TỔNG QUAN
Tính cấp thiết của đề tài, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Với sự khan hiếm nguồn năng lượng hóa thạch và tác động tiêu cực đến môi trường, nghiên cứu kết nối các hệ thống năng lượng mặt trời (PV) với lưới điện trở thành vấn đề cấp bách Việc này không chỉ giúp giải quyết tình trạng thiếu điện nghiêm trọng hiện nay mà còn mở ra hướng nghiên cứu mới cho tương lai.
Có thể dùng cho việc thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển kết nối các PV với lưới điện bằng biến tần lai.
Mục đích nghiên cứu, khách thể và đối tượng nghiên cứu
Nghiên cứu về hệ thống kết nối pin mặt trời với lưới điện sử dụng biến tần lai tập trung vào việc tối ưu hóa hiệu suất thông qua các thuật toán MPPT Bài viết cũng đề cập đến công nghệ biến tần lai và các kỹ thuật điều chế liên quan, cùng với các thuật toán điều khiển để đảm bảo hệ thống PV hoạt động hiệu quả và ổn định khi kết nối với lưới điện.
1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài
Năng lượng mặt trời đang trở thành một giải pháp hiệu quả và bền vững cho nhu cầu năng lượng hiện nay Bài viết này sẽ khám phá cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin quang điện (PV), cùng với các loại hệ thống PV nối lưới và độc lập Việc hiểu rõ về năng lượng mặt trời và các ứng dụng của nó sẽ giúp tối ưu hóa việc sử dụng nguồn năng lượng này trong cuộc sống hàng ngày.
- Các thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại cho hệ thống PV
- Lý thuyết biến tần đa bậc, biến tần lai và kỹ thuật điều khiển PWM cho biến tần đa bậc lai
- Lập giải thuật và mô phỏng mô hình bộ nghịch lưu lai 5 bậc đề xuất bằng phần mềm MATLAB
Do giới hạn về thời gian và điều kiện nghiên cứu nên đề tài chỉ giới hạn các vấn đề như sau:
Nghiên cứu này tập trung vào việc điều khiển hệ thống kết nối năng lượng mặt trời (PV) với lưới điện bằng biến tần lai, thông qua mô hình hóa và mô phỏng sử dụng phần mềm Matlab/Simulink Lưu ý rằng bài viết không đề cập đến quá trình tính toán thiết kế các tấm pin mặt trời cũng như không thực hiện thiết kế và thi công mô hình thực tế.
- Tham khảo tài liệu (sách, báo và tạp chí khoa học trên Internet)
- Tham dự các hội nghị khoa học và báo cáo chuyên đề về lĩnh vực nghiên cứu
- Mô hình hóa và mô phỏng dùng chương trình Matlab/ Simulink
Phân tích và đánh giá kết quả mô phỏng khối lượng và năng lượng của các dòng sông cho thấy năng lượng Mặt Trời là nguồn tài nguyên vô tận Tuy nhiên, để khai thác và sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng này, cần hiểu rõ các đặc trưng và tính chất cơ bản của nó, đặc biệt là khi tiếp cận bề mặt của Quả đất.
Năng lượng mặt trời đang ngày càng thu hút sự quan tâm và đầu tư, mặc dù giá cả nguồn điện mặt trời vẫn là một thách thức lớn Hiện tại, năng lượng mặt trời 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 sẽ được thúc đẩy khi các quốc gia thực hiện các chiến dịch chống biến đổi khí hậu và giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch như dầu mỏ, khí đốt và than.
Mặt trời phát ra năng lượng dưới dạng bức xạ với nhiều bước sóng khác nhau, nhưng không phải tất cả đều có khả năng gây ra hiện tượng quang điện Chỉ những bức xạ có bước sóng tương ứng với năng lượng lớn hơn mức năng lượng kích hoạt electron của từng loại chất bán dẫn mới có thể tạo ra hiện tượng này.
Phân tích phổ năng lượng mặt trời cho thấy rằng 20,2% năng lượng mặt trời bị tổn hao do không đủ năng lượng để kích hoạt electron trong pin quang điện silicon, với năng lượng thấp hơn mức band gap của silicon (h < Eg) Thêm vào đó, 30,2% năng lượng cũng bị mất ở các vùng năng lượng cao hơn mức band gap (h > Eg) Do đó, chỉ có 49,6% năng lượng mặt trời là có thể được chuyển đổi thành năng lượng hữu ích bởi pin quang điện.
Hình 2.1: Phổ năng lượng mặt trờiGT [ERDA/NASA-1997] Để sản xuất điện mặt trời người ta thường sử dụng 2 công nghệ: nhiệt mặt trời và pin quang điện:
Nhiệt mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo được tạo ra từ việc tập trung ánh sáng mặt trời bằng hệ thống gương hội tụ Quá trình này tạo ra nhiệt độ cao, giúp bốc hơi nước, và hơi nước sinh ra sẽ quay tuabin để sản xuất điện năng.
Pin quang điện được chế tạo từ chất bán dẫn, tạo ra điện năng khi ánh sáng mặt trời chiếu đến Các tế bào quang điện hoạt động bằng cách nhận năng lượng mặt trời, tách electron khỏi tinh thể bán dẫn và tạo thành dòng điện Do đó, pin quang điện sử dụng năng lượng mặt trời như một nguồn nhiên liệu Bài viết này sẽ trình bày về pin quang điện, cách tối ưu hóa công suất từ pin và kết nối với lưới điện.
2.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của PV
Pin quang điện sử dụng chất bán dẫn để biến đổi quang năng thành điện năng
Kỹ thuật sản xuất pin năng lượng mặt trời (PV) tương tự như quy trình chế tạo các linh kiện bán dẫn như transistor và diode Nguyên liệu chính để tạo ra pin PV cũng là tinh thể silicon, thuộc nhóm IV, giống như các linh kiện bán dẫn thông thường.
Hình 2.2: Cấu tạo các lớp PV
Phân tích dòng chảy electron và lỗ trống trong mối nối đưa đến phương trình diode quen thuộc như sau:
Với: I 0 là dòng điện ngược của diode q : điện tích electron = 1.602 x 10 -19 C k : hằng số Boltzman = 1.381 x 10 -23 J/K
Hình 2.3: Mạch tương đương của PV
Hai tham số quan trọng của PV là dòng ngắn mạch Isc và điện áp hở mạch Voc
Điện áp hở mạch (V oc) của pin mặt trời (PV) được xác định khi không có tải bên ngoài, với điều kiện chiếu sáng đạt 1 kW/m² ở nhiệt độ 25°C Sơ đồ ngắn mạch và hở mạch của PV thể hiện cách đo điện áp này trong các điều kiện tiêu chuẩn.
Dòng ngắn mạch I sc là dòng điện được đo trong mạch của hệ thống năng lượng mặt trời (PV) khi nối tắc mạch ngoài, với điện áp V = 0 Tại nhiệt độ chuẩn 25 độ C, công thức tương ứng để tính toán dòng ngắn mạch sẽ được áp dụng trong điều kiện này.
2.2.3 Mạch PV khi có tính đến các tổn hao
Cũng như diode, pin PV trong thực tế luôn có tổn hao, đặc trưng cho sự tổn hao này là các thông số Rs và R p
Hình 2.5: Sơ đồ mạch cell PV thực tế
Hình 2.6 : Đặc tính I -V ảnh hưởng bởi R s Đồ thị đặc tính của pin PV bị ảnh hưởng của Rp khi bỏ qua R s :
Hình 2.7 : Đặc tính I -V ảnh hưởng bởi R p Đồ thị đặc tính của pin PV bị ảnh hưởng cả R p và R s :
Hình 2.8: Đặc tính pin PV ảnh hưởng bởi cả R s và R p
Công thức đặc trưng của pin PV thực tế bao gồm ảnh hưởng của Rs và Rp:
(2.4) Để đơn giản hoá trong tính toán và áp dụng luật Kirchhoff trên hình 2.5, dòng điện nút được tính như sau: p d c I I I
(2.5) Áp dụng công thức (2.1) ở điều khiện chuẩn 25 o C, ta suy ra:
Như vậy, khi biết được thông số V d , dòng điện cung cấp cho tải được tính từ công thức (2.6) Và điện áp đặt lên tải tương ứng sẽ là:
Phần mô phỏng PV cell sẽ được căn cứ vào hai công thức (2.6) và (2.7) để thanh lập mô hình tương đương của PV
Một trong những trở ngại lớn của pin năng lượng mặt trời (PV) là điện áp và dòng điện làm việc rất thấp, với điện áp làm việc chỉ khoảng 0.6V Để đạt được điện áp cao, cần phải mắc nối tiếp nhiều pin PV, trong khi để tăng cường dòng điện, các pin phải được mắc song song Cụ thể, để có điện áp 21.6 Vdc từ một tấm PV thông thường, cần phải mắc nối tiếp 36 pin.
PV Một số mô đun 12 Vdc chỉ cần 20 pin PV
Hình 2.9: Hình dạng Cell, Module và Array của PV
Hình 2.10: Hình thức ghép và đường đặc tính I -V của môđun PV Điện áp của môđun PV:
Kết nối nhiều môđun PV sẽ được Array PV Muốn tăng áp ngõ ra cần nối nối tiếp nhiều môđun PV
Hình 2.11: Array PV nối tiếp
Hình 2.12: Đường đặc tính I -V của Array PV nối tiếp
Nối song song nhiều môđun PV để tăng dòng điện
Hình 2.13: Array PV nối song song
Hình 2.14: Đường đặc tính I -V của Array PV nối song song
Kết nối hỗn hợp để tăng cả áp và dòng như ở hình 2.15
Hình 2.15: Array PV nối kết hợp song song và nối tiếp
Hình 2.16: Đường đặc tính I -V của Array PV nối kết hợp song song và nối tiếp
2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến PV Đặc tính của PV bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như cường độ chiếu sáng, nhiệt độ môi trường, hiện tượng bóng râm, v.v Cường độ chiếu sáng càng lớn, thì công suất thu được của PV càng cao, dòng Isc tăng lên Nhưng ngược lại nhiệt độ cao thì
Biên độ dòng quang điện đạt mức tối đa trong điều kiện ánh sáng đầy đủ Tuy nhiên, vào những ngày nắng không hoàn toàn, dòng quang điện sẽ giảm theo tỷ lệ cường độ chiếu sáng Đặc tính I-V sẽ dịch chuyển xuống phía cường độ chiếu sáng thấp hơn, như thể hiện trong hình 2.17.
Do đó, vào những ngày có mây dòng ngắn mạch giảm đáng kể Tuy nhiên, điện áp hở mạch chỉ giảm một phần nhỏ