Trường ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Báo cáo đồ án 2. đồ án thiết kế Đề tài : NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MẠCH BÁM ĐIỂM CÔNGSUẤT CỰC ĐẠI CHO PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ ỨNG DỤNG SẠC ẮC QUY Sinh viên thực hiện Trần Văn Hợp Phạm Tuấn Anh Phạm Xuân Hoàn Đỗ Quang Huy Nguyễn Tiến Dũng
CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHUNG
TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI
Hệ thống pin mặt trời độc lập bao gồm các tấm pin mặt trời hấp thụ ánh sáng, bộ biến đổi điện tử DC/DC và DC/AC, cùng với hệ thống điều tiết và lưu trữ năng lượng bao gồm thiết bị điều tiết sạc và bình ắc quy Mỗi thành phần trong hệ thống này đóng vai trò quan trọng, quyết định đến hiệu quả hoạt động của hệ quang điện.
1.1.1 Định nghĩa và phân loại
Pin năng lượng Mặt trời, còn được gọi là pin quang điện hay tế bào quang điện, là các phần tử bán dẫn có khả năng chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện thông qua hiệu ứng quang điện Chúng chứa nhiều linh kiện cảm biến ánh sáng, hoạt động như các diode quang.
Phân loại: Dựa trên vật liệu chế tạo và cấu tạo của pin mặt trời ta có thể phân loại pin mặt trời như sau: a) Pin mặt trời Silic:
Cho đến nay, vật liệu chủ yếu được sử dụng cho pin mặt trời và các thiết bị bán dẫn là silic tinh thể Pin mặt trời từ silic tinh thể được phân thành ba loại khác nhau.
Một tinh thể module sản xuất từ quá trình Czochralski có hiệu suất lên đến 16% Tuy nhiên, loại đơn tinh thể này thường có giá thành cao do được cắt từ các thỏi hình ống, và các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối của các module.
Đa tinh thể được sản xuất từ các thỏi silic nung chảy, được làm nguội và làm rắn Mặc dù các pin đa tinh thể thường có giá rẻ hơn so với pin đơn tinh thể, nhưng hiệu suất của chúng lại thấp hơn Tuy nhiên, ưu điểm của chúng là khả năng tạo thành các tấm vuông, giúp che phủ bề mặt lớn hơn, bù đắp cho hiệu suất kém.
Dải silic được tạo ra từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy với cấu trúc đa tinh thể, mặc dù hiệu suất thấp nhất nhưng loại này có giá thành rẻ nhất do không cần cắt từ thỏi silicon Công nghệ sản xuất này tạo ra các tấm silic có độ dày 300 μm, sau đó được xếp lại để tạo thành module Bên cạnh đó, pin mặt trời còn được phát triển từ các vật liệu mới, mở ra tiềm năng cải tiến hiệu suất và giảm chi phí sản xuất.
Pin Mặt trời nhạy cảm chất màu DSC (Dye - sensitized solar cell):
1 http://vi.wikipedia.org/wiki/Pin_m%E1%BA%B7t_tr%E1%BB
%9Di#L.E1.BB.8Bch_s.E1.BB.AD_c.E1.BB.A7a_pin_m.E1.BA.B7t_tr.E1.BB.9Di
2 http://www.pinmattroi.com/kien-thuc-co-ban-ve-pin-mat-troi/phan-loai-cau-tao-va-hoat-dong-cua-pin-
DSC là loại pin mặt trời mới, giá rẻ và dễ sản xuất, được phát triển lần đầu bởi Michael Gratzel tại trường Bách khoa Lausane, Thụy Sĩ vào năm 1991 Loại pin này còn được biết đến với tên gọi là pin Gratzel.
Pin mặt trời dạng keo nước (Lá nhân tạo):
Pin mặt trời dạng keo nước, hay còn gọi là lá nhân tạo, là loại pin có khả năng uốn cong, được chế tạo từ keo nước chứa các phân tử nhạy sáng kết hợp với điện cực phủ chất liệu cacbon như ống nano cacbon hoặc than chì Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào, các phân tử nhạy sáng sẽ được kích thích và tạo ra điện năng, tương tự như cơ chế tổng hợp đường trong quá trình sinh trưởng của thực vật.
Hiện tại, việc ứng dụng loại pin này vẫn chưa được công bố do hiệu suất hoạt động của pin vẫn còn thấp.
Ngoài các loại pin mặt trời truyền thống, hiện nay còn nhiều loại pin mặt trời mới đang được nghiên cứu và phát triển, bao gồm pin mặt trời sử dụng chấm lượng tử nhạy sáng (QDSSC), pin mặt trời hữu cơ (polyme), pin mặt trời quang điện hóa, và pin mặt trời lai vô cơ - hữu cơ.
1.1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin mặt trời
1.1.2.1 Cấu tạo và hoạt động của pin mặt trời Silic
Một tế bào pin mặt trời gồm 4 lớp chính:
Lớp chất bán dẫn loại n.
Lớp chất bán dẫn loại p.
Lớp nền tiếp xúc kim loại.
Hình 1 1:Cấu tạo tế bào pin mặt trời Silic
1 Lớp chống phản xạ ánh sáng 2.Điện cực lưới mặt trên 3 Lớp bán dẫn
4.Lớp tiếp xúc bán dẫn p_n 5.Lớp bán dẫn p_Si 6.Điện cực dưới
Trong đó bán dấn Silic loại n được chế tạo bằng cách khuếch tán vào đơn tinh thể Silic những nguyên tố hóa trị V như Photpho, Antinium, Arsenic…
Bán dẫn Silic loại p được chế tạo bằng cách khuếch tán vào đơn tinh thể Silic những nguyên tố hóa tri III như: Bo, Al…
Khi một photon chạm vào một mảnh silic, một trong hai điều sau sẽ xảy ra:
Photon có khả năng truyền trực tiếp qua mảnh silic khi năng lượng của chúng thấp hơn mức cần thiết để kích thích các electron lên trạng thái năng lượng cao hơn.
Năng lượng của photon được silic hấp thụ khi năng lượng của photon vượt quá mức năng lượng cần thiết để nâng electron lên trạng thái năng lượng cao hơn.
Một photon cần có năng lượng lớn hơn mức tối thiểu để kích thích electron lớp ngoài cùng dẫn điện Với tần số của Mặt trời khoảng 6000°K, phần lớn năng lượng từ Mặt trời được Silic hấp thụ.
Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó truyền đến các electron trong mạng tinh thể, thường là các electron lớp ngoài cùng bị gắn kết với nguyên tử lân cận và không thể di chuyển xa Khi các electron này được kích thích, chúng trở thành dẫn điện và có khả năng di chuyển tự do trong bán dẫn Điều này dẫn đến việc nguyên tử thiếu một electron, tạo ra "lỗ trống" Lỗ trống này cho phép các electron của nguyên tử bên cạnh di chuyển để lấp đầy, từ đó tạo ra lỗ trống cho các nguyên tử lân cận Quá trình này tiếp tục, khiến "lỗ trống" di chuyển xuyên suốt mạch bán dẫn.
Khi electron và "lỗ trống" sinh ra tách biệt tại hai vùng của chuyển tiếp p-n, chúng được chuyển ra ngoài tải, tạo nên quá trình tách hạt tải và sinh ra dòng quang điện.
1.1.2.2 Cấu tạo và hoạt động của pin mặt trời DSC
Hình 1 2:Cấu tạo pin mặt trời DSC
Cấu tạo nguyên thuỷ của pin DSC bao gồm ba phần chính: lớp dẫn điện trong suốt làm anôt từ oxit thiếc pha tạp fluor (SnO2: F) được phủ lên tấm thuỷ tinh, lớp dẫn điện SnO2: F kết hợp với hạt bột oxyt titan TiO2 được nhúng vào hỗn hợp màu nhạy quang ruthenium-polypyridin, tạo thành lớp màu nhạy quang bám dính bằng liên kết cộng hoá trị Cuối cùng, mặt sau pin được tráng bằng chất điện ly iôt và đậy kín bằng tấm điện cực kim loại, thường là platin, để ngăn ngừa rò rỉ dung dịch.
1.1.2.2.2 Nguyên lý hoạt động, ưu và nhược điểm
BỘ CHUYỂN ĐỔI BÁM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI
1.2.1 Các bộ chuyển đổi điện áp DC-DC
Bộ biến đổi điện áp một chiều, hay còn gọi là bộ băm điện áp, sử dụng các ngắt điện bán dẫn để chuyển đổi nguồn điện một chiều thành chuỗi xung áp, từ đó điều chỉnh giá trị trung bình của điện áp ra Để thực hiện việc đóng cắt điện áp nguồn, người ta thường sử dụng các khóa điện tử công suất vì tính hiệu quả và độ tin cậy của chúng.
Khóa lý tưởng trong điện tử công suất có đặc tính quan trọng: khi khóa dẫn điện (đóng), điện trở gần như bằng không; ngược lại, khi khóa ngắt (mở ra), điện trở trở nên vô cùng lớn, dẫn đến điện áp trên tải bằng không.
Nguyên lý cơ bản của bộ biến đổi điện áp một chiều được mô tả như trên hình 1-8:
Hình 1 12: Sơ đồ nguyên lý và đồ thị của bộ biến đổi xung áp
Trong khoảng thời gian từ 0 đến t1, khi khóa K đóng lại, điện áp trên tải UR sẽ bằng điện áp nguồn (UR = E) Tuy nhiên, trong khoảng thời gian từ t1 đến T, khi khóa K mở ra, điện áp trên tải UR sẽ giảm xuống còn 0.
Như vậy giá trị trung bình của điện áp trên tải sẽ là:
818\* MERGEFORMAT (.) λ – thời gian khóa K đóng; γ – hệ số điều chỉnh;
T – chu kỳ đóng cắt của khóa K;
Biểu thức cho thấy để thay đổi điện áp trên tải có hai cách:
Thay đổi thời gian đóng khóa K, khi giữ chu kỳ đóng cắt không đổi (phương pháp điều chế độ rộng xung)
Thay đổi tần số đóng cắt (f = 1/T) và giữ thời gian đóng khóa K không đổi (λ const). Ưu điểm:
Hiệu suất cao vì tổn hao công suất trong bộ biến đổi không đáng kể so với bộ biến đổi liên tục
Độ chính xác cao và khả năng ít bị ảnh hưởng bởi môi trường là những ưu điểm nổi bật, nhờ vào yếu tố điều chỉnh là thời gian đóng khóa K, thay vì giá trị điện trở của các phần tử điều chỉnh thường thấy trong các bộ điều chỉnh liên tục.
Chất lượng điện áp tốt hơn so với các bộ điều chỉnh liên tục
Cần có bộ lọc đầu ra, do đó làm tăng quán tính của bộ biến đổi khi làm việc trong hệ thống kín.
Tần số đóng cắt lớn sẽ tạo ra nhiễu cho nguồn cũng như các thiết bị điều khiển.
Về nguyên lý, sơ đồ biến đổi DC-DC có thể được phân thành 2 nhóm cơ bản sau:
1.2.1.2.1 Sơ đồ biến đổi DC-DC không cách ly
Nhóm sơ đồ biến đổi này tạo ra điện áp một chiều thông qua quá trình phóng nạp tụ điện từ dòng điện qua cuộn cảm L, được cung cấp bởi nguồn cấp Điện áp đầu ra một chiều thay đổi nhờ vào việc điều chỉnh phóng nạp thông qua van công suất, được mắc hợp lý tùy thuộc vào từng sơ đồ Các bộ biến đổi phổ biến theo nguyên lý này bao gồm nhiều loại khác nhau.
Sơ đồ biến đổi DC-DC không cách ly có mạch đơn giản và giá thành thấp, nhưng do không có sự cách ly giữa nguồn vào và nguồn ra, nó dễ bị nhiễu tải ảnh hưởng ngược lại nguồn đầu vào và các thiết bị trong mạch Điều này dẫn đến công suất hạn chế và chất lượng đầu ra không cao Vì vậy, sơ đồ này thường được sử dụng trong các ứng dụng công suất nhỏ mà không yêu cầu chất lượng cao.
1.2.1.2.2 Sơ đồ biến đổi DC-DC có cách ly
Nhóm sơ đồ biến đổi này chuyển đổi điện áp một chiều đầu vào thành điện áp xoay chiều cao tần, sau đó nâng biên độ điện áp xoay chiều qua biến áp xung Qua hệ thống lọc LC, ta thu được điện áp một chiều với biên độ mong muốn Các sơ đồ phổ biến theo nguyên lý này bao gồm nhiều loại khác nhau.
Sơ đồ biến đổi FlyBack.
Sơ đồ biến đổi Push-Pull.
Sơ đồ biến đổi Half-Bridge.
Sơ đồ biến đổi Full-Bridge.
Biến áp xung mang lại lợi ích trong việc cách ly nguồn đầu vào và đầu ra, giúp hạn chế nhiễu tải ảnh hưởng đến nguồn và thiết bị trong mạch, đồng thời cho phép điều chỉnh điện áp đầu ra một cách linh hoạt với công suất lớn Tuy nhiên, nó cũng có nhược điểm như làm tăng kích thước mạch, tăng chi phí và gây khó khăn trong việc điều khiển, đồng thời cần tránh hiện tượng bão hòa từ biến áp.
Sơ đồ biến đổi DC-DC có cách ly là lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng công suất lớn, đảm bảo chất lượng cao và yêu cầu cách ly điện.
1.2.1.3 Một số sơ đồ bộ biến đổi DC-DC phổ biến
1.2.1.3.1 Bộ biến đổi giảm áp (buck converter)
Mạch buck có chức năng giảm điện áp đầu vào nhờ việc đóng mở khóa K ở tần số cao.
Hệ số làm việc D của khóa được xác định theo công thức:
Hình 1 13: Sơ đồ nguyên lý mạch buck
Trong thời gian mở khóa K thông cho dòng đi qua, điện áp một chiều được nạp vào vào tụ C2 và cấp năng lượng cho tải qua cuộn kháng L
Hình 1 14: Dạng sóng điện áp và dòng điện của mạch buck
Trong thời gian ngắt, khi khóa K đóng lại, dòng điện không còn chảy qua và năng lượng một chiều từ đầu giảm xuống bằng 0 Dù vậy, tải vẫn nhận đủ điện năng nhờ vào năng lượng được lưu trữ trong cuộn kháng và tụ điện, do Điot giữ mạch khép kín.
Cuộn kháng và tụ điện có vai trò quan trọng trong việc lưu trữ năng lượng tạm thời, giúp duy trì mạch điện khi khóa K được đóng Trong điều kiện ổn định, năng lượng trên cuộn kháng được cân bằng trong suốt quá trình đóng mở khóa.
10110\* MERGEFORMAT (.) Nên khi K mở (TON):
Nếu cuộn kháng đủ lớn, thì dòng điện cảm ứng biến thiên ít, giá trị cực đại của dòng điện được tính như sau: 0
Trong đó I0 là dòng tải:
Từ các công thức trên suy ra: out in
Điện áp ra của bộ biến đổi có thể được điều chỉnh thông qua hệ số làm việc D, mà hệ số này được kiểm soát bằng cách điều chỉnh độ rộng xung thời gian mở Ton Vì lý do này, bộ biến đổi này thường được gọi là bộ điều chế xung PWM.
1.2.1.3.2 Bộ biến đổi tăng áp (boost converter)
Hình 1 15: Sơ đồ nguyên lý mạch boost
Bộ boost hoạt động tương tự như bộ buck, sử dụng cuộn kháng L để thực hiện chuyển đổi năng lượng Trong quá trình hoạt động, công tắc K đóng mở theo chu kỳ Khi K mở, dòng điện chạy qua cuộn kháng trong khoảng thời gian Ton, giúp cuộn kháng tích trữ năng lượng.
K đóng (Toff) cuộn kháng giải phóng năng lượng qua đi-ốt tới tải.
Khi khóa K mở, cuộn cảm kết nối với nguồn một chiều Khi khóa K đóng, dòng điện cảm ứng sẽ chạy vào tải thông qua Diode Điện áp ra được tính theo công thức dựa trên hệ số làm việc D của khóa K.
Phương pháp này cho phép điều chỉnh Ton trong chế độ dẫn liên tục, nhằm tối ưu hóa điện áp vào V1 tại điểm công suất cực đại tương ứng với tải V0.
Hình 1 16: Dạng sóng điện áp và dòng điện mạch boost
1.2.1.3.3 Bộ biến đổi đảo áp (buck-boost converter)
Hình 1 17: Sơ đồ nguyên lý mạch buck-boost
Kết hợp cả 2 mạch trên với nhau thì tạo thành mạch buck- boost vừa có thể tăng và giảm điện áp vào.
BỘ SẠC ẮC QUY
1.3.1 Các thông số của ắc quy
Dung lượng ắc quy thường được đo bằng Ampe-giờ (Ah), phản ánh năng lượng điện mà ắc quy cung cấp với một dòng điện nhất định trong khoảng thời gian cụ thể Thời gian tiêu chuẩn để xác định dung lượng thường là 5 giờ, 10 giờ và 20 giờ, tương ứng với các ký hiệu C5, C10 và C20 Dòng điện được sử dụng để xác định dung lượng thường là 10% hoặc 20% của giá trị C.
1.3.1.2 Điện áp ngưỡng thấp nhất
Giá trị điện áp thấp nhất cho phép trong quá trình vận hành ắc quy được xác định khi dung lượng đạt bằng không, tức là ắc quy đã phóng hết điện Nếu dòng phóng vượt quá giá trị này, điện áp của ắc quy sẽ giảm xuống mức thấp hơn Giá trị này thường được cung cấp bởi nhà sản xuất.
1.3.1.3 Điện áp hở mạch Điện áp giữa hai cực của ắc quy khi không trong quá trình phóng cũng như quá trình nạp Điện áp hở mạch của ắc quy chì-axit phụ thuộc vào nhiệt độ, tỷ trọng đặc trưng, thường có giá trị khoảng 2,1V Do tỷ trọng của ắc quy phụ thuộc vào dung lượng mà ắc quy đang có. Khi ắc quy phóng điện, dung lượng giảm đi nên điện áp khi hở mạch của ắc quy cũng giảm theo.
1.3.1.4 Điện trở trong (nội trở)
Trị số điện trở bên trong của ắc quy, bao gồm điện trở của các bản cực và điện trở của dung dịch điện phân, được tính đến sự ngăn cách giữa các tấm ngăn Giá trị này thường rất nhỏ, cho thấy hiệu suất tốt của ắc quy.
Nội trở ắc-quy đóng vai trò quan trọng trong quá trình sạc và tải, cũng như trong việc sinh nhiệt Giá trị nội trở thường nằm trong khoảng từ vài mΩ đến dưới 3Ω Sự thay đổi của nội trở ắc-quy là kết quả của các phản ứng hóa học diễn ra trong quá trình hoạt động, dẫn đến sự gia tăng nội trở theo thời gian do các chất sinh ra Tuy nhiên, nội trở không biến thiên tuyến tính theo điện áp hay dung lượng, mà chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố hóa học và cấu trúc hình học của ắc-quy.
1.3.2 Đặc tính phóng nạp của ắc quy
1.3.2.1 Đặc tính phóng của ắc quy Đặc tính phóng của ắc qui là đồ thị biểu diễn quan hệ phụ thuộc của sức điện động, điện áp ắc qui và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian phóng khi dòng điện phóng không thay đổi
Hình 1 30: Đặc tính phóng của ắc quy
Từ đặc tính phóng của ắc qui như trên hình vẽ ta có nhận xét sau:
Trong giai đoạn phóng điện từ tp = 0 đến tp = tgh, sức điện động và nồng độ dung dịch điện phân giảm dần, nhưng độ dốc của các đồ thị không lớn Đây được gọi là giai đoạn phóng ổn định, hay thời gian phóng điện cho phép tương ứng với từng chế độ phóng điện của ắc quy.
Từ thời gian tgh trở đi, độ dốc của đồ thị thay đổi đột ngột, dẫn đến việc nếu tiếp tục phóng điện ắc quy, sức điện động và điện áp sẽ giảm nhanh chóng Các tinh thể sun phát chì (PbSO4) hình thành trong phản ứng trở nên thô rắn và khó hòa tan, gây khó khăn trong quá trình nạp điện lại sau này Thời điểm tgh được gọi là giới hạn phóng điện cho phép của ắc quy, với các giá trị Ep, Up, ρ tại tgh là các giá trị giới hạn phóng điện Lưu ý rằng ắc quy không nên được phóng điện khi dung lượng còn khoảng 80%.
Sau khi ngắt mạch phóng điện, sức điện động, điện áp của ắc quy và nồng độ dung dịch điện phân sẽ tăng lên, hiện tượng này được gọi là thời gian hồi phục hay khoảng nghỉ của ắc quy Thời gian hồi phục này phụ thuộc vào chế độ phóng điện, bao gồm dòng điện phóng và thời gian phóng.
1.3.2.2 Đặc tính nạp của ắc quy
Đặc tính nạp của ắc quy là đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa sức điện động, điện áp và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian nạp, khi dòng điện nạp giữ nguyên không thay đổi.
Từ đồ thị đặc tính nạp ta có các nhận xét sau :
- Trong khoảng thời gian từ tn= 0 đến tn= ts thì sức điện động, điện áp, nồng độ dung dịch điện phân tăng dần.
Khi các bọt khí xuất hiện trên bề mặt các bản cực âm, hiện tượng này được gọi là "sôi", và hiệu điện thế giữa các bản cực của ắc quy đơn sẽ tăng lên 2,4 V Nếu quá trình nạp tiếp tục, giá trị này có thể nhanh chóng đạt 2,7 V và duy trì ở mức đó Thời gian này được gọi là thời gian nạp no, giúp các chất bên trong các bản cực được biến đổi tuần hoàn, từ đó tăng cường dung lượng phóng điện của ắc quy.
Thời gian nạp no cho ắc quy kéo dài từ 2 đến 3 giờ, trong suốt thời gian này, hiệu điện thế trên các bản cực và nồng độ dung dịch điện phân không thay đổi Do đó, dung lượng thu được khi ắc quy phóng điện luôn nhỏ hơn dung lượng cần thiết để nạp no ắc quy.
Sau khi ngắt mạch nạp, điện áp và sức điện động của ắc quy sẽ giảm xuống và ổn định, đồng thời nồng độ dung dịch điện phân cũng giảm Thời gian này được gọi là khoảng nghỉ của ắc quy sau khi nạp.
- Trị số dòng điện nạp ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng và tuổi thọ của ắc qui Dòng điện nạp định mức đối với ắc qui là In= 0,1.Q10
1.3.3 Các phương pháp nạp ắc quy tự động.
1.3.3.1 Nạp với dòng điện không đổi
Phương pháp nạp điện với dòng nạp không đổi cho phép lựa chọn dòng điện phù hợp cho từng loại ắc quy, giúp đảm bảo ắc quy được nạp đầy Đây là kỹ thuật thường được áp dụng trong các xưởng bảo trì sửa chữa để nạp điện cho ắc quy mới hoặc khôi phục ắc quy bị sunfat hóa.
Với phương pháp này, các ắc quy được mắc nối tiếp nhau và thỏa mãn điều kiện:
Naq: số ngăn ắc quy đơn mắc trong mạch nạp
Trong quá trình nạp ắc quy, sức điện động sẽ tăng dần, do đó cần sử dụng biến trở R trong mạch nạp để duy trì dòng điện nạp ổn định Trị số giới hạn của biến trở được xác định bằng một công thức cụ thể.
Hình 1 32: Sơ đồ đặc tính nạp với dòng điện không đổi
KẾT LUẬN
Trong chương này, nhóm đã nghiên cứu các phương pháp tối ưu hóa điểm làm việc cho hệ thống pin năng lượng mặt trời và các kỹ thuật sạc ắc quy Tuy nhiên, vấn đề đặt ra là làm thế nào để kết hợp hai thuật toán này mà không ảnh hưởng đến hiệu suất của từng thuật toán Để giải quyết vấn đề này, chúng tôi đã đề xuất hai phương án khả thi.
Phương án 1: Thực hiện thuật toán sạc ắc quy như sau:
Phương pháp sạc theo dòng là cách tối ưu để khai thác công suất tối đa từ pin mặt trời, đồng thời đảm bảo dòng nạp không vượt quá giới hạn cho phép của ắc quy Để thực hiện phương pháp này, điện áp sạc cho ắc quy 12V cần đạt 16,2V (theo công thức 2,7.6), điều này có thể làm giảm góc điều khiển của hệ thống, khiến giá trị D chỉ nằm trong một khoảng nhất định.
Khi pin đạt 80% mức sạc, chúng ta chuyển sang chế độ ổn áp, trong đó điện áp nạp được giữ ổn định và thuật toán tối ưu hóa điểm làm việc sẽ không được sử dụng.
Phương án 2 cải tiến phương án 1 bằng cách thực hiện hai bước tương tự nhưng bổ sung bộ chuyển đổi DC-DC tăng áp vào đầu ra của mạch Điều này giúp khắc phục nhược điểm của phương án 1, giảm góc điều khiển của hệ thống trước khi nạp vào ắc quy.
Bộ chuyển đổi này có nhiệm vụ điều chỉnh điện áp sạc phù hợp cho các chế độ khi điện áp ra của bộ MPPT thay đổi
Mặc dù phương án 2 đã khắc phục nhược điểm của phương án 1 bằng cách giảm góc điều khiển, việc lắp thêm bộ chuyển đổi lại làm giảm hiệu suất chuyển đổi của toàn mạch Hơn nữa, cần phải điều chỉnh điện áp để đảm bảo dòng điện sạc nằm trong giới hạn của ắc quy, nhưng điều này không ảnh hưởng đến việc thực hiện thuật toán MPPT.
TOÁN THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG
THIẾT KẾ BỘ CHUYỂN ĐỔI BÁM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI TỪ 2 TẤM
Công suất lớn nhất (Pmax) 20W(±5%) Điện áp tại điểm công suất lớn nhất(Vmp) 17.5V
Dòng điện tại điểm công suất lớn nhất(Imp) 1.15A Điện áp hở mạch (Voc) 21.5 V
Dòng điện ngắn mạch (Isc) 1.24A Điều kiện thử nghiệm AM1.5,1000W/m 2 ,25℃
Ắc quy chì-axit 12V-5Ah/10h; sạc thường 0.5A x 5-10(h), sạc nhanh 5A x 0.5(h) Đặt ra bài toán thiết kế:
2.1 THIẾT KẾ BỘ CHUYỂN ĐỔI BÁM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI TỪ 2 TẤM PIN MẶT TRỜI
2.1.1 Thiết kế mạch DC-DC cho bộ MPPT
Trong nhiều ứng dụng, có thể sử dụng nhiều loại mạch DC-DC khác nhau, nhưng để đơn giản hóa và tương thích với các thiết bị hiện có, mạch buck converter là lựa chọn tối ưu.
Yêu cầu thiết kế: 2 tấm pin
Đầu vào: Pin mặt trời 35V-40W
Đầu ra: Độ dao động dòng điện trên cuộn cảm ∆IL = 30%IL
Tấn số đóng cắt f = 14500 Hz
2.1.1.1 Tính toán lựa chọn tham số cơ bản
Giả sử hiệu suất của bộ biến đổi là lý tưởng, ta có:
Công suất: Pin=Pout@W Điện trở tải: mục đích mạch dùng cho tải ắc quy có nội trở R < 3Ω
Dòng điện qua cuộn cảm:
V Chu kỳ hoạt động D: D chạy từ 0 – 1, do đó có Dmax = 1
Giá trị độ dao động dòng điện trên cuộn cảm: I L 30% I L 0,3.1,14 0,342A
Hệ số làm việc của khóa K: Dmax = 1
L được tính theo công thức: max 3
2.1.1.3 Chọn tụ đầu vào Độ dao động dòng điện đầu vào:
Gợn điện áp đầu vào: 200mV
Lựa chọn giá trị ESR của tụ: 0.12Ω
Dòng qua khóa K và diode ít nhất bằng với dòng điện cực đại qua cuộn cảm L Do đó
I I I , và diode là diode xung đảm bảo đóng cắt với tần số lớn.
Chọn: Diode xung 1N5822 có thể dẫn dòng tới 3A tại nhiệt độ 95 o C.
Khóa K là mosfet IRF540 có thông số:
2.1.1.5 Tính chọn tụ điện đầu ra
Công thức tính điện áp dao động trên tụ điện:
Lựa chọn độ dao động điện áp 50mV
Như đã trình bày ở chương 1, MPPT là phương pháp tối ưu hóa công suất của hệ thống năng lượng mặt trời thông qua việc điều khiển chu kỳ đóng mở của khoá điện tử trong bộ DC/DC Trong đồ án này, nhóm áp dụng phương pháp PSO và thay vì điều khiển trực tiếp điện áp V, chúng tôi điều khiển gián tiếp thông qua biến D, với lưu đồ thuật toán được thiết kế cụ thể.
Hình 2 1: Lưu đồ PSO điều khiển D
Có nhiều phần mềm hỗ trợ mô phỏng bài toán, trong đó Matlab và Psim là những lựa chọn phổ biến Trong bài viết này, tôi sẽ tập trung vào việc sử dụng Matlab để mô phỏng, nhấn mạnh những ưu điểm nổi bật của nó.
Đơn giản, dễ sử dụng.
Tích hợp sẵn các công cụ xử lý kết quả.
MÔ PHỎNG BÀI TOÁN BÁM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI
2.2.1 Mô phỏng pin năng lượng mặt trời
Sử dụng mô hình pin mặt trời có sãn trong Matlab:
Hình 2 2: Khối mô phỏng pin năng lượng mặt trời trong matlab
Cài đặt thông số cho pin mặt trời:
Hình 2 3: Cài đặt thông số cho pin mặt trời
Khi chạy pin ở thông số chuẩn với cường độ bức xạ Ir0 = 1000 W/m² và nhiệt độ 25°C, điện áp đầu vào của pin được điều chỉnh tăng dần từ 0 đến 25 V Với các thông số cơ bản của pin, dòng điện ngắn mạch ISC là 1.24 V và điện áp hở mạch VOC1 là 0.5375 V cho một phần tử Khi kết nối 40 phần tử pin theo kiểu ghép nối tiếp, điện áp hở mạch tổng cộng của pin đạt được là VOC = 0.5375 * 40 = 21.5 V.
Ta sẽ thu được các đường đặc tính của pin như sau: Đặc tính I-V của pin:
Hình 2 4: Đặc tính I-V của pin mô phỏng Đặc tính P-V của pin:
Hình 2 5: Đặc tính P-V của pin mô phỏng
Các đồ thị đặc tính pin đã thể hiện chính xác các thông số của pin so với thưc tế.
Mô hình này thực hiện mô phỏng với hai cường độ bức xạ chuẩn Ir0 = 1000 W/m² và Ir = 750 W/m², cho ra đồ thị P-V như hình 2-9 Từ hai cường độ bức xạ này, ta thu được giá trị Pmax lần lượt là 20W và 15,3W Những giá trị này sẽ được so sánh với kết quả thu được khi sử dụng bộ MPPT.
Hình 2 6: Đặc tính P-V của pin mặt trời ứng với cường độ bức xạ 1000 W/m2, và 750 W/m2
2.2.2 Mô phỏng hệ thống MPPT
Hệ thống được mô phỏng gồm 4 khối chính: Khối buck converter, khối thuật toán MPPT, khối pin mặt trời và khối tải.
Hình 2 7: Mô phỏng MPPT trên MATLAB
Hình 2 8: Kết quả mô phỏng