Đồ án tốt nghiệp điện tự động công nghiệp tìm hiểu năng lượng tái tạo và thuật toán INC bám điểm công suất cực đại cho pin mặt trời

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 năng lượng mặt trời, gió, mưa, thủy triều, song và địa nhiệt Nguyên tắc cơ bản của việc sử dụng năng lượng tái tạo là khai thác năng lượng từ các quy trình tự nhiên diễn ra liên tục và chuyển đổi chúng thành năng lượng 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 hiểu theo hai nghĩa: một là năng lượng tồn tại dồi dào 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 trong thời gian ngắn và liên tục, chẳng hạn như năng lượng sinh khối, trong các quy trình diễn ra lâu dài trên Trái Đất.

Theo vật lý, năng lượng không thể tái tạo mà chủ yếu đến từ Mặt Trời, sau đó được chuyển đổi thành các dạng năng lượng khác nhau Năng lượng này có thể được sử dụng ngay lập tức hoặc được lưu trữ tạm thời tùy thuộc vào nhu cầu.

Khái niệm “tái tạo” thường được hiểu là các chu kỳ tái tạo ngắn hơn nhiều so với thời gian của con người, như khí sinh học so với năng lượng hóa thạch Trong cảm nhận thời gian của con người, Mặt Trời sẽ tiếp tục cung cấp năng lượng gần như vô tận Mặt Trời không chỉ là nguồn năng lượng chính cho nhiều quy trình trong bầu sinh quyển Trái Đất mà còn cung cấp nguyên liệu tái tăng trưởng cho con người Các yếu tố như gió, nước và nhiệt lượng từ Mặt Trời đã được con người khai thác từ xa xưa Đặc biệt, trong thời đại công nghiệp, sức nước được xem xét từ góc độ kỹ thuật và chi phí sinh thái là rất quan trọng.

Ngược lại với việc sử dụng các quy trình năng lượng bền vững, việc khai thác nguồn năng lượng như than đá và dầu mỏ đang diễn ra nhanh chóng hơn so với khả năng tái tạo của chúng Theo định nghĩa về năng lượng "vô tận", phản ứng tổng hợp hạt nhân (phản ứng nhiệt hạch) và phản ứng phân rã hạt nhân (phản ứng phân hạch) với các lò phản ứng tái sinh có thể được coi là nguồn năng lượng tái tạo, miễn là năng lượng hao tốn trong quá trình khai thác uranium hoặc thorium được giữ ở mức thấp, mặc dù chúng thường không được xếp vào loại năng lượng tái tạo.

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 nguồn năng lượng đều được sử dụng để đáp ứng 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, chi phí đầu tư và sử dụng cơ sở vật chất cho các thiết bị này thường 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 của người dân dẫn đến nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng cao Hiện nay, nguồn năng lượng chủ yếu được sử dụng là dầu, than đá và khí gas.

Việc khai thác mạnh mẽ nguồn năng lượng hoá thạch quý giá đang dẫn đến nguy cơ cạn kiệt và mất an ninh năng lượng ở nhiều quốc gia Do đó, các nước trên thế giới đang chú trọng phát triển và khai thác năng lượng tái tạo để đảm bảo nguồn cung năng lượng bền vững.

Năng lượng tái tạo cung cấp nguồn điện ngoài lưới tại chỗ với chi phí thấp, góp phần nâng cao an ninh năng lượng Đầu tư đúng hướng vào phát triển năng lượng tái tạo sẽ giúp giải quyết vấn đề năng lượng, khai thác tài nguyên thiên nhiên một cách hợp lý và bảo vệ môi trường, từ đó đảm bảo sự 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 tích cực phát triển và ứng dụng năng lượng tái tạo Nguyên nhân chính là do nguồn năng lượng truyền thống như than, dầu và khí đang dần cạn kiệt, giá cả biến động, bị ảnh hưởng bởi các yếu tố chính trị, và việc sử dụng chúng dẫn đến phát thải khí nhà kính, góp phần vào hiệu ứng nóng lên toàn cầu.

Thế giới đang chứng kiến sự kết thúc của thời đại "vàng đen" giá rẻ khi giá dầu mỏ quốc tế liên tục tăng cao, lập nhiều kỷ lục mới Tình hình này không có dấu hiệu dừng lại, khiến nhiều quốc gia phải xem xét các phương án tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế.

Đến năm 2010, các quốc gia mong muốn giảm sự phụ thuộc vào dầu mỏ, khí đốt và than đá dự kiến sẽ đạt từ 5% đến 30% tổng sản lượng điện năng thông qua việc sử dụng thủy điện, năng lượng mặt trời, năng lượng gió và các nguồn năng lượng sinh học.

Các quốc gia có kế hoạch năng lượng tái tạo tham vọng nhất bao gồm Áo, dự kiến đáp ứng 78% nhu cầu năng lượng từ nguồn tái tạo vào năm 2010, Thụy Điển với 60% và Latvia đạt 49,3% Nguồn năng lượng xanh chủ yếu hiện nay là từ gió, với sản lượng điện toàn cầu từ gió tăng 28% trong năm 2007, đạt 95 gigawatt Trong khi đó, năng lượng mặt trời đang phát triển mạnh mẽ 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 cao bên trong lòng đất Nó xuất phát từ quá trình hình thành ban đầu của hành tinh, sự phân hủy phóng xạ của các khoáng vật, và năng lượng mặt trời được hấp thụ trên bề mặt Trái Đất.

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 ứng dụng trong sản xuất điện Tính đến năm 2007, trên toàn 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 thêm 28 GW công suất nhiệt địa nhiệt trực tiếp được sử dụng cho sưởi ấm, spa, các quá trình công nghiệp, lọc nước biển và nông nghiệp tại một số khu vực.

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 giới hạn ở những khu vực gần ranh giới kiến tạo mảng Tuy nhiên, các tiến bộ khoa học kỹ thuật đã mở rộng phạm vi và quy mô của nguồn tài nguyên này, đặc biệt trong các ứng dụng trực tiếp như sưởi ấm hộ gia đình Mặc dù giếng địa nhiệt có thể giải phóng khí thải nhà kính từ sâu trong lòng đất, nhưng lượng 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 thủy triều, hay còn gọi là điện thủy triều, là một dạng năng lượng tái tạo được tạo ra từ sự chuyển động của nước do thuỷ triều, có khả năng chuyển đổi thành điện năng và các dạng năng lượng hữu ích khác.

Mặc dù năng lượng thuỷ triều chưa được sử dụng phổ biến, nhưng nó có tiềm năng lớn trong sản xuất điện năng tương lai nhờ vào khả năng dự đoán tốt hơn so với gió và mặt trời Chi phí thực hiện năng lượng thuỷ triều vẫn cao và chỉ khả thi ở những khu vực có thuỷ triều mạnh hoặc dòng chảy lớn Tuy nhiên, với sự phát triển công nghệ và thiết kế như năng lượng thuỷ triều động và tua bin hiện đại, tổng công suất có thể vượt xa dự đoán trước đây, giúp giảm chi phí kinh tế và môi trường Lịch sử cho thấy, cối xoay thuỷ triều đã được áp dụng tại Châu Âu và Bắc Mỹ từ thời Trung Cổ, trong khi việc sử dụng dòng chảy nước để sản xuất điện đã xuất hiện từ thế kỷ 19.

Nhà máy thủy điện quy mô lớn đầu tiên trên thế giới là trạm điện thủy triều Rance ở Pháp, bắt đầu hoạt động vào năm 1966 Đây là trạm thủy triều có sản lượng lớn nhất 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 và có 10 tuabin, tạo ra công suất lên đến 254 MW.

Năng lượng gió, được hình thành từ động năng của không khí trong khí quyển Trái Đất, là một dạng năng lượng gián tiếp từ mặt trời Việc khai thác năng lượng gió là một trong những phương pháp truyền thống nhất để thu nhận năng lượng từ môi trường tự nhiên, đã được biết đến từ thời kỳ Cổ đại.

Năng lượng gió đã được khai thác hàng trăm năm qua, từ việc sử dụng để di chuyển thuyền buồm và khinh khí cầu cho đến việc tạo công cơ học qua các cối xay gió Ý tưởng sản xuất điện từ năng lượng gió xuất hiện ngay sau khi điện và máy phát điện được phát minh Ban đầu, cối xay gió chỉ được cải tiến nhỏ, chuyển đổi động năng của gió thành năng lượng điện thông qua máy phát điện Sự phát triển của cơ học dòng chảy đã dẫn đến việc thiết kế các thiết bị và cánh quạt đặc biệt hơn, tạo ra tuốc bin gió hiện đại Sau các cuộc khủng hoảng dầu vào thập niên 1970, nghiên cứu và phát triển năng lượng từ gió đã được thúc đẩy mạnh mẽ trên toàn thế giới.

- Sản xuất điện từ năng lượng gió

Gió không thổi đều đặn, vì vậy để đảm bảo cung cấp năng lượng liên tục, điện 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 giải pháp hiệu quả là sử dụng nhà máy phát điện có bơm trữ, bơm nước vào các bồn chứa trên cao để vận hành tuốc bin khi gió yếu Tuy nhiên, việc xây dựng những nhà máy này ảnh hưởng lớn đến môi trường, do cần xây dựng 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 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, tạo ra điện năng một cách ổn định, bất chấp sự biến đổi của tốc độ gió Khi một bình khí đang xả để quay máy phát điện, các bình khác sẽ được nạp khí, đảm bảo nguồn cung năng lượng liên tục và hiệu quả.

Khi tính toán tổng chi phí bao gồm cả tác động môi trường, năng lượng gió, cùng với năng lượng thủy điện, được xem là một trong những nguồn năng lượng tiết kiệm nhất.

Năng lượng sinh khối là loại năng lượng được tạo ra từ việc xử lý nguyên liệu sinh khối, bao gồm các vật liệu sinh học từ cơ thể sinh vật Trong ngành năng lượng, năng lượng sinh khối chủ yếu được khai thác từ các nguồn như cây cỏ và gỗ.

Năng lượng sinh khối được tạo thành từ carbon và các hợp chất chứa hidro, nito cùng một lượng nhỏ kiềm và đất kiềm Khác với nguyên liệu hóa thạch, khi đốt cháy, năng lượng sinh khối chỉ sinh ra khí cacbonic CO2 mới, góp phần vào chu trình tuần hoàn của carbon, từ đó hạn chế ô nhiễm môi trường.

Nguyên liệu sinh khối được khuyến khích sử dụng 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 vào 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 việc đo 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 từ VOC với một số hằng số k đã biết, tuy nhiên, việc đo VOC cần ngắt tải PV, dẫn đến tổn hao công suất và sai số lớn do sự biến đổi của bức xạ mặt trời Phương pháp này chỉ mang tính chất 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, nhưng cần chọn lọc kỹ lưỡng và lắp đặt cùng với mô đun PV để đảm bảo điều kiện môi trường tương đồng Mặc dù việc thêm PV mẫu có thể làm tăng chi phí 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 rất nhạy cảm với thời gian lấy mẫu so sánh Khi cường độ ánh sáng ổn định, thuật toán này hiệu quả trong việc tìm kiếm điểm cực đại Tuy nhiên, khi cường độ ánh sáng biến đổi, kết quả của thuật toán sẽ không chính xác.

Hệ thống MPPT sử dụng thuật toán P&O sẽ điều chỉnh điểm làm việc về MPP mới sau vài chu kỳ hoạt động sai Tuy nhiên, nếu cường độ chiếu sáng thay đổi dần dần, thuật toán P&O có thể gặp lỗi nếu chu kỳ lấy mẫu không phù hợp.

Hệ MPPT không phân biệt được sự gia tăng công suất do thay đổi cường độ và 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 sự hoạt động sai của giải thuật P&O là do không phân biệt được sự thay đổi công suất do điện áp và sự thay đổi công suất do cường độ ánh sáng Đây là 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 phương pháp thực tế, trong đó độ dốc của đường cong công suất bằng không tại điểm MPP, có độ dốc dương bên trái điểm MPP và độ dốc âm bên phải điểm MPP.

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 bao gồm các thành phần cơ bản như được mô tả trong hình 2.1 Các thành phần này đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống năng lượng mặt trời.

• Tấm pin năng lượng mặt trời

Bộ điều khiển MPPT là thành phần quan trọng nhất trong hệ thống năng lượng mặt trời, giúp tối ưu hóa công suất hoạt động của pin mặt trời và nâng cao hiệu suất tổng thể của hệ thống PMT.

 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 tạo ra 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 tạo ra từ tinh thể Silic, là thành phần chính của pin, với lớp n thường mỏng để ánh sáng có thể 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 hiệu quả vào chất bán dẫn.

Lớp chống phản quang là cần thiết để giảm thiểu sự phản xạ ánh sáng, nhằm tối ưu hóa hiệu suất của pin Việc phủ lớp này giúp tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng, từ đó nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống năng lượng.

Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời dựa trên hiện tượng quang điện, khi lớp p-n hấp thụ ánh sáng với bước sóng lớn hơn hoặc bằng năng lượng băng (Eg = Ec – Ev), tạo ra cặp điện tử và lỗ trống Các hạt tải điện này di chuyển về phía cực của bán dẫn loại n và p Khi có kết nối bên ngoài giữa hai loại bán dẫn, dòng điện được sinh ra.

-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 làm từ Silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể Mặc dù loại này có hiệu suất thấp nhất, nhưng nó lại có giá thành rẻ nhất.

2.2.3 Ứng dụng a Tích hợp vào thiết bị

Pin mặt trời có ưu điểm gọn nhẹ và dễ lắp đặt ở bất kỳ nơi nào có ánh sáng mặt trời, đặc biệt được ứng dụng trong lĩnh vực hàng không vũ trụ và những khu vực không tiếp cận được nguồn năng lượng thông thường Ngoài ra, pin mặt trời còn được tích hợp vào các thiết bị hàng ngày như đồng hồ, máy tính và đèn đường, trở thành nguồn năng lượng xanh, sạch Công nghệ này ngày càng được áp dụng vào các phương tiện giao thông, thay thế cho các nguyên liệu truyền thống gây ô nhiễm môi trường, góp phần tạo ra nguồn điện di động bền vững.

Nguồn điện này cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện ở mọi nơi, đặc biệt là tại 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, cung cấp giải pháp hiệu quả cho việc sử dụng năng lượng tái tạo.

Nguồn điện cho tòa nhà không chỉ giúp giảm hóa đơn tiền điện hàng tháng mà còn giảm thiểu chi phí đầu tư cho các nhà máy điện lớn Giải pháp này khuyến khích sự tham gia của toàn dân trong việc sản xuất điện, phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt và sản xuất chung.

Nguồn điện cho tòa nhà gồm 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 có thể tạo ra hệ thống điện mặt trời đủ công suất thay thế cho nhà máy phát điện truyền thống Các nhà máy điện mặt trời có khả năng cung cấp năng lượng cho thành phố hoặc hòn đảo Mặc dù hiện tại số lượng nhà máy điện mặt trời trên thế giới còn hạn chế, nhưng dự báo trong tương lai sẽ tăng lên khi giá thành 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, giúp chuyển đổi nguồn điện không ổn định thành nguồn điện có thể điều khiển Trong hệ thống pin mặt trời, bộ biến đổi DC-DC hoạt động cùng với MPPT để điều chỉnh điện áp đầu vào từ pin mặt trời, nhằm cung cấp điện áp tối ưu nhất cho tải.

Để đạt được công suất tối đa từ pin mặt trời trong mọi điều kiện nhiệt độ và bức xạ mặt trời, cần điều khiển cả điện áp và dòng điện ngõ ra Để thực hiện điều này, bộ dò tìm điểm công suất cực đại 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 lý tưởng 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.

Dòng điện từ nguồn đi qua cuộn dây, tích lũy năng lượng từ trường trong đó Khi không có dòng điện qua diode D, dòng tải được cung cấp bởi tụ điện C, như mô tả trong hình 2.4 phía dưới.

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 trở nên dẫn Sơ đồ mạch tương ứng được thể hiện 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, 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 có dòng điện rò qua lớp tiếp xúc này, được đặc trưng bởi điện trở shunt Rsh.

Dòng quang điện trong mạch phải đi qua các lớp bán dẫn p và n, cùng với các điện cực và tiếp xúc, tạo thành tổng điện trở RS mắc nối tiếp Điều này giúp xây dựng sơ đồ tương đương tổng quát cho một tế bào PMT, như được minh họa trong hình 2.8 [15].

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 (n) là yếu tố quan trọng trong việc ghép nối các tế bào PMT thành một module PMT Để đạt được công suất, điện áp và dòng điện theo yêu cầu, cần thiết phải kết nối NS tế bào PMT theo hình thức nối tiếp.

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 dòng điện có giá trị ổn định trong điều kiện thời tiết nhất định, trong khi NP ID thể hiện đặc tính I - V của diode với đường cong đồng biến trong khoảng điện áp V D dương Điều này cho phép suy ra đặc tính I - V và P - V của pin mặt trời khi bức xạ đạt 1000 W/m² và nhiệt độ ở mức 25°C.

Hình 2.10: Đặc tính I - V, P - V của pin mặt trời

Mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp I(A) cùng với công suất và điện áp P(V) = I.V là phi tuyến và 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 mức tối ưu nhất.

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 áp và dòng điện thông qua bộ biến đổi DC-DC Phương pháp này phổ biến trong các hệ thống pin mặt trời độc lập và ngày càng được áp dụng trong các hệ thống quang điện kết nối lưới điện MPPT hoạt động như một thiết bị điện tử công suất, giúp tăng cường hiệu suất của nguồn pin mặt trời bằng cách điều chỉnh công suất ra theo điều kiện làm việc thay đổi Cấu trúc cơ bản của MPPT có thể được tham khảo trong hình 3.1.

Hình 3.1: Bộ điều khiển MPPT trong hệ thống pin mặt trời

Khi một tấm PMT được kết nối trực tiếp với một tải, điểm làm việc của nó sẽ là giao điểm giữa đường đặc tính I-V của tấm PMT và đường đặc tính I-V của tải Đối với tải thuần trở, đường đặc tính sẽ thể hiện dưới dạng một đường 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 tại đó hệ thống năng lượng mặt trời hoạt động với công suất cao nhất.

Để tối ưu hóa công suất đầu ra từ pin năng lượng mặt trời đến tải trong hầu hết các ứng dụng, cần thiết lập điểm hoạt động của hệ thống ở điểm MPP (Maximum Power Point).

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 các điều kiện môi trường thay đổi Vì vậy, vị trí của điểm MPP không ngừng thay đổi Để đảm bảo hệ thống luôn hoạt động ở hoặc gần điểm MPP, người ta sử dụng mạch MPPT để theo dõi và tối ưu hóa công suất.

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 tải phù hợp 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, do đó cần có MPPT để điều chỉnh trở kháng của tải sao cho tương thích với trở tối ưu của PMT.

Bộ biến đổi boost là thiết bị quan trọng được sử dụng khi cần nâng cao điện áp ra so với điện áp đầu vào Với ưu điểm là dòng điện vào liên tục và khả năng điều khiển dễ dàng, bộ biến đổi này thường được áp dụng trong các bộ công suất của hệ thống 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 hoặc giá trị của R, hoặc cả hai Thông thường, giá trị tải R thường cố định, vì vậy người ta thường thay đổi giá trị của D để tối ưu hóa hiệu suất.

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 điểm làm việc trên 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 giao điểm giữa hai đường đặc tính xác lập 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, do đó góc nghiêng của tải bị giới hạn bởi các góc tối đa và tối thiểu, được tính theo công thức đã nêu.

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, vì nếu điểm MPP nằm trong khoảng này, sẽ có một giá trị chu kỳ nhiệm vụ D phù hợp để xác lập điểm làm việc tại MPP, từ đó tối ưu hóa công suất ra của pin năng lượng.

Khoảng không theo dõi là vùng mà nếu điểm MPP nằm trong đó, giá trị chu kỳ nhiệm vụ D không thể được xác định, dẫn đến việc công suất ra của pin mặt trời không đạt tối đa Khi điểm MPP nằm trong khoảng không theo dõi, điểm làm việc của hệ thống sẽ trở thành giao điểm giữa đường đặc tính của pin và giới hạn đường cong của 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 và P - V của pin mặt trời không được xác định trước, như thể hiện trong hình 3.8 Bài viết trình bày 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 MPP, một thuật toán là cần thiết, và thuật toán này đóng vai trò quan trọng trong bộ điều khiển MPPT Trong số nhiều thuật toán đã được nghiên cứu và ứng dụng, thuật toán INC là một trong những phương pháp phổ biến Bài viết này sẽ tập trung trình bày chi tiết về thuật toán INC trong giới hạn của đồ án.

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 cách hoạt động của thuật toán INC trong việc điều khiển theo chu kỳ nhiệm vụ D Các giá trị điện và điện áp của PMT được đo và sau đó sử dụng để tính toán các giá trị gia tăng ∆I và ∆V dựa trên các giá trị tức thời và trước đó Thuật toán sẽ tiến hành 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 phát triển trong Matlab/Simulink, trong đó các biểu thức I-V được xây dựng dựa trên các thông số quan trọng Cụ thể, dòng quang điện Iph được tính từ biểu thức (2.14), dòng bão hòa ngược Irs được xác định từ biểu thức (2.17), dòng bão hòa Is được xây dựng từ biểu thức (2.16), và dòng I được tính toán dựa trên 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

Hình 3.16 trình bày mô hình PMT với thuật toán INC điều khiển trực tiếp chu kỳ D Để thực hiện mô phỏng, chúng ta sử dụng pin mặt trời Ks80m-36, kèm theo bảng thông số kỹ thuật chi tiết.

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 so với bức xạ mặt trời Vì vậy, trong các mô phỏng dưới đây, nhiệt độ sẽ được giữ cố định ở mức 25 oC, không xem xét quá trình thay đổi của nó.

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

Từ 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 Qua phân tích, nhận thấy rằng công suất cực đại của pin mặt trời tăng dần khi bức xạ mặt trời gia tăng Đồng thời, dòng điện tại các điểm cực đại trên đặc tuyến I-V cũng tăng theo, cho thấy mối liên hệ chặt chẽ giữa bức xạ mặt trời và hiệu suất hoạt động của pin mặt trời.

Kết quả mô phỏng cho thấy điện áp và dòng điện của pin mặt trời tăng khi bức xạ thay đổi, như thể hiện trong hình 3.24 và 3.25 Điều này giúp xác định điểm công suất cực đại, được minh họa qua đồ thị công suất trong hình 3.26 Giải thuật INC chứng tỏ hiệu quả cao, đáp ứng tốt khi bức xạ mặt trời biến đổi trong suốt cả ngày.