GIỚI THIỆU
Đặt vấn đề
Điện năng lượng mặt trời là lĩnh vực mới mẻ đang phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây Với tiềm năng lớn và khả năng thay thế hiệu quả cho nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày càng khan hiếm, năng lượng mặt trời không chỉ giúp giảm thiểu tác động xấu đến môi trường mà còn được ứng dụng rộng rãi tại nhiều quốc gia trên thế giới.
Trong bối cảnh phát triển hiện nay, nhiều dự án năng lượng mặt trời đã được triển khai trên toàn quốc nhờ vào các chính sách khuyến khích Điều này tạo điều kiện cho việc đa dạng hóa nguồn cung năng lượng trong ngành điện và tăng cường tỷ lệ năng lượng tái tạo Với yêu cầu phát triển kinh tế bền vững, nhu cầu sử dụng năng lượng mặt trời ngày càng trở nên cấp thiết.
Tại những vùng địa lý khó khăn như vùng sâu, vùng xa, biên giới và hải đảo, việc phát triển hệ thống cung cấp điện lưới quốc gia gặp nhiều thách thức về tài chính và hiệu quả Các khu vực này có công suất tiêu thụ điện thấp, chủ yếu phục vụ nhu cầu thắp sáng và bơm nước sinh hoạt cho các hộ dân phân bố thưa thớt Do đó, việc kéo điện lưới đến từng hộ gia đình không chỉ tốn kém mà còn không hiệu quả về kinh tế Giải pháp hợp lý nhất để đáp ứng nhu cầu điện cho người dân là sử dụng năng lượng mặt trời cấp tại chỗ cho từng hộ gia đình.
Các nguồn năng lượng tái tạo, mặc dù mang lại nhiều lợi ích, nhưng lại không thể lưu trữ nguyên liệu đầu vào và phụ thuộc vào điều kiện môi trường Do đó, việc áp dụng các phương pháp điều khiển và vận hành hiệu quả là cần thiết để tối ưu hóa hiệu suất từ nguồn năng lượng này Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra các phương pháp xác định điểm công suất cực đại của pin mặt trời, cải thiện hiệu quả hoạt động thông qua việc nối lưới, cũng như nâng cao hiệu suất trong chế độ hybrid kết hợp với các nguồn năng lượng khác Những nghiên cứu này đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường hiệu quả hoạt động của pin năng lượng mặt trời, đặc biệt trong bối cảnh hiện tại của nước ta.
Để phục vụ người dân hiệu quả, cần thiết phải phát triển phương pháp điều khiển tối ưu cho pin năng lượng mặt trời.
Luận văn này đề xuất giải pháp tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng mặt trời để bơm nước tưới tiêu cho các khu vực xa lưới điện với chi phí thấp nhất, đồng thời đảm bảo công suất yêu cầu Một mô hình vật lý của hệ thống bơm nước đã được xây dựng hoàn chỉnh, chứng minh tính khả thi cao và khả năng ứng dụng trong sản xuất và sinh hoạt.
Các nghiên cứu có liên quan
Nhiều công bố đã được thực hiện nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng mặt trời, và các công bố này được phân loại thành những vấn đề chính.
1.2.1 Các phương pháp xác định điểm công suất cực đại của pin mặt trời
Xác định điểm công suất cực đại là một vấn đề quan trọng trong nghiên cứu năng lượng mặt trời, vì công suất thu được từ các tấm pin mặt trời sẽ khác nhau tùy thuộc vào mức điện áp đầu ra, dù bức xạ mặt trời là như nhau Việc tìm ra vị trí điện áp tối ưu cho phép thu nhận điện năng lớn nhất từ cùng một số lượng tấm pin năng lượng mặt trời, góp phần nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng tái tạo này.
Nhiều nghiên cứu đã phát triển các phương pháp hiệu quả để xác định điểm công suất tối đa (MPPT) cho hệ thống pin mặt trời, với kết quả ổn định và khả năng hoạt động tốt Bên cạnh các phương pháp truyền thống như P&O và INC, gần đây đã có sự áp dụng của nhiều thuật toán tối ưu mới trong việc tìm kiếm điểm làm việc này.
Hình 1 1 Minh họa việc xác định điểm MPPT trong hệ thống pin mặt trời
Việc áp dụng các thuật toán mạnh mẽ để tìm điểm MPPT chủ yếu mang lại lợi ích cho các ứng dụng công suất lớn Đối với các yêu cầu công suất nhỏ và chi phí hợp lý, việc sử dụng các phương pháp tính toán này có thể làm tăng giá thành mà không mang lại hiệu quả kinh tế đáng kể.
1.2.2 Nâng cao hiệu quả nối lưới của pin năng lượng mặt trời
Nghiên cứu cho thấy các giải pháp cải thiện hiệu quả hoạt động của hệ thống pin mặt trời nối lưới là rất quan trọng Để tối ưu hóa việc khai thác năng lượng mặt trời, việc kết nối với lưới điện quốc gia được xem là giải pháp hàng đầu Khi hệ thống pin mặt trời được nối lưới, chúng sẽ hoạt động tại các điểm công suất tối đa (MPPT), đảm bảo rằng toàn bộ năng lượng thu được sẽ được truyền tải lên lưới điện.
Hệ thống pin mặt trời nối lưới điển hình sử dụng phương pháp điều khiển nhằm quản lý các chuyển mạch bán dẫn, giúp giảm thiểu tình trạng nhấp nhô điện áp bus DC và dòng điện rò xuống đất từ pin mặt trời.
Các phương pháp được đề xuất nhằm giải quyết vấn đề nối lưới có thể nâng cao hiệu suất hoạt động của các hệ thống pin mặt trời công suất vừa và lớn Tuy nhiên, đối với các dự án pin mặt trời công suất nhỏ, việc nối lưới lại tốn kém và không hiệu quả về mặt tài chính do chi phí cho các bộ nối lưới tương đối cao.
1.2.3 Nâng cao hiệu quả năng lượng mặt trời trong chế độ hybrid Để nâng cao hiệu quả hoạt động cho hệ thống cung cấp năng lượng, giải pháp phối hợp nhiều nguồn phát điện khác nhau được ưu tiên áp dụng vì chúng có khả năng bù trừ các nhược điểm của từng nguồn riêng lẻ và nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ
4 thống Năng lượng gió thường được phối hợp với các nguồn năng lượng khác với vai trò của một máy phát phân tán trên lưới điện
Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra các phương án hoạt động hiệu quả trong chế độ hybrid, kết hợp với các nguồn năng lượng như năng lượng gió, diesel và tế bào năng lượng Những kết quả này chứng minh khả năng thích ứng linh hoạt và hiệu suất hoạt động tốt trong nhiều điều kiện vận hành khác nhau.
Hình 1 3 Cấu hình tiêu biểu của một hệ thống PV trong chế độ hybrid
Chế độ hybrid, như đã được nêu trong các nghiên cứu [16-22], thường được áp dụng ở những khu vực có nhu cầu phụ tải cao Điều này là do chúng được cung cấp năng lượng từ nhiều nguồn khác nhau, hoạt động phối hợp với nhau và thường được kết nối lưới để tối ưu hóa hiệu suất hoạt động.
Hướng nghiên cứu của luận văn
Hiện nay, nhu cầu phát triển các hệ thống năng lượng mặt trời công suất lớn ở nước ta chưa cao do điều kiện kinh tế hạn chế Tuy nhiên, các hệ thống năng lượng mặt trời công suất nhỏ và độc lập lại có tiềm năng lớn, đặc biệt là trong việc cung cấp năng lượng cho các vùng sâu, vùng xa, biên giới và hải đảo.
Nhiều đảo lớn không thể được cung cấp điện từ lưới quốc gia do chi phí cao và hiệu quả kinh tế thấp Để giải quyết vấn đề này, nghiên cứu đề xuất phát triển một hệ thống điện mặt trời độc lập với công suất nhỏ, phục vụ cho việc bơm nước tưới tiêu ở những khu vực khó khăn không có điện lưới Hệ thống này không chỉ đáp ứng nhu cầu tưới tiêu mà còn phù hợp với điều kiện địa lý đặc thù của các đảo.
Bài luận văn này nghiên cứu cách tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng từ tấm pin mặt trời, nhằm giảm chi phí và nâng cao hiệu suất Đặc biệt, trong các khu vực có điều kiện khó khăn, việc giảm chi phí vận hành và bảo trì là tiêu chí quan trọng để đánh giá hiệu quả của nghiên cứu.
Mục tiêu của luận văn
Qua việc phân tích định hướng nghiên cứu và các xu hướng chính trong lĩnh vực năng lượng mặt trời hiện nay, luận văn xác định các mục tiêu cụ thể nhằm phát triển và tối ưu hóa ứng dụng năng lượng mặt trời.
Đề xuất một giải thuật tối ưu hóa hoạt động của hệ thống năng lượng mặt trời nhằm thu nhận tối đa điện năng từ các tấm pin trong các điều kiện bức xạ mặt trời khác nhau.
− Xây dựng một mô hình thực nghiệm điều khiển hệ thống pin năng lượng mặt trời dựa trên giải pháp được đề xuất
− Thực nghiệm điều khiển hệ thống năng lượng mặt trời được xây dựng để kiểm chứng hiệu quả giải thuật được đề xuất.
Nhiệm vụ của luận văn
Qua phân tích các mục tiêu của luận văn, một số nhiệm vụ cụ thể cần phải đạt được trong luận văn được chỉ ra như sau:
− Tìm hiểu về pin năng lượng mặt trời qua các đặc trưng như cấu tạo, nguyên lý hoạt động, phương trình toán học tương đương
− Tìm hiểu tổng quan về các phương pháp điều khiển pin năng lượng mặt trời hiện nay
Nghiên cứu các phương pháp điều khiển điểm công suất cực đại (MPPT) cho pin năng lượng mặt trời là rất quan trọng Bài viết sẽ phân tích các giải thuật điều khiển tiêu biểu, đồng thời đánh giá ưu nhược điểm của từng phương pháp Việc hiểu rõ các phương pháp này sẽ giúp tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống năng lượng mặt trời.
− Nghiên cứu tìm hiểu về bộ chuyển đổi công suất DC/DC dùng trong xác định điểm công suất cực đại của bộ pin năng lượng mặt trời
− Nguyên cứu về các bộ điều khiển có thể áp dụng hiệu quả với giải thuật được đề xuất trong luận văn.
Phạm vi nghiên cứu
Luận văn này nghiên cứu và đề xuất giải pháp sử dụng bơm nước tưới tiêu bằng năng lượng mặt trời, nhằm đáp ứng nhu cầu nước tại các khu vực sâu, vùng xa và biên giới hải đảo, nơi không có điện lưới quốc gia.
Phương pháp nghiên cứu
− Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu
− Nghiên cứu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và mô hình toán của pin năng lượng mặt trời
− Nghiên cứu các giải thuật điều khiển về pin năng lượng mặt trời Đặc biệt các giải thuật tìm điểm công suất cực đại của pin
− Nghiên cứu các bộ chuyển đổi DC/DC hiện có nhằm tìm ra bộ chuyển đổi DC/DC phù hợp nhất cho luận văn
− Nghiên cứu các phương pháp điều khiển bộ chuyển đổi DC/DC trong vận hành hệ thống pin năng lượng mặt trời
− Nghiên cứu lập trình điều khiển cho giải thuật được đề xuất.
Điểm mới của luận văn
Bài viết đề xuất giải pháp tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng mặt trời cho các khu vực sâu, xa và những vùng có điều kiện địa lý khó khăn, nhằm nâng cao hiệu quả năng lượng tái tạo trong cuộc sống.
Việc tối ưu hóa khả năng khai thác nguồn điện năng từ mặt trời sẽ nâng cao hiệu quả sử dụng của các hệ thống năng lượng mặt trời độc lập hiện nay.
Giá trị thực tiễn của đề tài
Luận văn này mang lại những kết quả có ý nghĩa thực tiễn cho đời sống xã hội, giới thiệu một giải pháp điều khiển mới nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động của các hệ thống năng lượng mặt trời độc lập Hệ thống pin được thiết kế tối ưu để đạt hiệu suất cao nhất mà không cần tăng chi phí đầu tư mua sắm pin.
Kết quả của luận văn có thể trở thành mô hình dạy học hiệu quả cho các môn liên quan đến năng lượng tái tạo và năng lượng mới, giúp sinh viên và giáo viên tiếp cận năng lượng mặt trời một cách trực quan và thực tế Bên cạnh đó, các mạch điện tử được thiết kế trong mô hình cũng có thể được sử dụng làm công cụ mô phạm trong lĩnh vực điện tử công suất.
Nội dung luận văn
Nội dung luận văn được trình bày trong 5 chương với các phần chính như sau:
− Chương 1: Giới thiệu chung về luận văn Các cơ sở lý luận của luận văn
− Chương 2: Trình bày tổng quan về pin mặt trời và hệ thống điện năng lượng mặt trời
Chương 3 trình bày các phương trình toán học liên quan đến pin mặt trời và các phương pháp điều khiển hệ thống pin mặt trời theo điểm công suất cực đại Ngoài ra, chương này cũng đề xuất một phương pháp vận hành hệ thống năng lượng mặt trời mới, được mô tả chi tiết và cụ thể trong luận văn.
Chương 4 trình bày phương pháp xây dựng hệ thống năng lượng mặt trời độc lập dựa trên đề xuất trong chương 3 Hệ thống này sẽ được triển khai và theo dõi hiệu suất hoạt động trong điều kiện thực tế.
Chương 5 trình bày các kết luận và đánh giá về luận văn, đồng thời đề xuất hướng phát triển tiếp theo dựa trên các kết quả đã thu được.
QUAN
Tổng quan về pin năng lượng mă ̣t trời
Hiệu ứng quang điện, hay còn gọi là Hiệu ứng Hertz, là hiện tượng điện - lượng tử mà trong đó các electron được giải phóng khỏi nguyên tử hoặc vật chất sau khi hấp thụ năng lượng từ photon trong ánh sáng Khi nguyên tử chuyển sang trạng thái kích thích, electron sẽ được bắn ra ngoài Nghiên cứu về hiệu ứng quang điện đã góp phần quan trọng vào việc hiểu biết về lượng tử ánh sáng và electron, cũng như ảnh hưởng đến sự hình thành khái niệm lưỡng tính sóng hạt.
Hiện tượng quang điện xảy ra khi bề mặt của một tấm kim loại được chiếu bởi bức xạ điện từ có tần số lớn hơn tần số ngưỡng đặc trưng cho chất liệu của tấm kim loại Các điện tử hấp thụ năng lượng từ photon và tạo ra dòng điện, được gọi là dòng quang điện Khi điện tử bị bật ra khỏi bề mặt kim loại, hiện tượng này được gọi là hiệu ứng quang điện ngoài Nếu tần số bức xạ nhỏ hơn tần số ngưỡng, điện tử không đủ năng lượng để vượt qua rào cản, gọi là công thoát Các điện tử phát xạ dưới tác dụng của bức xạ điện từ được gọi là quang điện tử.
Khi các điện tử không còn gắn kết với nguyên tử và trở thành điện tử tự do trong vật dẫn, hiện tượng này được gọi là hiệu ứng quang điện trong Hiệu ứng này làm thay đổi tính chất dẫn điện của vật dẫn, và do đó, còn được biết đến với tên gọi là hiệu ứng quang dẫn.
2.1.2 Cấu tạo và hoa ̣t đô ̣ng của pin mă ̣t trời
Để đáp ứng nhu cầu sử dụng điện từ năng lượng mặt trời, các tấm pin năng lượng mặt trời được sản xuất dựa trên hiệu ứng quang điện Nguyên liệu chính để chế tạo pin năng lượng mặt trời là silic, cần phải là silic tinh khiết Trong trạng thái tinh khiết, silic là một bán dẫn ròng, nơi số lượng electron và lỗ trống (hole) là bằng nhau Để tạo ra pin năng lượng mặt trời, cần chế tạo hai loại bán dẫn: loại N và loại P, sau đó ghép chúng lại để tạo ra tiếp xúc P-N.
Hình 2 2 Cấu tạo một tế bào pin mặt trời cơ bản
Thực tế thì xuất phát từ một phiến bán dẫn tinh khiết tức là chỉ có các nguyên tử
Để tạo ra tiếp xúc P-N trong silicon (Si), cần phải thêm một lượng nhỏ nguyên tử khác loại, được gọi là pha tạp Silicon có 4 electron ở lớp ngoài cùng, và những electron này được sử dụng để liên kết với bốn nguyên tử khác.
Si gần đó (cấu trúc kiểu như kim cương) Nếu pha tạp vào Si một ít nguyên tử phôt-pho
P có 5 electron ở lớp vỏ ngoài, trong đó electron dư thừa không tham gia liên kết, dễ dàng di chuyển và tạo ra bán dẫn loại N (âm) Ngược lại, khi pha tạp silicon bằng nguyên tử bo (B) có 3 electron, sẽ tạo ra bán dẫn loại P (dương).
Trong bán dẫn loại P, lỗ trống hình thành do thiếu một electron ở vành ngoài, tạo thành mạng điện dương Khi pha tạp với bán dẫn loại N, lớp tiếp giáp giữa hai loại tạo thành lớp chuyển tiếp P-N Tại đây, một số electron từ bán dẫn loại N sẽ di chuyển sang bán dẫn loại P để lấp đầy lỗ trống Kết quả là vùng tiếp xúc P-N xuất hiện một vùng nghèo, thiếu electron và lỗ trống, tạo ra hiệu thế khoảng 0,6V đến 0,7V Hiệu thế này không tạo ra dòng điện nhưng là yếu tố quan trọng trong hoạt động của bán dẫn.
Hình 2 3 Nguyên lí hoa ̣t đô ̣ng của mô ̣t tế bào quang điê ̣n Silic
Khi phiến bán dẫn P-N được tiếp xúc với ánh sáng mặt trời, photon từ ánh sáng sẽ kích thích các electron liên kết với nguyên tử, làm cho chúng bị bật ra và tạo ra cặp electron - lỗ trống Cặp electron - lỗ trống này nếu sinh ra gần vùng tiếp xúc P-N sẽ bị hiệu thế tiếp xúc đẩy đi: electron di chuyển về bên bán dẫn N, trong khi lỗ trống di chuyển về bên bán dẫn P Quá trình này cho phép electron nhảy từ miền hóa trị lên miền dẫn, tạo ra khả năng chuyển động tự do Sự gia tăng số lượng photon chiếu tới sẽ tạo ra nhiều cơ hội hơn cho electron nhảy lên miền dẫn.
Khi sử dụng một dây dẫn nối bán dẫn loại N với bán dẫn loại P qua một phụ tải như LED, electron từ miền dẫn của bán dẫn loại N sẽ di chuyển qua mạch ngoài và lấp đầy các lỗ trống ở bán dẫn loại P Đây chính là dòng điện được sinh ra từ pin năng lượng mặt trời Silic khi được chiếu sáng, nhờ vào việc sử dụng bán dẫn Silic để tạo ra tiếp xúc P-N.
Pin năng lượng mặt trời là một bước tiến quan trọng trong việc chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng Tuy nhiên, pin năng lượng mặt trời Silic vẫn gặp một số hạn chế về mặt kinh tế và kỹ thuật.
2.1.3 Phân loại pin mă ̣t trời
Vật liệu chủ yếu được sử dụng để sản xuất Pin năng lượng mặt trời và các thiết bị bán dẫn là Silic tinh thể Silic tinh thể được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất Pin năng lượng mặt trời, với ba loại chính là Pin đơn tinh thể, Pin đa tinh thể và Pin màng mỏng.
Hình 2 4 Một số tinh thể Silic
Tinh thể đơn tinh thể trong sản xuất Module được tạo ra từ quy trình Czochralski, với hiệu suất đạt tới 16% Các tấm đơn thể này thường có giá thành cao do được cắt từ các thỏi hình ống, và chúng có các mặt trống ở các góc nối của Module.
Đa tinh thể được sản xuất từ các thỏi đúc silic nung chảy, sau đó được làm nguội và làm rắn Mặc dù các tấm pin năng lượng mặt trời đa tinh thể thường có giá thành thấp hơn so với các tấm đơn tinh thể, nhưng hiệu suất của chúng cũng kém hơn Tuy nhiên, nhờ khả năng tạo thành các tấm vuông, đa tinh thể có thể che phủ bề mặt nhiều hơn, bù đắp cho hiệu suất thấp của mình.
Dải Silic được tạo ra từ các miếng phim mỏng làm từ Silic nóng chảy với cấu trúc đa tinh thể Mặc dù loại dải này thường có hiệu suất thấp nhất, nhưng nó lại là lựa chọn kinh tế nhất vì không cần cắt từ thỏi Silicon Công nghệ này chủ yếu được sử dụng trong sản xuất tấm.
12 nói cách khác, các loại trên có độ dày 300μm tạo thành và xếp lại để tạo nên Module
2.1.4 Cấu tạo và hoa ̣t đô ̣ng của các loa ̣i pin mă ̣t trời kiểu mới
2.1.4.1 Pin Mặt trời nhạy cảm chất màu DSC (Dye - sensitized solar cell)
Pin DSC, hay còn gọi là pin Gratzel, là một loại pin mặt trời mới, giá rẻ và dễ sản xuất, được phát minh bởi Michael Gratzel tại trường Bách khoa Lausane, Thụy Sĩ vào năm 1991.
Tổng quan một hệ thống điện năng lượng mặt trời
Pin năng lượng mặt trời hoạt động như một máy phát điện, sử dụng năng lượng mặt trời làm nhiên liệu đầu vào và cung cấp nguồn điện DC đầu ra Để sử dụng hiệu quả nguồn điện này, cần có các thiết bị chuyển đổi điện phù hợp, giúp cung cấp điện cho các thiết bị tiêu thụ Tùy thuộc vào tính chất tải AC hay DC, sẽ có các bộ chuyển đổi điện tương ứng Hệ thống điện năng lượng mặt trời bao gồm các tấm pin năng lượng mặt trời, thiết bị chuyển đổi năng lượng và các phụ tải tiêu thụ, như được mô tả trong hình 2.9.
Hình 2 9 Tổng quan một hệ thống năng lượng mặt trời
Hệ thống năng lượng mặt trời có khả năng thích ứng cao với môi trường làm việc, dẫn đến nhiều cấu hình hoạt động khác nhau Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu hình bao gồm chế độ vận hành (nối lưới hay độc lập), yêu cầu dự trữ năng lượng, và việc cấp nguồn cho các thiết bị DC Dưới đây là một số thành phần cơ bản của hệ thống năng lượng mặt trời.
2.2.1 Bộ pin năng lượng mặt trời
Các tấm pin năng lượng mặt trời có điện áp thấp, tương tự như điện áp phân cực thuận của một diot (khoảng 0.6-0.8 Vdc), không thể sử dụng độc lập Để sử dụng hiệu quả, các tấm pin này thường được kết nối với nhau theo kiểu nối tiếp, song song hoặc kết hợp cả hai Khi được ghép lại, các tấm pin này tạo thành một panel năng lượng mặt trời hoàn chỉnh.
Các nhà sản xuất pin năng lượng mặt trời cung cấp các tấm panel với công suất khác nhau cho khách hàng Tùy thuộc vào nhu cầu công suất cụ thể, khách hàng có thể mua một hoặc nhiều tấm panel để ghép lại thành một bộ pin năng lượng mặt trời hoàn chỉnh Hình 2.10 minh họa một bộ pin năng lượng mặt trời sau khi được lắp đặt.
Hình 2 10 Hình ảnh một bộ pin năng lượng mặt trời
2.2.2 Bộ chuyển đổi năng lượng điện Điện áp hoạt động của thiết bị và điện áp hoạt động của bộ pin năng lượng mặt trời là khác nhau nên để có thể phối hợp hoạt động thì chúng phải có các bộ chuyển đổi năng lượng phù hợp Nếu tải AC thì bộ chuyển đổi là bộ DC/AC, còn ngược lại, nếu tải là tải DC thì bộ chuyển đổi sẽ là bộ chuyển đổi DC/DC
Bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời hiện đại ngày nay được thiết kế với chất lượng cao và tích hợp nhiều tính năng mới, như khả năng xác định điểm công suất cực đại và nhận biết lỗi pin năng lượng mặt trời Những tính năng này không chỉ giúp người dùng dễ dàng sử dụng mà còn nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng mặt trời.
Tình hình sử dụng pin năng lượng mặt trời hiện nay
Pin năng lượng mặt trời ngày càng được ưa chuộng nhờ vào tính thân thiện với môi trường, khả năng lắp đặt và vận hành dễ dàng, cùng với khả năng hoạt động linh hoạt trong nhiều chế độ khác nhau Sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp này đã thu hút nhiều nhà sản xuất vào thị trường, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao Ngoài các nhà máy sản xuất, nhiều dự án điện mặt trời cũng được triển khai và đi vào hoạt động cả trong và ngoài nước.
2.3.1 Tình hình sử dụng pin năng lượng mặt trời ngoài nước
Trên toàn cầu, nhiều nhà máy năng lượng mặt trời với công suất lớn đã được xây dựng, điển hình là các dự án năng lượng mặt trời nổi bật.
2.3.1.1 Dự án Solar Star 579MW, California
Nhà máy năng lượng mặt trời Solar Star, với công suất 579MW, hiện đang là nhà máy lớn nhất thế giới, tọa lạc tại Kern và Los Angeles, California Với khả năng cung cấp năng lượng cho 255.000 hộ dân, công trình bắt đầu xây dựng vào năm 2013 và hoàn thành vào tháng 6 năm 2015 Nhà máy chiếm diện tích 13 km vuông gần Rosamond, California, và sử dụng 1.7 triệu module pin năng lượng mặt trời từ bán dẫn đơn tinh thể để đạt được công suất ấn tượng này.
Công nghệ pin mặt trời của Solar Star đã giúp giảm 570,000 tấn khí thải CO2 mỗi năm, tương đương với việc loại bỏ 108.000 xe hơi khỏi đường phố Nhà máy áp dụng công nghệ Oasis Power Plant do Sun Power phát triển, tối ưu hóa hiệu suất của các tấm pin năng lượng mặt trời.
Nhà máy điện mặt trời của công ty BHE hoạt động hiệu quả nhờ vào công nghệ theo dõi ánh sáng mặt trời suốt cả ngày, giúp nâng cao hiệu suất thu năng lượng lên đến 25% Công ty BHE bán điện năng thu được cho Southern California Edison thông qua một hợp đồng dài hạn.
2.3.1.2 Desert Sunlight Solar Farm 550MW, California
Trang trại năng lượng mặt trời Desert Sunlight, có công suất 550 MW, tọa lạc tại quận Riverside và Carrizo Plain, California, là sản phẩm hợp tác giữa tập đoàn GE và tập đoàn Sumitomo Nhà máy này cung cấp năng lượng cho khoảng 160.000 hộ dân trong khu vực và giúp giảm thiểu gần 300.000 tấn khí CO2 thải ra môi trường mỗi năm, tương đương với lượng khí thải của 60.000 xe hơi hàng năm.
Dự án năng lượng mặt trời do First Solar xây dựng và vận hành, cung cấp 8 triệu module pin năng lượng mặt trời sử dụng công nghệ cadmium telluride Nhà máy chiếm diện tích 15.4 km vuông và giai đoạn 1 của dự án đã được khởi công vào tháng 9 năm nay.
2011 có công suất 300 MW Giai đoạn 2 hoàn thành năm 2015 với công suất 250 MW
2.3.1.3 Topaz Solar Farms 550 MW, California
Hình 2 14 Topaz Solar Farms 550 MW, California
Topaz Solar Farms là nhà máy điện năng lượng mặt trời công suất 550 MW tại San Luis Obispo County, California, cung cấp năng lượng cho 160.000 căn hộ Dự án trị giá 2.5 tỉ USD, thuộc sở hữu của BHE Renewables, giúp giảm thiểu 377.000 tấn CO2 mỗi năm, tương đương với khí thải của 73.000 xe hơi Với 9 triệu panel pin mặt trời được lắp đặt nghiêng 25 độ để tối ưu hóa năng lượng, nhà máy được xây dựng trên diện tích 24.6 km vuông, bắt đầu từ năm 2011 và hoàn thành vào năm 2014 Điện năng sản xuất được bán cho Pacific Gas and Electric qua hợp đồng 25 năm.
2.3.1.4 Longyangxia Dam Solar Park 530 MW, Qinghai
Hình 2 15 Longyangxia Dam Solar Park 530 MW, Qinghai
Công viên năng lượng mặt trời Longyangxia Dam, tọa lạc gần nhà máy thủy điện Longyangxia trên lưu vực sông Hoàng Hà, Trung Quốc, là một phần của nhà máy hỗn hợp thủy điện và pin mặt trời lớn nhất thế giới Được hoàn thành vào năm 1992, dự án pin năng lượng mặt trời trải rộng trên diện tích 9.6 km vuông China Power Investment đã bắt đầu xây dựng công viên này vào tháng 3 năm 2013 và hoàn thành chỉ sau 9 tháng, với công suất thiết kế đạt 320 MW.
Giai đoạn 2 của dự án được khởi công vào tháng 8 năm 2015 và hoàn thành trong cùng năm, với công suất thiết kế đạt 530 MW Dự án này đã góp phần giảm thiểu 795.000 tấn khí CO2 phát thải ra môi trường hàng năm.
Qua khảo sát các dự án năng lượng mặt trời tiêu biểu trên thế giới, có thể rút ra một số nhận xét quan trọng về xu hướng phát triển và hiệu quả của chúng Những dự án này không chỉ góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn mang lại lợi ích kinh tế đáng kể cho các quốc gia Sự đầu tư vào năng lượng mặt trời đang ngày càng tăng, cho thấy tiềm năng lớn trong việc chuyển đổi sang nguồn năng lượng tái tạo bền vững.
− Đã có nhiều dự án năng lượng mặt trời công suất lớn được xây dựng và đưa vào vận hành đạt hiệu quả cao
Quy mô của các nhà máy năng lượng mặt trời đang ngày càng mở rộng, nhờ vào sự phát triển nhanh chóng của các phương pháp điều khiển tối ưu được nghiên cứu và áp dụng.
Nhà máy năng lượng mặt trời đang ngày càng chứng tỏ khả năng thay thế một phần nguồn điện truyền thống, cho thấy tỉ lệ thâm nhập của năng lượng mặt trời ngày càng cao.
2.3.2 Tình hình sử dụng pin năng lượng mặt trời ở trong nước
Việc sử dụng năng lượng mặt trời đang phát triển mạnh mẽ trên toàn cầu, và Việt Nam cũng không nằm ngoài xu hướng này nhờ vào sự hỗ trợ về giá cả và cơ chế từ nhà nước đối với năng lượng tái tạo Nhiều hệ thống năng lượng mặt trời đã được thi công và vận hành, đặc biệt là các hệ thống phục vụ cho hộ dân, đang được triển khai rộng rãi trên cả nước Dưới đây là một số công trình tiêu biểu trong lĩnh vực này.
2.3.2.1 Nhà máy điện mặt trời Thiên Tân
Vào ngày 29/8/2015, dự án Nhà máy quang điện mặt trời Thiên Tân do Công ty Cổ phần Đầu tư và Xây dựng Thiên Tân làm chủ đầu tư đã chính thức khởi công Nhà máy có công suất 19,2 MW và tổng mức đầu tư lên tới 800 tỉ đồng, được xây dựng trên diện tích 24 ha tại thôn Đạm Thủy, xã Đức Minh, huyện Mộ Đức, tỉnh Quảng Ngãi.
22 bằng nguồn vốn vay trong nước và nước ngoài Dự án do Công ty TNHH Full Advantage làm tư vấn
Hướng tiếp cận của luận văn về sử dụng pin mặt trời
Bài viết phân tích sự phát triển năng lượng mặt trời trong và ngoài nước gần đây, đồng thời xem xét tình hình kinh tế xã hội hiện tại của Việt Nam Luận văn đề xuất phát triển năng lượng mặt trời độc lập với công suất vừa và nhỏ, nhằm đáp ứng nhu cầu điện cho các vùng sâu, vùng xa, biên giới và hải đảo Tại những khu vực này, điện năng chủ yếu được cung cấp qua máy phát điện diesel do chi phí kéo điện quá lớn và không hiệu quả về mặt kinh tế.
Hệ thống năng lượng mặt trời độc lập cần bình ắc quy để lưu trữ điện, nhưng việc nạp xả liên tục có thể làm hỏng bình nhanh chóng và yêu cầu bảo trì thường xuyên, dẫn đến chi phí lắp đặt và vận hành cao, đặc biệt với bộ lưu trữ công suất lớn Để giảm chi phí lưu trữ, cần một giải thuật vận hành hiệu quả, đảm bảo nhu cầu lưu trữ điện năng tối thiểu trong khi vẫn tối ưu hóa tổng năng lượng thu được từ pin mặt trời.
Luận văn đề xuất nghiên cứu thiết kế hệ thống bơm nước tưới tiêu sử dụng năng lượng mặt trời, với mục tiêu duy trì hoạt động tại điểm công suất cực đại và giảm thiểu dung lượng bộ lưu trữ nhằm tiết kiệm chi phí đầu tư.
PHƯƠNG TRÌNH TOÁN
Pin năng lượng mặt trời và phương trình toán của pin năng lượng mặt trời
Hiện nay, pin năng lượng mặt trời chủ yếu sử dụng loại bán dẫn Silic với tiếp xúc p-n Để dễ dàng trong việc tính toán và thiết kế, một mạch điện tương đương đã được đề xuất để thay thế cho pin mặt trời.
Mạch điện tương đương của pin mặt trời bao gồm các thành phần chính như dòng quang điện Iph, điot, điện trở dòng rò Rsh, và điện trở nối tiếp Rs Trong đó, dòng điện ngõ ra I và điện áp ngõ ra V là các thông số quan trọng phản ánh hiệu suất hoạt động của hệ thống năng lượng mặt trời.
3.1.1 Phương trình tương đương của pin năng lượng mặt trời
Dựa trên mạch điện tương đương của pin năng lượng mặt trời trong hình 3.1, một phương trình toán học đã được phát triển để mô tả mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp đầu ra của pin năng lượng mặt trời.
Is: dòng bão hòa (A) q: điện tích của electron, q = 1,6x10-19 C k: hằng số Boltzmann’s, k =1,38x10-23 J/K
TC: nhiệt độ vận hành của pin (K)
A: hệ số lý tưởng phụ thuộc vào công nghệ chế tạo pin, ví dụ công nghệ Si-mono A=1.2, Si-Poly A = 1.3…
3.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến pin năng lượng mặt trời
Dòng quang điện Iph phụ thuộc trực tiếp vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ của pin:
Isc: dòng ngắn mạch tại nhiệt độ tiêu chuẩn 250C (A) và bức xạ 1kW/m2
K1: hệ số dòng điện phụ thuộc vào nhiệt độ (A/0C)
Tc: Nhiệt độ vận hành của pin mặt trời (K)
TRef : Nhiệt độ tiêu chuẩn của pin mặt trời (K) λ: Bức xạ mặt trời (kW/m2)
Dòng bão hòa Is là dòng các hạt tải điện không cơ bản được tạo ra từ kích thích nhiệt Khi nhiệt độ của pin mặt trời tăng, dòng bão hòa này cũng gia tăng theo hàm mũ.
IRS: Dòng điện ngược bão hòa tại nhiệt độ tiêu chuẩn (A)
Năng lượng lỗ trống trong chất bán dẫn là yếu tố quan trọng đối với hiệu suất của pin mặt trời lý tưởng, trong đó điện trở dòng rò Rsh đạt giá trị vô cực và Rs bằng 0 Mạch điện tương đương của pin mặt trời được mô tả trong hình 3.2.
Hình 3 2 Mô hình pin mặt trời lý tưởng Khi đó, biểu thức (2.1) có thể được mô tả như sau:
Và dòng bão hòa ngược tiêu chuẩn có thể được biểu diễn như sau:
3.1.3 Phương trình tương đương của bộ pin năng lượng mặt trời
Thông thường, công suất của pin mặt trời khoảng 2 W và điện áp khoảng 0.5 V
Các pin mặt trời được kết nối theo cấu trúc nối tiếp và song song để tạo ra công suất và điện áp tối ưu Mạch điện tương đương của mô đun pin mặt trời bao gồm Np nhánh song song và Ns pin nối tiếp, như được minh họa trong hình 3.3.
Hình 3 3 Mô đun pin mặt trời Mạch điện hình 3.3 được miêu tả bởi biểu thức sau:
Pin mặt trời chuyển đổi một phần bức xạ mặt trời trực tiếp thành năng lượng điện, nhưng cũng tạo ra nhiệt do khả năng hấp thụ nhiệt của màu sắc pin Nhiệt độ hoạt động của pin có thể cao hơn nhiệt độ môi trường, và được đánh giá qua nhiệt độ vận hành bình thường (NOCT - Normal Operating Cell Temperature) Đặc tuyến I-V của pin tương ứng với từng mức bức xạ nhất định được mô tả chi tiết.
Hình 3 4 Đặc tuyến I-V với các bức xạ khác nhau
Đặc tuyến P-V thay đổi không chỉ theo cường độ bức xạ mà còn phụ thuộc vào nhiệt độ của pin Điều này được thể hiện qua phương trình (3.6) và minh họa trong các hình 3.6 và 3.7, cho thấy mối tương quan giữa nhiệt độ và đặc tuyến I-V cũng như P-V.
28 Hình 3 6 Đường đặc tuyến I-V tại S00W/m2 khi nhiệt độ pin thay đổi
Hình 3 7 Đường đặc tuyến P-V tại S00W/m2 khi nhiệt độ pin thay đổi
Vị trí của điểm MPP trên đường đặc tính không thể xác định trước và luôn thay đổi theo điều kiện bức xạ và nhiệt độ Vì vậy, cần thiết phải có một thuật toán để theo dõi điểm MPP, và thuật toán này là yếu tố then chốt trong bộ điều khiển MPPT.
Các thuật toán xác định điểm công suất cực đại của pin mặt trời
Cấu trúc của hệ thống MPPT điều khiển theo điện áp tham chiếu được trình bày như hình 3.8
Hình 3 8 Cấu trúc điều khiển MPPT của dàn PV
3.2.1 Thuật toán nhiễu loạn và quan sát P&O
Trong thuật toán này, điện áp hoạt động của pin mặt trời (PMT) bị ảnh hưởng bởi một gia số nhỏ ΔV, dẫn đến sự thay đổi công suất ΔP, như đã được trình bày trong các nghiên cứu của Sivagamasundari và Chaudhari [24-25].
Hình 3.9 mô tả nguyên lý hoạt động của thuật toán P&O, từ đó có thể suy ra cách thức hoạt động của thuật toán như sau:
− Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang di chuyển theo hướng 1 (ΔP < 0 và ΔV
< 0) thì cần tăng điện áp hoạt động lên để di chuyển điểm hoạt động tới điểm MPP
− Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang di chuyển theo hướng 2 (ΔP > 0 và ΔV
> 0) thì cần tăng điện áp hoạt động lên để di chuyển điểm hoạt động tới điểm MPP
− Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang di chuyển theo hướng 3 (ΔP > 0 và ΔV
< 0) thì cần giảm điện áp hoạt động để di chuyển điểm hoạt động tới điểm MPP
− Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang di chuyển theo hướng 4 (ΔP < 0 và ΔV
> 0) thì cần giảm điện áp hoạt động để di chuyển điểm hoạt động tới điểm MPP
Hình 3 9 Đường đặc tính P-V và thuật toán P&O Để thực hiện được nguyên tắc xác định điểm MPP, một lưu đồ thuật toán được đưa như trong hình 2.10 như sau:
− Bộ điều khiển MPPT sẽ đo các giá trị dòng điện I và điện áp V, sau đó tính toán độ sai lệch ∆P, ∆V và kiểm tra:
− Nếu ∆P ∆V > 0 thì tăng giá trị điện áp tham chiếu Vref
− Nếu ∆P ∆V < 0 thì giảm giá trị điện áp tham chiếu Vref
− Sau đó cập nhật các giá trị mới thay cho giá trị trước đó của V, P và tiến hành đo các thông số I, V cho chu kỳ làm việc tiếp theo
Hình 3 10 Lưu đồ thuật toán P&O
3.2.2 Thuật toán điện dẫn gia tăng INC
Thuật toán INC dựa trên đặc điểm độ dốc của đường cong công suất bằng không tại điểm MPP, như đã được trình bày trong các nghiên cứu [25-28].
− Độ dốc dương ở bên trái điểm MPP
− Độ dốc âm ở bên phải điểm MPP Đặc tính P-V và thuật toán INC được minh hoạ trên hình 3.11
− dP/dV > 0, ở bên trái MPP
− dP/dV < 0, ở bên phải MPP dP / dV=d(IV) / dV=I+V(dI / dV)≈I+V(ΔI /ΔV) nên ta có thể viết lại là :
Thuật toán INC (Incremental Conductance) điều khiển theo điện áp tham chiếu, như được mô tả trong lưu đồ hình 3.12, hoạt động bằng cách đo các giá trị dòng điện và điện áp của hệ thống PV Sau đó, các giá trị tức thời và giá trị trước đó được sử dụng để tính toán các giá trị gia tăng của ∆I, nhằm tối ưu hóa hiệu suất năng lượng.
∆V Thuật toán sẽ kiểm tra điều kiện của phương tŕnh ở hình 3.12
− Nếu điểm hoạt động nằm phía bên trái điểm MPP thì chúng ta phải di chuyển nó sang bên phải bằng cách tăng điện áp của PMT
− Nếu điểm hoạt động nằm bên phải điểm MPP thì chúng ta lại phải di chuyển nó sang bên trái tức là phải giảm điện áp PMT
− Khi điều kiện ∆I/∆V = -I/V được thỏa mãn (chính là các điểm MPP) thì thuật toán này sẽ bỏ qua việc điều chỉnh điện áp
Một yếu tố quan trọng trong thuật toán này là khả năng phát hiện điều kiện môi trường Khi điểm hoạt động duy trì ở mức MPP (với ΔV= 0) và bức xạ không thay đổi (ΔI = 0), điện áp hoạt động sẽ không cần điều chỉnh Tuy nhiên, nếu bức xạ tăng (ΔI > 0), điện áp MPP sẽ giảm và thuật toán INC cần tăng điện áp hoạt động để theo dõi điểm MPP Ngược lại, khi bức xạ giảm (ΔI < 0), điện áp MPP sẽ cao hơn, do đó cần giảm điện áp hoạt động để tiếp tục theo dõi điểm MPP.
Trong chu kỳ cuối, MPP sẽ cập nhật lịch sử bằng cách lưu trữ các giá trị điện áp và dòng điện hiện tại, sử dụng chúng làm các giá trị tham chiếu cho chu kỳ tiếp theo.
Hình 3 12 Lưu đồ thuật toán INC
Thuật toán xây dựng mô hình bơm nước tưới cà phê bằng pin mặt trời
Thuật toán tính toán các thông số của một hệ thống bơm nước năng lượng mặt trời được thực hiện qua các bước sau:
Để bắt đầu, việc xác định lượng nước cần sử dụng là rất quan trọng Chủ đầu tư cần biết chính xác nhu cầu tưới tiêu hàng ngày, vì thông số này ảnh hưởng trực tiếp đến chi phí đầu tư cho hệ thống điện mặt trời.
Bước 2: Xác định loại máy bơm phù hợp là rất quan trọng Máy bơm cần có khả năng bơm lượng nước cần thiết trong khoảng thời gian nắng, thường là trung bình tám giờ mỗi ngày Điều này giúp giảm thiểu việc lưu trữ năng lượng bằng bộ lưu trữ ác quy.
Để xác định công suất điện cần thiết cho máy bơm, bước thứ ba là dựa vào thông số của máy bơm đã chọn Công suất định mức của máy bơm sẽ tương ứng với công suất trung bình của hệ thống pin năng lượng mặt trời.
Bước 4: Xác định công suất đỉnh của hệ thống pin năng lượng mặt trời Ppv Công suất đỉnh được chọn dựa trên công suất trung bình, nhằm đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và đáp ứng đủ năng lượng yêu cầu Thông thường, công suất đỉnh của pin mặt trời được xác định bằng hai lần công suất trung bình.
Để tính toán công suất bộ chuyển đổi DC/DC, cần dựa vào công suất Ppv của hệ thống pin mặt trời Tuy nhiên, để đảm bảo khả năng chịu quá tải và vận hành ổn định trong thời gian dài, nên chọn công suất bộ chuyển đổi DC/DC lớn hơn công suất của pin mặt trời.
Bước 6 trong quá trình lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời là lựa chọn dung lượng bình ắc quy Dung lượng pin cần được xác định để thu thêm công suất từ năng lượng mặt trời khi có độ bức xạ vượt quá 1000W/m2 Khi đó, năng lượng thu được từ pin sẽ lớn hơn năng lượng cần thiết cho hai động cơ bơm nước Phần năng lượng dư thừa này sẽ được sử dụng để cấp cho động cơ bơm nước khi không còn ánh nắng mặt trời Việc lựa chọn dung lượng bình ắc quy phụ thuộc vào cường độ bức xạ tại vị trí lắp đặt.
Lưu đồ chương trình điều khiển trong bộ điều khiển hệ thống bơm nước
Cường độ bức xạ mặt trời ảnh hưởng trực tiếp đến lượng năng lượng điện thu được, và mỗi mức năng lượng này đi kèm với một kịch bản vận hành cụ thể Dưới đây là các kịch bản chi tiết tương ứng với từng mức năng lượng.
Trong kịch bản 1, năng lượng điện thu được vượt quá năng lượng đỉnh của pin do điều kiện nắng gắt với cường độ cao Khi đó, hai động cơ hoạt động ở công suất định mức, và phần công suất dư thừa sẽ được nạp vào bình ắc quy thông qua bộ sạc.
Kịch bản 2 mô tả tình huống khi năng lượng điện thu được từ pin nhỏ hơn năng lượng đỉnh nhưng lớn hơn một nửa năng lượng đỉnh của pin mặt trời Trong trường hợp này, hai động cơ sẽ hoạt động với công suất bằng nhau, tương đương với một nửa công suất mà pin thu được Đồng thời, bình ắc quy sẽ được ngắt kết nối để dự trữ năng lượng riêng.
Kịch bản 3 mô tả tình huống khi năng lượng điện thu được từ pin mặt trời chỉ đạt dưới một nửa năng lượng đỉnh, nhưng vẫn đủ để vận hành một động cơ bơm nước Trong trường hợp này, một động cơ sẽ ngừng hoạt động trong khi động cơ còn lại hoạt động với công suất thu được từ hệ thống pin năng lượng mặt trời Bình ắc quy vẫn giữ trạng thái cô lập như ở kịch bản 2.
Trong kịch bản 4, năng lượng điện thu được không đủ để vận hành một động cơ bơm nước, nhưng vẫn có khả năng nạp bình ắc quy Khi đó, động cơ sẽ dừng hoạt động và toàn bộ năng lượng thu được sẽ được sử dụng để nạp đầy bình ắc quy Sau khi bình được nạp đầy, nguồn điện sẽ được sử dụng để cung cấp cho hai động cơ hoạt động cho đến khi bình hết điện, lúc này hệ thống sẽ tự động ngắt và dừng vận hành.
Khi năng lượng điện thu được không đủ để vận hành động cơ bơm nước và nạp bình ắc quy, hệ thống sẽ tự động ngắt nguồn điện cung cấp trực tiếp cho động cơ Lúc này, bình ắc quy sẽ cung cấp toàn bộ năng lượng cho hai động cơ hoạt động, và khi năng lượng cạn kiệt, hệ thống sẽ ngắt toàn bộ điện và dừng hoạt động.
Nguyên tắc điều khiển thiết bị theo công suất pin mặt trời
Trong mô hình thực nghiệm, khối vi xử lý (MCU) đóng vai trò là bộ xử lý trung tâm, điều khiển toàn bộ hệ thống thiết bị công suất theo các kịch bản đã đề ra Để thực hiện điều này, các cảm biến dòng điện và điện áp thu thập dữ liệu gửi về cho MCU để phân tích và đưa ra quyết định về trạng thái đóng cắt và vận hành cho các cơ cấu chấp hành Nguyên lý hoạt động của từng khối sẽ được trình bày chi tiết trong các phần tiếp theo.
Hình 3 13 Sơ đồ nguyên lý điều khiển hệ thống pin năng lượng mặt trời
3.5.1 Nguyên lý vận hành chung khối xử lí trung tâm
Khối xử lý trung tâm có vai trò quan trọng trong việc ghi nhận công suất cực đại từ hệ thống pin mặt trời Dựa vào giá trị công suất này, bộ MCU sẽ đưa ra quyết định về kiểu hoạt động phù hợp.
Hệ thống sử dụng 36 kịch bản để điều khiển các khóa đóng cắt, cho phép lựa chọn thiết bị thực thi như động cơ, bộ sạc ác quy, hoặc cả hai Để điều chỉnh công suất thiết bị theo điều kiện hoạt động, tín hiệu điều khiển vận tốc và dòng điện sạc được gửi đến các cơ cấu chấp hành Các khối điều khiển con được thiết kế riêng cho từng chức năng cụ thể, đảm bảo thực hiện nhiệm vụ một cách hiệu quả.
3.5.2 Khối MPPT trong điều khiển bộ DC/DC
Hình 3 14 Nguyên lý làm việc khối MPPT trong điều khiển bộ DC/DC
Dựa vào dòng điện và điện áp thu được từ cảm biến gắn trên bộ pin mặt trời, công suất điện của pin được ghi nhận và so sánh với trạng thái công suất trước đó Hệ thống sẽ xác định điện áp V PV.ref tại điểm MPP của hệ thống pin dựa trên các dữ liệu này Để đạt được điểm MPP, tỉ số điều chế D của mạch DC/DC sẽ được điều chỉnh tương ứng với giá trị điện áp V PV hiện tại và giá trị điện áp mong muốn.
V Nguyên tắc làm việc của bộ MPPT trong điều khiển công suất bộ DC/DC được trình bày cụ thể trong hình 3.14
3.5.3 Khối điều khiển công suất máy bơm nước
Trong kịch bản 2 và 3 của hệ thống bơm nước sử dụng năng lượng mặt trời, động cơ cần hoạt động ở các mức công suất khác nhau tùy thuộc vào công suất thu được từ pin mặt trời Việc điều khiển công suất DC theo công suất dự kiến gặp khó khăn trong việc lắp đặt cảm biến, làm tăng chi phí và phức tạp trong tính toán công suất cho máy điện Giải pháp hiệu quả hơn là kiểm soát điện áp trên đầu bus DC cấp cho máy bơm thay vì điều khiển trực tiếp công suất của các máy bơm Nguyên tắc điều khiển dựa trên việc cân bằng công suất bơm vào từ bộ DC/DC và công suất mà máy bơm rút ra trên bus DC.
Khi điện áp trên bus DC tăng, điều này cho thấy công suất từ pin mặt trời lớn hơn công suất tiêu thụ của máy bơm nước, dẫn đến việc tăng vận tốc động cơ.
37 được điều chỉnh tăng lên để tăng công suất tiêu thụ bởi bơm nước Việc điều chỉnh được thực hiện thông qua vòng điều chỉnh điện áp PI
Khi điện áp trên bus DC giảm, điều này cho thấy công suất từ pin mặt trời không đủ để đáp ứng nhu cầu của máy bơm nước Để giảm công suất tiêu thụ, vận tốc động cơ sẽ được điều chỉnh giảm Quá trình điều chỉnh này được thực hiện thông qua vòng điều chỉnh điện áp PI.
Nguyên tắc điều chỉnh công suất bơm nước dựa trên việc thay đổi điện áp trên bus
Hệ thống DC được minh họa trong hình 3.15, cho thấy nguyên tắc điều khiển công suất trên các bơm thông qua việc duy trì ổn định điện áp bus DC Điều này cho phép chuyển toàn bộ công suất thu được từ pin mặt trời sang máy bơm nước mà không cần sử dụng bộ lưu điện, giúp điều hòa công suất giữa phần thu và phần phát điện một cách hiệu quả.
Hình 3 15 Nguyên tắc điều khiển công suất máy bơm nước
3.5.4 Khối điều khiển bộ sạc ác quy
Trong kịch bản số 1, khi công suất thu được vượt quá tổng công suất định mức của máy bơm, năng lượng dư sẽ được nạp vào bình ác quy Ngược lại, trong kịch bản thứ 5, công suất không đủ để cấp cho máy bơm mà chỉ có thể nạp bình ác quy Cả hai kịch bản đều yêu cầu điều chỉnh công suất nạp bình theo sự thay đổi của công suất từ pin mặt trời Đồng thời, việc cân bằng giữa công suất thu và phát trong hệ thống được duy trì thông qua việc sạc bình, khi các máy bơm hoạt động ở trạng thái định mức hoặc không hoạt động.
Nguyên lý làm việc của bộ điều chỉnh điện áp thông qua bộ sạc được trình bày trong hình 3.16 như bên dưới
Khi điện áp bus DC tăng, công suất từ bộ pin năng lượng mặt trời vượt quá công suất cung cấp cho bộ sạc điện Điều này dẫn đến việc dòng điện qua bộ sạc được điều chỉnh tăng để nâng cao công suất nạp bình, và quá trình này được thực hiện thông qua bộ điều khiển PI.
Khi điện áp bus DC giảm, điều này cho thấy công suất thu được từ bộ pin năng lượng mặt trời thấp hơn công suất cung cấp cho bộ sạc điện.
Dòng điện 38 sẽ được điều chỉnh giảm qua bộ sạc nhằm giảm công suất nạp bình Quá trình điều chỉnh này được thực hiện thông qua bộ điều khiển PI.
Hình 3 16 Nguyên tắc điều khiển công suất nạp ác quy
