ trong ắc-quy khi mức sản lượng vượt quá mức nhu cầu Đây là loại hệ thống đặc biệt hữu ích tại các khu vực trên thế giới nơi mà không có lưới điện quốc gia, chẳng hạn như ở các nước đang phát triển, trường học, bệnh viện, hệ thống đèn đường,
Hệ thống này sử dụng các pin quang điện nhỏ hơn so với pin trong hệ thống kết nối lưới điện, do nhu cầu điện thấp hơn đáng kể.
Hình 3.16 Hệ thống PV độc lập
Hệ thống PV độc lập đơn giản nhất là hệ thống PV độc lập trực tiếp, trong đó ngõ ra DC của các tấm pin mặt trời được kết nối trực tiếp với tải DC Do không có bộ phận lưu trữ điện, hệ thống này chỉ hoạt động vào ban ngày, phù hợp cho các ứng dụng như quạt thông gió và bơm nước.
3.7 Các ảnh hưởng đến PV
Các PV có bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như cường độ chiếu sáng, nhiệt độ, hiện tượng bóng râm,
3.7.1 Ảnh hưởng của cường độ chiếu sáng
Cường độ chiếu sáng càng lớn thì công suất thu được của PV càng lớn, dòng I sc càng lớn, Hình 3.17
Hình 3.17 Đặc tuyến V-I của PV với các cường độ chiếu sáng khác nhau và nhiệt độ
3.7.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ
Nhiệt độ PV càng cao thì V oc càng thấp, Hình 3.18
Cường độ chiếu sáng, 1 kW/m 2
Hình 3.18 Đặc tuyến V-I của PV với các nhiệt độ khác nhau và cường độ chiếu sáng không đổi 1 kW/m 2
3.7.3 Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm
Hiện tượng bóng râm xảy ra khi một phần của pin mặt trời (PV) bị che phủ, dẫn đến ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu suất hoạt động của nó Ví dụ, khi một PV trong một mảng bị che khuất, hiệu suất tổng thể của hệ thống sẽ giảm.
Hình 3.19 Module PV với n PV trong trường hợp module không bị che khuất s s s s p p p p
PV thứ n bị che khuất
Hình 3.20 Module PV với n PV trong trường hợp module bị che khuất một phần
Khi ấy, điện áp của module PV sẽ là:
Khi ấy, sụt áp gây ra bởi hiện tượng bóng râm được xác định như sau:
Mặt khác, do R p >> R s Khi ấy:
Cường độ dòng điện (A) Cường độ dòng điện
Đặc tính của module PV khi bị ảnh hưởng bởi bóng râm được thể hiện qua đặc tuyến V-I Hình 3.21 minh họa sự khác biệt giữa đặc tuyến V-I của module PV không bị che khuất và bị che khuất.
V SH V Điện áp Hình 3.21 Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm đối với module PV
Trong trường hợp khi nhiều PV bị che khuất thì các đặc tuyến có thể được biểu diễn như hình 3.22
2 PV bị che khuất 100% Điện áp (V) Hình 3.22 Module PV với nhiều PV bị che khuất
Cường độ dòng điện (A) Để bảo vệ PV ít bị ảnh hưởng bởi hiện tượng bóng râm, các diode bypass sẽ được kết hợp sử dụng
I I a) PV không bị che khuất b) PV bị che khuất
Hình 3.23 Module PV sử dụng diode bypass Đặc tính của PV trong trường hợp sử dụng diode bypass được mô tả như hình 2.24
Bị che khuất và không sử dụng diode bypass Điện áp ắc-quy
Bị che khuất với diode bypass
Không bị che khuất Điện áp (V) Hình 3.24 Đặc tính của PV trong trường hợp sử dụng diode bypass
Xét một mảng PV dùng nạp điện cho một bộ ắc-quy, 65V khi không có và có diode bypass bảo vệ
Hình 3.25 trình bày sự đánh giá so sánh giữa các trường hợp có và không có diode bypass, nêu bật tác động của việc bị che khuất và ảnh hưởng đến hiệu suất Việc sử dụng diode bypass có thể cải thiện hiệu quả hoạt động trong các tình huống cụ thể.
Trong hình 3.25, các mô-đun PV hoạt động như nguồn phát điện với điện áp 65 V và cường độ dòng điện đạt 3,3 A Khi có bóng râm che khuất một mô-đun, mô-đun này ngừng phát điện, khiến dòng điện chạy qua điện trở song song R p, tạo ra điện áp rơi ΔV = I x R p Giá trị ΔV cộng với điện áp 65 V của ắc-quy sẽ trở thành điện áp trên các mô-đun PV còn lại, dẫn đến sự giảm dòng điện theo đặc tuyến (V, I) của PV Nếu sử dụng diode bypass, dòng điện sẽ chuyển qua diode, làm cho PV bị ảnh hưởng nhiều hơn khi có hiện tượng che khuất xảy ra.
Bóng râm ảnh hưởng đến hiệu suất của tế bào quang điện bằng cách giảm công suất, thay đổi điện áp hở mạch (Voc) và dòng ngắn mạch (Isc) Tình trạng che khuất này thường xảy ra do bóng từ các tòa nhà, cây cối, mây và bụi bẩn Khi các module trong mảng bị che một phần, hiệu suất tổng thể của hệ thống quang điện sẽ bị ảnh hưởng.
Các module PV bị che chắn sẽ bị chiếu sáng kém hơn, dẫn đến việc các module không bị che có thể tạo ra điện áp ngược, gây quá nhiệt và giảm tuổi thọ cho các module bị che Để khắc phục tình trạng này, việc sử dụng diode bypass là cần thiết, giúp dòng điện trong dãy đi đúng hướng ngay cả khi một phần của dãy hoàn toàn tối.
Hình 3.26 Các đặc tính của một mảng PV khi không có bóng râm
Hình 3.26 cho thấy các đặc tính của mảng PV bao gồm 2 chuỗi kết nối song song mỗi chuỗi bao gồm bốn module nối tiếp trong cùng điều kiện
Hình 3.27 minh họa rằng khi hai tế bào trong một chuỗi module PV bị che một phần, đường cong P-V xuất hiện nhiều điểm cực đại địa phương, dẫn đến sự hình thành nhiều điểm MPP cục bộ Điều này ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất của bộ điều khiển bám điểm cực đại công suất MPPT Hơn nữa, công suất đầu ra giảm đáng kể do tác động của bóng che, và mức độ giảm này tỷ lệ thuận với số lượng tế bào bị che.
Ảnh hưởng của bóng râm đến hiệu suất của một mảng pin năng lượng mặt trời (PV) phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm kích thước và vị trí của bóng râm, cũng như loại và công nghệ của pin PV Khi có bóng râm, hiệu suất phát điện của hệ thống sẽ giảm, ảnh hưởng đến khả năng thu năng lượng mặt trời Việc hiểu rõ các đặc tính này là cần thiết để tối ưu hóa hiệu suất của mảng PV trong các điều kiện khác nhau.
- Giảm cách nhiệt (giá trị trung bình)
- Phân bố bóng che trên các bộ PV (hình học của bóng)
- Module có hoặc không có các diode bypass
- Dạng thiết kế của module PV (kết nối kiểu nối tiếp hoặc song song)
Hiệu ứng bóng râm là một yếu tố khó tránh trong hoạt động của hệ thống năng lượng mặt trời (PV), và ngay cả khi chỉ xảy ra ở một phần nhỏ, nó cũng có thể dẫn đến tổn thất công suất đáng kể.
Mảng PV
Mảng PV được định nghĩa là việc kết nối nhiều module PV Có 3 hình thức kết nối các module PV như: nối tiếp, song song và hổn hợp
3.5.1 Nối nối tiếp nhiều module PV
Hình thức này được sử dụng để nâng điện áp của hệ thống PV
1 module 2 modules 3 modules Điện áp Hình 3.12 Các module PV được kết hợp nối tiếp với nhau
3.5.2 Nối song song nhiều module PV
Hình thức này được sử dụng để nâng cường độ dòng điện của hệ thống PV
Hình 3.13 Các module PV được kết hợp song song với nhau
3.5.3 Nối hỗn hợp nhiều module PV
Hình thức này được sử dụng để nâng cả điện áp và cường độ dòng điện của hệ thống
Cường độ dòng điện Điện áp Hình 3.14 Các module PV được kết hợp hổn hợp với nhau
Phân loại hệ thống PV
3.6.1 Hệ thống PV kết nối lưới điện
Hệ thống này rất phổ biến ở các nước phát triển, đặc biệt là Châu Âu, nhờ vào sự hỗ trợ của chính phủ Nó kết nối các nhà sản xuất điện năng từ năng lượng mặt trời (PV) trực tiếp vào lưới điện quốc gia, coi lưới điện như một nguồn điện chính Trong mô hình này, lưới điện hoạt động như một hệ thống lưu trữ, cho phép các nhà sản xuất bán điện khi không có nhu cầu và mua lại khi cần thiết.
Hệ thống PV cần một biến tần để chuyển đổi điện năng từ DC sang AC cho lưới điện Khi sản xuất điện, hệ thống PV cung cấp năng lượng trực tiếp cho nhà ở hoặc doanh nghiệp Nếu hệ thống không đủ điện, năng lượng sẽ được lấy từ lưới điện Ngược lại, nếu sản xuất vượt quá nhu cầu, phần dư thừa sẽ được bán cho lưới điện quốc gia, mặc dù khoản tiền nhận được thường thấp hơn chi phí mua điện Giá điện cao nhất thường xảy ra vào giờ cao điểm Các hệ thống PV yêu cầu ít bảo trì và có thể tiết kiệm chi phí lớn nếu sử dụng năng lượng sản xuất trực tiếp Điều này tạo động lực cho việc bán điện cho lưới điện, đặc biệt khi tòa nhà tiêu thụ điện ít.
Hình 3.15 Hệ thống PV kết nối lưới điện
3.6.2 Hệ thống PV độc lập Đây là một hệ thống không kết nối với lưới điện quốc gia Nó cho phép các nhà sản xuất sử dụng năng lượng điện mà được sản xuất trực tiếp Công suất thường được lưu trữ trong ắc-quy khi mức sản lượng vượt quá mức nhu cầu Đây là loại hệ thống đặc biệt hữu ích tại các khu vực trên thế giới nơi mà không có lưới điện quốc gia, chẳng hạn như ở các nước đang phát triển, trường học, bệnh viện, hệ thống đèn đường,
Hệ thống này sử dụng các pin quang điện nhỏ hơn so với các pin quang điện trong hệ thống kết nối lưới điện, do nhu cầu điện thấp hơn đáng kể.
Hình 3.16 Hệ thống PV độc lập
Hệ thống PV độc lập đơn giản nhất là hệ thống PV độc lập trực tiếp, trong đó ngõ ra DC của các tấm pin mặt trời được kết nối trực tiếp với tải DC Do không có bộ phận lưu trữ điện, tải chỉ hoạt động vào ban ngày, phù hợp cho các ứng dụng như quạt thông gió và bơm nước.
Các ảnh hưởng đến PV
Các PV có bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như cường độ chiếu sáng, nhiệt độ, hiện tượng bóng râm,
3.7.1 Ảnh hưởng của cường độ chiếu sáng
Cường độ chiếu sáng càng lớn thì công suất thu được của PV càng lớn, dòng I sc càng lớn, Hình 3.17
Hình 3.17 Đặc tuyến V-I của PV với các cường độ chiếu sáng khác nhau và nhiệt độ
3.7.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ
Nhiệt độ PV càng cao thì V oc càng thấp, Hình 3.18
Cường độ chiếu sáng, 1 kW/m 2
Hình 3.18 Đặc tuyến V-I của PV với các nhiệt độ khác nhau và cường độ chiếu sáng không đổi 1 kW/m 2
3.7.3 Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm
Hiện tượng bóng râm xảy ra khi một phần của pin năng lượng mặt trời (PV) bị che phủ, dẫn đến ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất hoạt động của nó Ví dụ, khi một pin trong một mảng PV bị che khuất, hiệu suất tổng thể của cả hệ thống có thể bị giảm sút.
Hình 3.19 Module PV với n PV trong trường hợp module không bị che khuất s s s s p p p p
PV thứ n bị che khuất
Hình 3.20 Module PV với n PV trong trường hợp module bị che khuất một phần
Khi ấy, điện áp của module PV sẽ là:
Khi ấy, sụt áp gây ra bởi hiện tượng bóng râm được xác định như sau:
Mặt khác, do R p >> R s Khi ấy:
Cường độ dòng điện (A) Cường độ dòng điện
Đặc tính của mô-đun năng lượng mặt trời (PV) bị ảnh hưởng bởi hiện tượng bóng râm được thể hiện qua biểu đồ V-I Hình 3.21 minh họa sự khác biệt giữa đặc tuyến V-I khi PV không bị che khuất và khi bị che khuất Công thức liên quan là V ~ V IR n p (3.12).
V SH V Điện áp Hình 3.21 Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm đối với module PV
Trong trường hợp khi nhiều PV bị che khuất thì các đặc tuyến có thể được biểu diễn như hình 3.22
2 PV bị che khuất 100% Điện áp (V) Hình 3.22 Module PV với nhiều PV bị che khuất
Cường độ dòng điện (A) Để bảo vệ PV ít bị ảnh hưởng bởi hiện tượng bóng râm, các diode bypass sẽ được kết hợp sử dụng
I I a) PV không bị che khuất b) PV bị che khuất
Hình 3.23 Module PV sử dụng diode bypass Đặc tính của PV trong trường hợp sử dụng diode bypass được mô tả như hình 2.24
Bị che khuất và không sử dụng diode bypass Điện áp ắc-quy
Bị che khuất với diode bypass
Không bị che khuất Điện áp (V) Hình 3.24 Đặc tính của PV trong trường hợp sử dụng diode bypass
Xét một mảng PV dùng nạp điện cho một bộ ắc-quy, 65V khi không có và có diode bypass bảo vệ
Hình 3.25 minh họa sự so sánh giữa hai trường hợp: một bên có diode bypass và một bên không có Việc sử dụng diode bypass giúp cải thiện hiệu suất và giảm thiểu tình trạng bị che khuất trong mạch điện.
Trong hình 3.25, các pin mặt trời (PV) hoạt động như nguồn phát điện với điện áp 65 V, cho cường độ dòng điện là 3,3 A Khi một mô-đun PV bị bóng râm che khuất, nó ngừng phát điện và dòng điện sẽ chạy qua điện trở song song, R p, tạo ra điện áp rơi ΔV = I x R p Giá trị ΔV này cộng với điện áp 65 V của ắc-quy sẽ là điện áp trên các mô-đun PV còn lại, dẫn đến sự giảm cường độ dòng điện Nếu PV sử dụng diode bypass, dòng điện sẽ chạy qua diode này, làm tăng mức độ ảnh hưởng của hiện tượng che khuất lên PV.
Bóng râm ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất của tế bào quang điện bằng cách làm giảm công suất, thay đổi điện áp hở mạch (Voc) và dòng ngắn mạch (Isc) Tình trạng che một phần thường gặp do bóng của tòa nhà, cây cối, mây và bụi bẩn, dẫn đến một số module trong mảng quang điện bị ảnh hưởng.
Các module PV bị che chắn sẽ nhận được ít ánh sáng hơn, dẫn đến nguy cơ bị điện áp ngược từ các module không bị che, gây quá nhiệt và giảm tuổi thọ Để khắc phục tình trạng này, việc sử dụng diode bypass trên các module PV là cần thiết, giúp dòng điện trong dãy đi đúng hướng ngay cả khi một phần của dãy bị tối hoàn toàn.
Hình 3.26 Các đặc tính của một mảng PV khi không có bóng râm
Hình 3.26 cho thấy các đặc tính của mảng PV bao gồm 2 chuỗi kết nối song song mỗi chuỗi bao gồm bốn module nối tiếp trong cùng điều kiện
Hình 3.27 minh họa các đặc tính của module PV khi hai tế bào trong chuỗi bị che một phần, dẫn đến việc đường cong P-V xuất hiện nhiều điểm cực đại địa phương Điều này tạo ra nhiều điểm MPP cục bộ, ảnh hưởng đến hiệu suất của bộ điều khiển MPPT Hơn nữa, công suất đầu ra giảm do tác động của bóng che, và mức giảm này càng lớn khi số lượng tế bào bị che tăng lên.
Ảnh hưởng của bóng râm lên hiệu suất của một mảng PV phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau Các đặc tính của hệ thống PV trong điều kiện có bóng râm có thể làm giảm hiệu suất hoạt động, do đó việc hiểu rõ các yếu tố này là rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu quả năng lượng.
- Giảm cách nhiệt (giá trị trung bình)
- Phân bố bóng che trên các bộ PV (hình học của bóng)
- Module có hoặc không có các diode bypass
- Dạng thiết kế của module PV (kết nối kiểu nối tiếp hoặc song song)
Hiệu ứng bóng râm là một yếu tố khó tránh trong hoạt động của hệ thống năng lượng mặt trời, dẫn đến tổn thất công suất đáng kể ngay cả khi chỉ có một phần nhỏ bị ảnh hưởng.
Chương 4 ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI
CHO HỆ PIN QUANG ĐIỆN
Giới thiệu
Dựa trên các phân tích trước đó, năng lượng mặt trời được xác định là một giải pháp hiệu quả cho việc phát điện Năng lượng mặt trời có thể được chuyển đổi trực tiếp thành điện năng thông qua các mô-đun quang điện (PV).
2 Các mô-đun này được tạo thành từ các tế bào quang điện Khi nhiều tế bào được liên kết lại, một mô-đun PV sẽ được hình thành Khi nhiều mô-đun PV được kết hợp nối tiếp hoặc song song thì một mảng PV sẽ được hình thành mà phù hợp với lượng điện năng yêu cầu
Gần đây, ứng dụng năng lượng mặt trời ngày càng gia tăng, do đó, việc cải thiện hiệu quả khai thác nguồn năng lượng này là rất cần thiết Các yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu suất khai thác bao gồm hiệu suất chuyển đổi năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng của tế bào quang điện, kỹ thuật lưu trữ năng lượng và lượng bức xạ mặt trời được hấp thụ bởi hệ thống PV.
Hiệu suất chuyển đổi năng lượng điện của tế bào quang điện chủ yếu phụ thuộc vào vật liệu sản xuất và kỹ thuật lưu trữ Các công nghệ này cần được nghiên cứu và phát triển trong thời gian dài để tối ưu hóa hiệu quả.
Một trong những phương pháp quan trọng để tối ưu hóa khả năng khai thác năng lượng mặt trời trong các hệ thống điện năng lượng mặt trời là áp dụng công nghệ điều khiển bám điểm công suất cực đại.
Có thể nhận thấy rằng, PV là một phần tử phi tuyến với đường đặc tính được biểu diễn như hình 4.1 [4.1]
Cường độ dòng điện (A) Cường độ dòng điện Công suất (W)
I R Điểm công suất cực đại
Hình 4.1 Các đặc tính phi tuyến của PV
Trên đặc tính của hệ thống PV, mỗi điểm làm việc sẽ cho ra công suất khác nhau Nhiệm vụ là xác định vị trí làm việc của PV tại đó công suất thu được là lớn nhất Với các cường độ bức xạ mặt trời khác nhau, các đường đặc tính V-I của PV sẽ tương ứng với các điểm làm việc khác nhau Mỗi đường đặc tính đều có một điểm công suất cực đại (Maximum Power Point - MPP) mà tại đó công suất đạt giá trị tối đa.
1000 W/m 2 Tải trở cố định Các
Các điểm làm việc điểm công suất cực đại
200 W/m 2 Điện áp Hình 4.2 Đặc tính V-I của PV với các cường độ bức xạ khác nhau
Để đạt được công suất cực đại, việc xác định điểm công suất cực đại là rất quan trọng, như thể hiện trong các đặc tính V-I Điều này có thể được thực hiện thông qua hệ thống bám điểm công suất cực đại.
Hệ thống bám điểm công suất cực đại giúp xác định điểm công suất tối ưu, thường nằm ở khủy của đặc tính V-I của từng tấm pin mặt trời Một tín hiệu được định nghĩa để điều khiển bộ biến đổi DC/DC nhằm đạt được điểm làm việc cực đại này Sơ đồ khối cho hệ thống được trình bày trong hình 4.3.
Có nhiều loại bộ điều khiển DC/DC phù hợp với từng hệ thống PV và tải khác nhau Nếu hệ thống PV có điện áp cao và tải yêu cầu điện áp thấp, bộ buck converter sẽ được sử dụng Ngược lại, khi hệ thống PV có điện áp thấp và tải cần điện áp cao, bộ boost converter sẽ là lựa chọn thích hợp Trong trường hợp cần điều khiển cả việc tăng và giảm điện áp, bộ buck-boost converter sẽ được áp dụng.
Hình 4.3 Hệ thống bám điểm công suất cực đại
Bộ biến đổi DC/DC
Bộ biến đổi Buck có chức năng giảm điện áp đầu vào để nạp ắc-quy, với cấu trúc như hình 4.4 Trong mạch, khóa K được sử dụng là các loại transistor điện tử như BJT, MOSFET hoặc IGBT, hoạt động bằng cách đóng mở với tần số cao Hệ số làm việc D của khóa được xác định theo một biểu thức cụ thể.
Hình 4.4 Bộ giảm áp Buck
- Trong thời gian mở, khóa K thông cho dòng đi qua, điện áp một chiều được nạp vào tụ C 2 và cấp năng lượng cho tải qua cuộn kháng L
Khi khóa K đóng lại, dòng điện không thể đi qua và năng lượng một chiều từ đầu vào bằng 0 Mặc dù vậy, tải vẫn nhận đủ điện nhờ vào năng lượng được lưu trữ trong cuộn kháng và tụ điện, nhờ vào diode D giữ mạch kín.
Như vậy, cuộn kháng và tụ điện có tác dụng lưu giữ năng lượng trong thời gian ngắn để duy trì mạch khi khóa K đóng
Phân tích mạch dựa trên sự cân bằng năng lượng qua chu kỳ đóng cắt của khóa
K Năng lượng cấp cho tải trong toàn bộ chu kỳ = năng lượng thu từ nguồn trong thời gian khóa K mở + năng lượng cấp cho tải trong suốt thời gian khóa K đóng = năng lượng lấy từ cuộn kháng và tụ điện trong thời gian khóa K đóng
Dưới điều kiện xác lập, sự cân bằng năng lượng trên cuộn kháng được duy trì trong suốt thời gian khóa K đóng mở.
Nếu cuộn kháng đủ lớn, thì dòng điện cảm ứng biến thiên ít, giá trị cực đại của dòng điện được xác định như sau:
I 0 : là dòng điện tải hay giá trị trung bình của dòng điện cảm ứng
Từ các công thức trên, suy ra:
Điện áp ra của bộ biến đổi có thể điều chỉnh thông qua hệ số làm việc D, nhờ vào mạch vòng hồi tiếp lấy giá trị dòng điện nạp ắc-quy làm chuẩn Hệ số làm việc được điều chỉnh bằng phương pháp điều chỉnh độ rộng xung thời gian mở t_on, do đó bộ biến đổi này còn được gọi là bộ điều chế xung PWM.
Trong 3 loại bộ biến đổi DC/DC trên, bộ biến đổi Buck được sử dụng nhiều trong hệ thống PV nhất vì nó có nhiều ưu điểm phù hợp với các đặc điểm của hệ PV
Bộ biến đổi Buck là thiết bị có cấu trúc đơn giản, dễ hiểu và dễ thiết kế, thường được sử dụng để nạp ắc-quy Tuy nhiên, nhược điểm của nó là dòng điện vào không liên tục do khoá điện tử nằm ở đầu vào, vì vậy cần phải sử dụng bộ lọc tốt để đảm bảo hiệu suất hoạt động.
Bộ biến đổi Buck là giải pháp lý tưởng khi điện áp từ nguồn năng lượng mặt trời (PV) cao hơn điện áp của ắc-quy Dòng công suất được điều chỉnh thông qua việc thay đổi chu kỳ đóng mở của khóa điện tử, giúp bộ biến đổi hoạt động hiệu quả tại điểm công suất cực đại trong nhiều điều kiện khác nhau về nhiệt độ và cường độ bức xạ Tuy nhiên, khi điểm công suất cực đại giảm xuống dưới ngưỡng điện áp nạp ắc-quy trong điều kiện nhiệt độ cao và cường độ bức xạ thấp, bộ biến đổi sẽ không hoạt động chính xác Để cải thiện hiệu suất, việc kết hợp bộ biến đổi Buck với bộ tăng áp là một giải pháp khả thi.
Hình 4.5 Bộ tăng áp Boost
Bộ biến đổi Boost, giống như bộ biến đổi Buck, được mô tả trong hình 4.5 Hoạt động của nó dựa vào cuộn kháng L và công tắc khóa K, thực hiện quá trình đóng mở theo chu kỳ.
- Khi khóa K mở (t on ) sẽ cho dòng qua cuộn kháng và cuộn kháng tích năng lượng
- Khi khóa K đóng (t off ) cuộn kháng sẽ giải phóng năng lượng qua diode và tới tải
- Khi khóa K mở, cuộn cảm được nối với nguồn 1 chiều
- Khi khóa K đóng, dòng điện cảm ứng chạy vào tải và qua diode
Với hệ số làm việc D của khóa K, điện áp ra được xác định như sau:
Phương pháp này cho phép điều chỉnh T on trong chế độ dẫn liên tục, nhằm điều chỉnh điện áp vào V1 tại điểm công suất cực đại theo điện thế của tải V0.
4.2.3 Bộ biến đổi Buck-Boost
Hình 4.6 Bộ biến đổi Buck – Boost
Bộ biến đổi Buck - Boost có khả năng điều chỉnh điện áp, với đặc điểm là điện áp ra luôn lớn hơn điện áp vào nhờ vào điều kiện D