NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Hồ Võ Quốc Cường Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: Nơi sinh: Chuyên ngành: Kỹ thuật điện MSHV: I- Tên đề tài: Mô hình và mô phỏng điều
Giới thiệu chung
Giới thiệu
Trong những năm gần đây, nhu cầu sử dụng năng lượng điện ngày càng tăng cao, khiến các nguồn năng lượng truyền thống như dầu mỏ và than đá dần cạn kiệt và trở nên khan hiếm Việc phụ thuộc vào các nguồn năng lượng truyền thống cũng gây ra các tác động tiêu cực đến môi trường như ô nhiễm không khí, hiệu ứng nhà kính, thủng tầng ozon, góp phần làm trái đất ngày càng nóng lên Khí thải từ quá trình đốt các nguồn nhiên liệu này không chỉ ảnh hưởng đến môi trường mà còn gây ra các hiện tượng thời tiết cực đoan như mưa axít, hạn hán và lũ lụt, tác động tiêu cực đến cuộc sống của con người.
Trong bối cảnh nguồn năng lượng truyền thống ngày càng cạn kiệt và gây hại cho môi trường, việc tìm các nguồn năng lượng thay thế nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng tăng là cần thiết Chuyển đổi sang các nguồn năng lượng sạch và bền vững không chỉ giúp bảo vệ môi trường mà còn đảm bảo an ninh năng lượng dài hạn cho đất nước Các giải pháp như năng lượng tái tạo đang trở thành xu hướng chính trong chiến lược phát triển năng lượng bền vững, góp phần giảm thiểu tác động tiêu cực đến hệ sinh thái.
Việc phát triển các nguồn năng lượng thay thế ngày càng được thúc đẩy do nhận thức của cộng đồng về vấn đề môi trường Năng lượng hạt nhân là một trong những nguồn năng lượng có tiềm năng cung cấp năng lượng lớn và khả thi thay thế, nhưng vẫn gây tranh cãi về độ an toàn và tác động tiêu cực đến môi trường Vụ tai nạn tại Fukushima ngày 11/3/2011 là ví dụ điển hình của những rủi ro liên quan đến năng lượng hạt nhân, gây thiệt hại lớn về người và kinh tế Nhiều quốc gia châu Âu đã quyết định đóng cửa vĩnh viễn các nhà máy điện hạt nhân nhằm đảm bảo an toàn và bảo vệ môi trường.
Tại Việt Nam, nhu cầu sử dụng năng lượng điện ngày càng lớn và dự kiến sẽ tăng trong các ngắn hạn, trung hạn và dài hạn để đáp ứng sự phát triển kinh tế Theo EVN, để đạt tốc độ tăng trưởng kinh tế 7,5% - 8% và mục tiêu trở thành nước công nghiệp vào năm 2020, Việt Nam cần đẩy mạnh phát triển nguồn điện phù hợp và bền vững.
20 năm tới nhu cầu điện sẽ phải tăng từ 15% - 17% mỗi năm [1]
Đầu tư vào nghiên cứu và khai thác các nguồn năng lượng tái tạo là cần thiết và mang lại hiệu quả, đặc biệt đối với Việt Nam, một quốc gia có nhiều lợi thế về tự nhiên và địa lý Nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu suất của hệ thống pin quang điện trở thành cấp thiết, nhất là trong bối cảnh hệ nhiều pin quang điện đang được xem xét trong luận văn này.
Mục tiêu của đề tài
Để sử dụng năng lượng mặt trời hiệu quả, việc khai thác hệ thống pin quang điện luôn hoạt động tối ưu trong mọi điều kiện là thách thức hàng đầu Các kỹ thuật như P&O, InC và điện áp hằng số đã được ứng dụng để dò tìm và kiểm soát điểm công suất cực đại (MPPT), mang lại nhiều kết quả tích cực trong nâng cao hiệu suất pin quang điện Mặc dù mỗi phương pháp đều có những ưu điểm riêng, nhưng cũng tồn tại các nhược điểm ảnh hưởng đến tốc độ và độ chính xác của quá trình dò tìm điểm MPPT trong điều kiện vận hành thay đổi Yêu cầu hiện nay là cải thiện hơn nữa hiệu quả hệ thống pin quang điện bằng cách tìm điểm MPPT nhanh hơn, chính xác hơn, ngay cả khi bức xạ mặt trời và nhiệt độ môi trường thay đổi liên tục Nghiên cứu tập trung vào điều khiển tối ưu công suất của hệ thống nhiều pin quang điện trong các điều kiện môi trường khác nhau để nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống năng lượng mặt trời.
Nội dung nghiên cứu
- Tổng quan về tiềm năng và khai thác nguồn năng lượng mặt trời trên thế giới và tại Việt Nam
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết hệ thống pin quang điện
- Nghiên cứu các giải thuật điều khiển tối ưu công suất của hệ thống pin quang điện
- Nghiên cứu và đề xuất giải thuật điều khiển tối ưu công suất của mộpin quang điện
- Mô phỏng giải thuật cải thiện khả năng bám điểm công suất cực đại của hệ thống pin quang điện.
Phạm vi nghiên cứu của đề tài
- Các nghiên cứu được thực hiện trên một hệ thống pin quang điện
Đề xuất giải thuật điều khiển tối ưu công suất hệ thống nhiều pin quang điện giúp nâng cao hiệu suất vận hành Giải pháp này thích ứng linh hoạt với các thay đổi của điều kiện bức xạ mặt trời và nhiệt độ môi trường Việc tối ưu hoá công suất hệ thống solar giúp giảm thiểu tổn thất năng lượng và tối đa hoá lợi ích kinh tế Áp dụng giải thuật này đảm bảo hệpin hoạt động ổn định, nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng.
Tổng quan tình hình nghiên cứu
Liên quan đến bài toán được đặt ra, đã có nhiều nhà khoa học tập trung giải quyết với các kết quả đạt được nhất định như sau:
Joe-Air Jiang, v.v với công trình nghiên cứu, “Maximum power tracking for photovoltaic power systems” đã đề xuất giải thuật so sánh 3 điểm
Giải thuật này là một phiên bản nâng cấp của giải thuật P&O, cho phép so sánh ba điểm thay vì chỉ hai điểm như trong P&O truyền thống Chính nhờ việc so sánh nhiều điểm hơn, giải thuật 3 điểm có khả năng tối ưu hóa quyết định điều chỉnh điện áp của pin quang điện một cách chính xác hơn Việc này giúp hệ thống nhanh chóng xác định xem nên tăng, giảm, hay giữ nguyên điện áp làm việc của pin mặt trời để đạt hiệu suất tối đa Đây là một giải pháp tiên tiến nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống năng lượng mặt trời, phù hợp với các yêu cầu tối ưu hóa trong các hệ thống điện năng sạch.
Giải thuật so sánh 3 điểm được biểu diễn như lưu đồ thuật toán, Hình 1.1
Hình 1.1 Lưu đồ thuật toán của giải thuật so sánh 3 điểm
Nguyên tắc cho phép điểm áp làm việc của pin quang điện tăng, giảm hay giữ nguyên của giải thuật so sánh 3 điểm được trình bày như sau, Hình 1.2
Hệ MPPT của pin quang điện điều chỉnh điện áp làm việc dựa trên phương pháp so sánh 3 điểm Cụ thể, hệ thống sẽ tăng điện áp trong các trường hợp ((1), (4))) nhằm tối ưu hóa hiệu suất nạp năng lượng, còn giảm điện áp trong các trường hợp ((3), (6))) để duy trì hoạt động ổn định và hiệu quả của pin Điều này giúp cải thiện hiệu suất tổng thể của hệ thống quang điện, đảm bảo tối đa hóa sản lượng điện năng từ các điều kiện vận hành khác nhau.
Hình 1.2 Cơ chế so sánh 3 điểm
* Ưu điểm của giải thuật:
Giải thuật sử dụng ba điểm để so sánh giúp khắc phục nhược điểm hoạt động sai của thuật toán P&O trong các môi trường thay đổi nhanh, như sự biến động của cường độ bức xạ Nhờ đó, phương pháp này nâng cao độ chính xác và độ tin cậy trong việc tối ưu hóa hệ thống năng lượng mặt trời Áp dụng kỹ thuật này sẽ đảm bảo hiệu suất tối đa của các hệ thống năng lượng liên tục thích nghi với biến đổi môi trường đột ngột.
* Nhược điểm của giải thuật:
Khi cường độ bức xạ thay đổi mạnh và kéo dài so với chu kỳ lấy mẫu, giải thuật so sánh 3 điểm dễ gặp phải sai lệch do luôn đọc thấy cả ba điểm cùng tăng hoặc cùng giảm Điều này dẫn đến quyết định sai của giải thuật và ảnh hưởng tiêu cực đến độ chính xác trong việc xác định sự thay đổi của điện áp tại điểm công suất cực đại, Vmpp.
Dezso Sera đã nghiên cứu và đề xuất cải tiến thuật toán MPPT, trong đó thêm một quá trình lấy mẫu trung gian tại thời điểm T/2, như hình 1.3, nhằm nâng cao hiệu quả của giải thuật Perturb and Observe (P&O) Phương pháp này giúp tối ưu hóa khả năng thích ứng với các điều kiện môi trường thay đổi nhanh, góp phần nâng cao hiệu suất hệ thống năng lượng mặt trời Những cải tiến này hướng đến việc tối ưu hóa quá trình theo dõi điểm công suất tối đa, đảm bảo vận hành hiệu quả và bền vững của hệ thống năng lượng tái tạo.
Hình 1.3 Đo công suất giữa 2 lần lấy mẫu
Trong đó, dP được biểu diễn như sau:
Lưu đồ thuật toán của giải thuật đề xuất được biểu diễn như Hình 1.4 sau:
Hình 1.4 Lưu đồ thuật toán của giải thuật dP-P&O
Theo đề xuất, giải thuật dP-P&O sẽ lấy mẫu trung gian ở thời điểm T/2 và khi môi trường thay đổi (dP = 0) sẽ không thay đổi V
* Ưu điểm của giải thuật:
Có thể nhận thấy rằng giải thuật này giúp cho bộ MPPT không bị nhẫm lẫn khi cường độ bức xạ thay đổi tuyến tính
* Nhược điểm của giải thuật:
Khi cường độ chiếu sáng thay đổi không tuyến tính giải thuật này có thể hoạt động sai
Hình 1.5 Sơ đồ khối của hệ pin quang điện với bộ điều khiển MPPT Neural
Network được đề xuất bởi M A Younis
M A Younis, v.v với công trình nghiên cứu, “An improved maximum power point tracking controller for PV systems using artificial neural network” đã tiếp tục nghiên cứu để kết hợp công nghệ mạng nơ-rôn nhân tạo và thuật toán P&O cho việc xây dựng một bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại [4] Các tác giả đã sử dụng mạng nơ-rôn nhân tạo để dự báo giá trị điện áp tối ưu của hệ thống PV sao cho có thể đạt được điểm công suất cực đại Cấu trúc mạng nơ-rôn được sử dụng trong nghiên cứu là cấu trúc lan truyền ngược với bốn tín hiệu ngõ vào mà tương ứng là cường độ bức xạ, nhiệt độ, hệ số nhiệt của dòng điện ngắn mạch và hệ số nhiệt độ của điện áp hở mạch của PV và tín hiệu ngõ ra của mạng nơ-rôn là giá trị điện áp tối ưu, Hình 1.5 Lưu đồ của giải thuật MPPT Neural Network như Hình 1.6
* Ưu điểm của giải thuật:
Các kết quả mô phỏng trong nghiên cứu chỉ ra rằng bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại (MPPT) sử dụng công nghệ mạng nơ-ron có khả năng đáp ứng nhanh hơn so với bộ điều khiển dựa trên thuật toán P&O Ngoài ra, hiệu suất bám công suất trung bình của bộ điều khiển mạng nơ-ron được cải thiện đáng kể, khẳng định tính ưu việt của công nghệ này trong hệ thống năng lượng mặt trời.
* Nhược điểm của giải thuật:
Giải thuật MPPT kết hợp giữa P&O và mạng nơ-ron nhân tạo lan truyền ngược Levenberg-Marquardt gặp khó khăn trong việc tối ưu hóa các tham số của mạng, đặc biệt là lựa chọn số nơ-ron phù hợp cho các lớp ngõ vào, lớp ẩn và lớp ngõ ra Việc xác định cấu trúc mạng phù hợp là thách thức lớn để đảm bảo hiệu quả tối đa trong theo dõi cực đại công suất (MPPT) Các vấn đề về điều chỉnh tham số mạng ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác và tốc độ phản hồi của hệ thống, đòi hỏi các phương pháp tối ưu hóa phù hợp để nâng cao hiệu suất Tiến trình huấn luyện mạng cần được thiết kế cẩn thận nhằm giảm thiểu sai số dự đoán và tăng khả năng thích nghi với các điều kiện thay đổi của nguồn năng lượng mặt trời.
Hình 1.6 Lưu đồ giải thuật MPPT Neural Network
B Das, v.v với công trình nghiên cứu, “New perturb and observe MPPT algorithm and its validation using data from PV module” đã giới thiệu phương pháp chia đôi (Bisection method) cho bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ thống PV [5]
Giải thuật xác định giá trị điện áp của mô-đun PV nhằm tính toán công suất tối đa và theo dõi điểm công suất cực đại (MPPT) hiệu quả Đặc biệt, giải thuật dựa vào đạo hàm dP/dV để xác định vị trí điểm làm việc của pin quang điện, có thể nằm ở bên trái hoặc bên phải của điểm MPPT Việc này giúp điều chỉnh điện áp tối ưu một cách chính xác, nâng cao hiệu suất hệ thống quang điện.
Hình 1.7 Lưu đồ thuật toán của giải thuật P&O kết hợp với phương pháp chia đôi
* Ưu điểm của giải thuật:
Các kết quả mô phỏng trong nghiên cứu này cho thấy phương pháp đề xuất đạt được giá trị công suất cực đại nhanh hơn so với thuật toán P&O truyền thống Việc so sánh các kết quả xác nhận rằng kỹ thuật mới giúp tối ưu hóa quá trình tìm tối đa công suất hiệu quả hơn Lưu đồ thuật toán của giải pháp đề xuất, như được trình bày trong Hình 1.7, thể hiện rõ quy trình và ưu điểm của phương pháp mới trong tối ưu hóa năng lượng.
* Nhược điểm của giải thuật:
Giải thuật này sử dụng các bước tăng giảm cố định của điện áp để xác định điểm công suất cực đại phù hợp với từng điều kiện bức xạ khác nhau Tuy nhiên, điều này chính là nhược điểm của giải thuật P&O truyền thống và cả giải thuật P&O cải tiến kết hợp phương pháp chia đôi, làm ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ hội tụ của hệ thống.
Nguyễn Viết Ngư đã thực hiện nghiên cứu về so sánh hai thuật toán InC và P&O trong điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ thống pin mặt trời cấp điện độc lập, nhằm đánh giá hiệu quả của các phương pháp này trong tối ưu hóa công suất của hệ thống năng lượng mặt trời.
* Ưu điểm của nghiên cứu:
Kết quả mô phỏng cho thấy, cả hai giải thuật MPPT đều nhanh chóng xác định điểm công suất cực đại khi cường độ bức xạ mặt trời và nhiệt độ môi trường thay đổi Tuy nhiên, giải thuật InC vượt trội hơn P&O trong việc duy trì hệ thống PV ở điểm công suất tối ưu, với phạm vi dao động nhỏ hơn quanh điểm cực đại Giải thuật InC phản ứng nhanh và chính xác trong quá trình điều khiển MPPT, giúp dòng điện và điện áp của PV ổn định hơn so với giải thuật P&O, tăng hiệu quả vận hành của hệ thống năng lượng mặt trời.
Việc sử dụng giải thuật InC trong điều khiển MPPT của hệ thống PV độc lập mang lại hiệu quả cao, đảm bảo cung cấp điện liên tục, ổn định và tối ưu cho phụ tải Giải thuật InC phản ứng nhanh chóng và chính xác với những thay đổi đột ngột của điều kiện thời tiết, giúp bám sát điểm công suất cực đại với độ biến động nhỏ So với giải thuật P&O, InC có ưu điểm vượt trội về khả năng giảm dao động quanh điểm công suất cực đại và hạn chế hao tổn công suất phát ra do dao động này, từ đó nâng cao hiệu quả hệ thống Chính vì vậy, áp dụng giải thuật InC trong điều khiển MPPT là phương pháp tối ưu hơn cho hệ thống PV độc lập.
* Nhược điểm của nghiên cứu:
Bố cục dự kiến của luận văn
Luận văn tập trung nghiên cứu các vấn đề liên quan đến điều khiển tối ưu công suất của hệ thống nhiều pin quang điện nhằm nâng cao hiệu suất hoạt động Nội dung chính bắt đầu với chương 1 giới thiệu tổng quan về đề tài, làm rõ tầm quan trọng của tối ưu hóa công suất trong các hệ thống điện mặt trời ngày càng phổ biến.
+ Chương 2: Cơ sở lý thuyết hệ thống pin quang điện
+ Chương 3: Nghiên cứu điều khiển tối ưu công suất của hệ nhiều pin quang điện
+ Chương 4: Mô phỏng điều khiển tối ưu công suất của hệ nhiều pin quang điện
+ Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai
Kết luận
Năng lượng đang trở thành vấn đề cấp bách, đặc biệt là năng lượng điện, đòi hỏi khai thác và sử dụng các nguồn năng lượng thay thế truyền thống Năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời, đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ môi trường và cung cấp nguồn năng lượng vô tận Việc phát triển các nguồn năng lượng sạch này là vô cùng cần thiết để hướng tới một tương lai bền vững và thân thiện với môi trường.
Cơ sở lý thuyết hệ thống pin quang điện
Năng lượng mặt trời
Mặt trời phát ra năng lượng qua một dãy tia bức xạ rất rộng, nhưng không phải tất cả đều có thể gây ra hiện tượng quang điện Chỉ những tia bức xạ với bước sóng λ có năng lượng đủ lớn để vượt qua mức năng lượng kích hoạt electron của các chất bán dẫn mới có khả năng tạo ra hiện tượng quang điện.
Phân tích một điển hình về phổ năng lượng mặt trời tác động lên pin quang điện silicon được biểu diễn ở Hình 2.1 như sau:
Hình 2.1 Phổ năng lượng mặt trời
Trên biểu đồ phổ năng lượng mặt trời có thể nhận thấy rằng:
Khoảng 20,2% năng lượng mặt trời bị tổn hao không có tác dụng, do năng lượng này thấp hơn mức năng lượng tối thiểu cần thiết để kích hoạt các electron thoát khỏi trạng thái tĩnh của chúng (h < Eg) Điều này cho thấy một phần lớn năng lượng mặt trời không thể được chuyển đổi thành năng lượng hữu ích trong các hệ thống năng lượng mặt trời hiện tại Hiểu rõ về mức năng lượng tối thiểu này giúp tối ưu hóa hiệu quả của các tấm pin mặt trời và nâng cao khả năng chuyển hóa năng lượng mặt trời thành điện năng.
Khoảng 30,2% năng lượng bị mất đi ở các vùng năng lượng có độ siêu phân cực cao (h > Eg), trong khi đó, khoảng 49,6% năng lượng hữu ích có thể được thu bởi pin quang điện Ứng dụng chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện dựa trên hệ thống pin quang điện sẽ được trình bày trong phần tiếp theo.
Pin quang điện
2.2.1 Cấu tạo pin quang điện
Pin quang điện, còn gọi là pin mặt trời, là thiết bị sử dụng hiệu ứng quang điện trong chất bán dẫn để chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành dòng điện một chiều Đây là công nghệ năng lượng sạch, giúp giảm phát thải khí nhà kính và cung cấp nguồn năng lượng bền vững cho nhiều ứng dụng khác nhau Các loại pin quang điện ngày càng được nâng cao về hiệu suất, góp phần thúc đẩy sử dụng năng lượng mặt trời trở nên phổ biến và hiệu quả hơn trong cuộc sống hàng ngày.
Cấu tạo cơ bản của pin quang điện được biễu như Hình 2.2
Hình 2.2 Cấu tạo của pin quang điện
Kỹ thuật chế tạo pin quang điện khá giống với quá trình sản xuất các linh kiện bán dẫn như transistor, diode Nguyên liệu chính để sản xuất pin quang điện là silicon (Si), thuộc nhóm IV trong bảng tuần hoàn, giống như các linh kiện bán dẫn thông thường Quá trình chế tạo này đòi hỏi các kỹ thuật công nghệ cao để đảm bảo hiệu suất tối ưu của pin quang điện.
Trong Si, các electron được sắp xếp trong cấu trúc gồm ba lớp vỏ electron Trong đó, hai lớp vỏ bên trong chứa đầy 10 electron mỗi lớp, thể hiện mức độ ổn định cao của nguyên tố này Lớp vỏ ngoài cùng chỉ chứa khoảng một nửa lượng electron tối đa với 4 electron, góp phần vào đặc tính hóa học và khả năng phản ứng của Si Cấu trúc electron này giúp giải thích tính chất vật lý và hóa học đặc biệt của nguyên tố silicon trong công nghiệp và công nghệ.
Tấm kính phủ lớp phía trên Tấm keo EVA
Các lớp pin quang điện
Tấm keo EVATấm đáy Điều này làm cho nguyên tử Si có xu hướng dùng chung các điện tử của nó với các nguyên tử Si khác
Trong cấu trúc mạng tinh thể, nguyên tử silicon (Si) liên kết với 4 nguyên tử Si lân cận để tạo thành lớp vỏ ngoài cùng có chung 8 electron, đảm bảo tính bền vững của tinh thể Tinh thể Si tinh khiết là chất bán dẫn với khả năng dẫn điện rất thấp do các electron bị giam giữ trong liên kết mạng và thiếu điện tử tự do Chỉ khi có tác động từ điều kiện quang hoặc nhiệt, các electron mới bị bứt ra khỏi liên kết mạng để tham gia vào quá trình dẫn điện Trong ngôn ngữ vùng năng lượng, các electron mang điện tích âm có thể nhảy từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, để lại vùng hóa trị trống, qua đó ảnh hưởng đến tính chất bán dẫn của silicon.
Lỗ trống tích điện dương trong chất bán dẫn giúp tăng khả năng dẫn điện của silic Để nâng cao hiệu suất dẫn điện của silicon, người ta thường pha tạp chất vào trong chất bán dẫn, từ đó cải thiện đặc tính dẫn điện hiệu quả hơn.
Trong trường hợp tạp chất là nguyên tử Phospho (P) với tỷ lệ khoảng một phần triệu, P có 5 điện tử ở lớp vỏ ngoài cùng Khi liên kết trong tinh thể silicon, lượng điện tử dư ra từ nguyên tử P sẽ làm tăng số lượng điện tử tự do trong mạng tinh thể Trong điều kiện nhiệt độ cao, các điện tử này có thể bị kích thích và thoát khỏi liên kết với hạt nhân P để di chuyển tự do trong mạng tinh thể Quá trình này tạo ra chất bán dẫn loại N (Negative), có khả năng dẫn điện chủ yếu do các điện tử tự do mang điện tích âm.
Hình 2.3 Chất bán dẫn Si được pha tạp chất P được gọi là bán dẫn loại N
Hình 2.4 Chất bán dẫn Si pha tạp chất Boron được gọi là bán dẫn loại P
Khi pha tạp chất tinh thể Silic bằng nguyên tử Boron (có 3 electron valence), sẽ tạo ra chất bán dẫn loại P (Positive) Chất bán dẫn này có đặc điểm dẫn điện chủ yếu nhờ các lỗ trống, giúp tăng khả năng truyền tải điện năng trong các thiết bị điện tử Điều này làm cho Silic trở thành vật liệu phổ biến trong công nghiệp bán dẫn và công nghệ vi điện tử.
Khi các điện tử tự do ở gần mặt tiếp xúc trong chất bán dẫn loại N khuyếch tán sang chất bán dẫn loại P, chúng tạo thành các lỗ trống trong phần bán dẫn loại P Quá trình này góp phần hình thành vùng diode P-N và ảnh hưởng đến đặc tính điện của thiết bị bán dẫn Hiểu rõ quá trình khuyếch tán điện tử và tạo lỗ trống là nền tảng để nắm bắt các nguyên lý hoạt động của các linh kiện bán dẫn như diode và transistor.
Một diode bán dẫn có cấu tạo đặc biệt, với lớp N cực mỏng cho phép ánh sáng truyền qua, chính là nguyên lý hoạt động của pin quang điện Pin quang điện là loại diode bán dẫn có diện tích bề mặt rộng, giúp tối ưu hóa khả năng hấp thụ năng lượng ánh sáng để chuyển hóa thành điện năng hiệu quả.
2.2.2 Nguyên lý hoạt động của pin quang điện
Sơ đồ nguyên lý hoạt động của pin quang điện được mô tả như Hình 2.5 sau:
Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của pin quang điện
Khi chiếu ánh sáng vào pin quang điện:
- Một phần sẽ bị phản xạ và do đó trên bề mặt pin quang điện có một lớp chống phản xạ
- Một phần bị hấp thụ khi truyền qua lớp N
- Một phần may mắn hơn đến được lớp chuyển tiếp, nơi có các cặp electron và lỗ trống nằm trong điện trường của bề mặt giới hạn p-n
Các bước sóng phù hợp sẽ cung cấp năng lượng đủ lớn để electron thoát khỏi liên kết, tạo ra cặp electron và lỗ trống dưới tác dụng của điện trường Electron bị kéo về phía bán dẫn loại n, trong khi lỗ trống bị đẩy về phía bán dẫn loại p, dẫn đến sinh ra hiệu điện thế khi nối hai cực của các phần bán dẫn này Giá trị hiệu điện thế phụ thuộc vào bản chất của chất bán dẫn và loại tạp chất được hấp phụ, ảnh hưởng đến hiệu suất và ứng dụng của các thiết bị bán dẫn.
Với Si có pha tạp chất tinh thể Boron và Phospho thì giá trị điện áp này khoảng 0,5 đến 0,6 V
2.2.3 Mô hình toán của pin quang điện
Sơ đồ mạch điện tương đương của pin quang điện được biểu diễn như Hình 2.6
Hình 2.6 Sơ đồ pin quang điện thực tế
Mô hình toán thể hiện mối quan hệ giữa điện áp và cường độ dòng điện của pin quang điện, V-I được biểu diễn như sau:
IPH: Dòng của pin quang điện (A)
RSH: Nội trở song song
RS: Nội trở nối tiếp 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 quang điện (K)
A: Hệ số lý tưởng phụ thuộc vào công nghệ chế tạo pin quang điện được cho trong như Bảng 2.1
Bảng 2.1 Bảng lựa chọn hệ số lý tưởng A theo công nghệ chế tạo
Công nghệ chế tạo Hệ số lý tưởng (A)
Si-Poly 1,3 a-Si:H 1,8 a-Si:H Tandem 3,3 a-Si:H Triple 5
Bỏ qua ảnh hưởng của tổn hao RSH và RS, sơ đồ mạch điện tương đương của pin quang điện có thể được biểu diễn như Hình 2.7, giúp đơn giản hóa quá trình phân tích hiệu suất và hoạt động của pin.
Hình 2.7 Sơ đồ pin quang điện khi bỏ qua RSH và RS
Biểu thức (2.1) sẽ được viết lại thành biểu thức (2.2) như sau:
Mặt khác, dòng điện IPH phụ thuộc trực tiếp vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ, TC của pin quang điện theo biểu thức (2.3) như sau:
ISC: Dòng ngắn mạch tại nhiệt độ tiêu chuẩn 25 0 C và bức xạ 1000W/m 2 (A)
KI: Hệ số dòng điện phụ thuộc vào nhiệt độ (A/ 0 C)
TRef: Nhiệt độ tiêu chuẩn của pin quang điện ( 0 K) λ: Bức xạ mặt trời (kW/m 2 )
Dòng bão hòa, IS là dòng các hạt tải điện không cơ bản được tạo ra do kích thích nhiệt trong pin quang điện Khi nhiệt độ của pin tăng lên, dòng bão hòa IS cũng tăng theo hàm mũ, cho thấy mối quan hệ tỷ lệ thuận với quá trình nhiệt kích thích Dòng này được xác định dựa trên biểu thức (2.4), phản ánh rõ ảnh hưởng của nhiệt độ đối với dòng điện trong pin quang điện Hiểu rõ đặc điểm của dòng bão hòa giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của pin quang điện trong các điều kiện nhiệt độ khác nhau.
IRS: Dòng điện ngược bão hòa tại nhiệt độ tiêu chuẩn (A)
EG: Năng lượng lỗ trống của chất bán dẫn
Dòng điện ngược bão hòa tiêu chuẩn IRS có thể được biểu diễn như biểu thức (2.5) sau:
ISC: Dòng điện ngắn mạch (A)
VOC: Điện áp hở mạch (V)
Hình 2.8 Dòng điện ngắn mạch (ISC) và điện áp hở mạch (VOC)
Thông thường, mỗi cell pin có điện áp làm việc khoảng 0,5 đến 0,6 V và công suất khoảng 2 W Để tăng điện áp làm việc, các cell cần được mắc nối tiếp, trong khi để đạt dòng điện lớn hơn, các cell phải được mắc song song Mạch điện tương đương của module pin quang điện gồm NS cell nối tiếp và NP nhánh song song, được mô tả rõ trong Hình 2.9.
Hình 2.9 Module pin quang điện
Khi ấy, biểu thức (2.2) được viết lại thành:
2.2.4 Đặc tuyến V-I và V-P của pin quang điện
Pin quang điện là thiết bị chuyển đổi năng lượng tia sáng mặt trời thành năng lượng điện hiệu quả Theo mô hình toán học của pin quang điện, đặc tuyến của pin thể hiện tính không tuyến tính, như đã được thể hiện rõ qua các hình ảnh minh họa trong Hình 2.10 và Hình 2.11, điều này ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất cũng như thiết kế các hệ thống năng lượng mặt trời.
Hình 2.10 Đặc tuyến V-I của pin quang điện
Hình 2.11 Đặc tuyến V-P của pin quang điện
Các đại lượng như công suất, cường độ dòng điện và điện áp của pin quang điện đều chịu tác động bởi bức xạ mặt trời và nhiệt độ của pin Hiểu rõ mối quan hệ này giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của hệ thống năng lượng mặt trời, đảm bảo nguồn năng lượng sạch và ổn định.
Các bộ điều khiển cơ bản của một hệ thống pin quang điện
Hệ thống pin quang điện gồm các pin quang điện và bộ điều khiển, đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành điện năng Các bộ điều khiển cơ bản của hệ thống pin quang điện giúp tối ưu hóa hiệu suất và đảm bảo hoạt động ổn định của hệ thống, từ đó nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng mặt trời.
+ Bộ điều khiển công suất;
+ Bộ điều khiển pin quang điện
2.3.1 Bộ điều khiển công suất (Power control unit, PCU)
Bộ điều khiển công suất (PCU) là thiết bị kết nối hệ thống pin quang điện với lưới điện, đảm bảo chuyển đổi và kiểm soát năng lượng một cách an toàn và hiệu quả Trong hệ thống pin quang điện nối lưới không sử dụng bộ sạc, PCU bao gồm bộ tìm điểm công suất cực đại (MPPT) giúp tối ưu hóa hiệu suất năng lượng và bộ biến đổi điện áp DC/AC (Inverter) để chuyển đổi dòng điện một chiều thành dòng xoay chiều phù hợp với lưới điện Ngoài ra, PCU còn tích hợp các thiết bị bảo vệ nhằm ngắt hệ thống pin quang điện khỏi lưới khi phát hiện sự cố, đảm bảo an toàn cho hệ thống và người dùng.
Hình 2.18 Các thành phần của bộ điểu khiển công suất (PCU)
Trong Hình 2.18, MPPT là bộ biến đổi điện áp DC-DC giúp tối ưu hóa công suất của hệ thống pin quang điện, đảm bảo cung cấp công suất tối đa tới bộ inverter Thiết bị MPPT duy trì điện áp ngõ vào bộ inverter ở mức ổn định tại điểm làm việc tối ưu, nâng cao hiệu suất hệ thống Các bộ biến đổi điện áp DC-DC phổ biến như Buck, Boost và Buck-Boost được sử dụng để điều chỉnh điện áp phù hợp với yêu cầu của hệ thống năng lượng mặt trời.
Bộ biến đổi điện áp DC sang AC (Bộ inverter) nối ngõ ra DC của bộ
Bộ điều khiển công suất (PCU)
MPPT với điện áp AC của lưới điện thường sử dụng bộ biến đổi nguồn tự đảo (self-commutated), được lắp cùng thiết bị đóng cắt như IGBT hoặc MOSFET có khả năng điều khiển trạng thái mở hoặc đóng của công tắc Các công tắc này giúp tối ưu hoạt động của bộ biến đổi DC sang AC, đồng thời cho phép sử dụng bộ inverter với chức năng bảo vệ, kiểm soát hệ số công suất và triệt tiêu sóng hài Bộ inverter tự đảo còn có khả năng điều khiển hai sơ đồ đóng ngắt độc lập, giúp điều chỉnh dòng điện và điện áp phù hợp với kích thước và chức năng của hệ thống pin quang điện.
Sơ đồ điều khiển dòng là một trong những sơ đồ phổ biến nhất trong các hệ thống pin quang điện nhờ khả năng cung cấp hệ số công suất cao Với thiết kế mạch điều khiển đơn giản, sơ đồ này đảm bảo hiệu quả hoạt động tối ưu của hệ thống năng lượng mặt trời Đây là lựa chọn lý tưởng cho các dự án pin quang điện nhạy bén và tiết kiệm chi phí vận hành.
Sơ đồ điều khiển điện áp thường được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng không nối lưới, đảm bảo kiểm soát chính xác mức điện áp để duy trì hoạt động ổn định của hệ thống Ngoài ra, trong một số ứng dụng nối lưới, sơ đồ này giúp duy trì biên độ điện áp phù hợp cho thanh cái, từ đó tối ưu hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống điện Việc sử dụng sơ đồ điều khiển điện áp đảm bảo khả năng điều chỉnh linh hoạt, đáp ứng tốt các yêu cầu về an toàn và hiệu quả trong các hệ thống năng lượng điện hiện đại.
Hệ thống điều khiển AC là cần thiết để đảm bảo ổn định điện áp đầu ra phù hợp với lưới điện và các ứng dụng độc lập, như hệ thống pin quang điện Sơ đồ điều khiển PWM được sử dụng để tạo ra các dạng sóng mang các thành phần hài bậc thấp, giúp cải thiện chất lượng điện năng Trong các hệ thống pin quang điện không nối lưới, việc duy trì điện áp ngõ ra ổn định là yếu tố quan trọng để đảm bảo hoạt động hiệu quả của tải và thiết bị lưu trữ năng lượng Hệ thống pin quang điện nối lưới công nghiệp có thể dùng sơ đồ điều khiển này để điều chỉnh biên độ điện áp, nhằm giúp giảm thiểu dao động và ổn định điện áp tại ngõ ra Khi công suất ngõ ra vượt quá nhu cầu sử dụng trong ngày, phần dư sẽ được phát trở lại lưới điện, ảnh hưởng đến điện áp đầu ra Các hệ thống pin quang điện quy mô lớn có thể gây ra dao động điện áp không mong muốn, gồm mức quá áp đáng kể, gây ảnh hưởng đến chất lượng lưới điện Để hạn chế các dao động này, sơ đồ điều khiển điện áp trong inverter được ứng dụng nhằm duy trì biên độ điện áp ổn định bất kể mức công suất ngõ ra, giúp hệ thống pin quang điện tránh những biến động không mong muốn trong điện áp lưới.
Việc chọn loại sơ đồ điều khiển phù hợp cho hệ thống pin quang điện rất quan trọng trong mô phỏng và phân tích dòng công suất không cân bằng Sử dụng sơ đồ điều khiển dòng giúp hệ thống pin quang điện hoạt động như nguồn công suất PQ cố định, còn sơ đồ điều khiển điện áp lại mô tả nguồn công suất PV cố định Lựa chọn sơ đồ điều khiển phù hợp sẽ tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của hệ thống năng lượng mặt trời.
2.3.2 Bộ điều khiển pin quang điện
Bộ điều khiển pin quang điện đóng vai trò quan trọng trong việc kéo dài tuổi thọ của bộ lưu trữ năng lượng, bằng cách ngăn chặn quá trình sạc vượt quá giới hạn Chức năng chính của nó là nhận biết điện áp của bộ lưu trữ và điều chỉnh dòng sạc, giảm hoặc ngừng sạc khi điện áp đạt mức phù hợp, giúp tránh giảm tuổi thọ do sạc quá mức hàng ngày Khác với bộ điều khiển hệ thống thủy điện và phong điện, bộ điều khiển pin quang điện có khả năng ngắt mạch khi bộ lưu trữ đầy mà không gây hư hỏng cho module pin, đảm bảo an toàn và độ bền của hệ thống Đa số các bộ điều khiển pin quang điện dễ dàng ngắt mạch hoặc hạn chế dòng điện khi điện áp tăng đến ngưỡng cài đặt, và tự khởi động lại khi bộ lưu trữ tiêu thụ điện tử thừa và điện áp giảm xuống thấp hơn, giúp duy trì hiệu quả hoạt động của hệ thống năng lượng mặt trời.
Một số bộ điều khiển có điểm điện áp cố định được cài đặt sẵn tại nhà máy và không thể điều chỉnh, trong khi đó, một số loại khác lại cho phép người dùng tùy chỉnh điểm điện áp theo nhu cầu sử dụng Điều này giúp đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả và phù hợp với các yêu cầu kỹ thuật riêng biệt Việc lựa chọn bộ điều khiển phù hợp đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất và độ bền của thiết bị điện.
Các bộ điều khiển có giá trị định mức dòng điện mà chúng có thể kiểm soát, đảm bảo hoạt động ổn định trong các điều kiện tải khác nhau Theo quy định, bộ điều khiển cần có khả năng chịu được quá dòng lên đến 25% trong một khoảng thời gian ngắn, giúp duy trì hoạt động ổn định khi có hiện tượng "mây che" tạm thời làm tăng đáng kể cường độ ánh sáng mặt trời Nếu dòng điện vượt quá dòng định mức của bộ điều khiển, thiết bị có nguy cơ gặp hỏng hóc, ảnh hưởng đến độ bền và hiệu suất hoạt động.
Khuyến khích sử dụng bộ điều khiển có dòng định mức cao hơn dòng phát ra từ hệ thống pin quang điện, nhằm chuẩn bị cho các mục tiêu mở rộng quy mô trong tương lai Điều này giúp đảm bảo khả năng vận hành ổn định và linh hoạt trong các dự án năng lượng mặt trời dài hạn Việc lựa chọn bộ điều khiển phù hợp không chỉ tối ưu hóa hiệu suất hệ thống mà còn nâng cao tính bền vững và khả năng phát triển mở rộng trong các ứng dụng năng lượng sạch.
Bộ điều khiển cũng ngăn hiện tượng dòng ngược vào buổi tối làm bộ lưu trữ xả điện nhưng sự hao hụt công suất thì không đáng kể.
Các hình thức hoạt động của pin quang điện
Hệ thống pin quang điện hoạt động theo hai hình thức:
+ Hệ thống pin quang điện độc lập;
+ Hệ thống pin quang điện nối lưới
2.4.1 Pin quang điện hoạt động độc lập
Hệ thống pin quang điện hoạt động độc lập trong gia đình cung cấp điện cho các hộ ở khu vực xa xôi, đặc biệt phổ biến tại các vùng nông thôn của các quốc gia đang phát triển Những hệ thống này thường được sử dụng hiệu quả trong các khu vực cách xa điện lưới từ 1-2 km, nơi mà mạng lưới điện chưa tiếp cận được Đây là giải pháp năng lượng sạch, bền vững, góp phần nâng cao đời sống và phát triển cộng đồng nhỏ lẻ ở những vùng nông thôn.
Một vài ứng dụng của hệ thống pin quang điện hoạt động độc lập bao gồm: a Pin quang điện cấp nguồn cho hệ thống bơm nước
Bơm nước là một ứng dụng quan trọng của hệ thống pin quang điện, giúp cung cấp nước hiệu quả cho nhu cầu sinh hoạt và sản xuất Hệ thống bơm gồm một dải các pin quang điện (có thể có hoặc không có bộ phận xoay cơ khí), bộ điều khiển bơm và bộ inverter chuyển đổi nguồn cho động cơ bơm AC Nước thường được bơm chỉ trong các giờ ban ngày khi năng lượng mặt trời dồi dào và sau đó được lưu trữ trong bồn để sử dụng trong những thời điểm thiếu nước hoặc vào ban đêm Ngoài ra, các hệ thống này còn có thể tích hợp bộ lưu trữ năng lượng để nâng cao hiệu quả hoạt động và đảm bảo cung cấp nước liên tục khi cần thiết.
Hình 2.19 Hệ thống bơm nước được cấp nguồn từ hệ thống pin quang điện
Pin quang điện Inverter/Bộ điều khiển công suất Động cơ bơm b Hệ thống chiếu sáng được cấp nguồn từ pin quang điện
Hệ thống chiếu sáng sử dụng pin quang điện phổ biến trong các khu vực công cộng và bảng hiệu, bao gồm dải pin quang điện, bộ lưu trữ, bộ điều khiển sạc, bộ điều khiển chiếu sáng và đèn Các dãy pin quang điện thường được lắp trên đỉnh công trình hoặc cấu trúc bảng hiệu để tối ưu hóa hiệu quả Để cung cấp ánh sáng, hệ thống chủ yếu sử dụng các loại đèn như đèn natri áp suất thấp, natri áp suất cao và đèn huỳnh quang, đảm bảo độ sáng ổn định và tiết kiệm năng lượng.
Hình 2.20 Hệ thống chiếu sáng được cấp nguồn từ pin quang điện c Hệ thống pin quang điện ở những khu vực xa dân cư
Hệ thống pin quang điện là giải pháp hiệu quả để cung cấp nguồn điện cho các khu vực xa và hộ tiêu thụ nhỏ lẻ không tiếp cận được lưới điện quốc gia Các hệ thống này bao gồm các dải pin quang điện, bộ điều khiển sạc, bộ lưu trữ năng lượng và bộ inverter để đảm bảo cung cấp nguồn ổn định và liên tục.
Hình 2.21 Hệ thống pin quang điện cung cấp cho các khu vực vùng xa
Pin quang điện Inverter/Bộ điều khiển công suất
Pin quang điện Inverter/Bộ điều khiển công suất
Tủ điểu khiển phân phối điện
2.4.2 Pin quang điện hoạt động nối lưới
Hệ thống pin quang điện hoạt động nối lưới là công nghệ mới, lắp đặt để cung cấp điện cho các tòa nhà hoặc tải khác, đồng thời có thể xuất điện ngược về lưới khi nguồn năng lượng vượt quá nhu cầu Chúng được tích hợp vào cấu trúc đã có sẵn và ngày càng phổ biến nhờ tiềm năng lớn trong việc giảm chi phí điện năng Ứng dụng này phù hợp cho hộ gia đình, khu thương mại và khu công nghiệp, mang lại lợi ích về kinh tế và hiệu quả vận hành So với hệ thống pin quang điện độc lập, hệ thống nối lưới có chi phí thấp hơn do không cần bộ lưu trữ năng lượng riêng biệt.
Một vài ứng dụng của hệ thống pin quang điện hoạt động nối lưới bao gồm: a Hệ thống pin quang điện nối lưới không có bộ lưu trữ
Hệ thống pin quang điện nối lưới hoạt động song song và phối hợp với lưới điện lực, trong đó thành phần chính là bộ inverter hoặc PCU chuyển đổi điện DC thành AC phù hợp với yêu cầu chất lượng điện năng Giao diện hai chiều giữa mạch ra AC của hệ thống và lưới điện cho phép nguồn điện từ pin chạy trực tiếp hoặc cung cấp cho tải tại chỗ, đồng thời hệ thống tự động rã lưới khi mất điện để đảm bảo an toàn Hệ thống này còn tự điều chỉnh công suất, cung cấp điện khi tải lớn hơn hoặc nhận điện từ lưới khi cần, đồng thời đảm bảo không cấp điện ngược trở lại lưới điện khi lưới bị mất điện hoặc đang sửa chữa, đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn cần thiết.
Hệ thống pin quang điện không có bộ lưu trữ hoạt động chủ yếu dựa trên nguồn năng lượng từ ánh sáng mặt trời, phù hợp cho các ứng dụng nhỏ và quy mô hạn chế Trong khi đó, hệ thống pin quang điện nối lưới có bộ lưu trữ giúp dự phòng nguồn điện cho các tải quan trọng như hệ thống làm lạnh, máy bơm nước và chiếu sáng, đảm bảo hoạt động liên tục kể cả khi mất điện Hệ thống này vận hành theo kiểu truyền thống, cung cấp công suất trực tiếp cho tải tại chỗ hoặc gửi phần dư về lưới điện, đồng thời vẫn duy trì trạng thái sạc đầy cho bộ lưu trữ Khi lưới điện gặp sự cố mất điện, mạch điều khiển trong inverter tự động ngắt khỏi lưới và kích hoạt bộ inverter từ bộ lưu trữ để cung cấp điện cho các tải quan trọng Nhờ cấu hình này, các tải quan trọng sẽ được cung cấp năng lượng ổn định chủ yếu từ tủ tải phụ theo yêu cầu, đảm bảo hoạt động liên tục và an toàn.
Mỗi hệ thống có khả năng cung cấp công suất cho tải DC, đồng thời tích hợp bộ inverter để cung cấp điện cho tải AC Khác với các hệ thống nối lưới khác, hệ thống này yêu cầu phát ra tất cả công suất sẵn có tới tải, do đó việc xác định kích cỡ của hệ thống pin quang điện và hệ thống lưu trữ là rất quan trọng Các yếu tố như công suất phù hợp và yêu cầu phụ tải đóng vai trò quyết định trong việc đáp ứng nhu cầu của khách hàng một cách hiệu quả.
Hình 2.23 Hệ thống pin quang điện có bộ lưu trữ
Pin quang điện Bộ inverter Tủ phân phối
Tủ điện tải quan trọng
Tủ điện tải quan trọng Tải thông thường
Bộ biến đổi DC/DC
Bộ biến đổi DC/DC được sử dụng rộng rãi trong nguồn điện 1 chiều để chuyển đổi nguồn không ổn định thành nguồn điện DC có thể điều chỉnh, mang lại sự linh hoạt và ổn định cho các thiết bị điện tử Công dụng của bộ biến đổi này giúp điều chỉnh điện áp đầu ra phù hợp với yêu cầu của hệ thống, đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả cao Nhờ đó, nó đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng công nghiệp và tự động hóa, nâng cao hiệu suất và độ bền của thiết bị điện tử.
Trong hệ thống pin quang điện, bộ biến đổi DC/DC đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất hệ thống nhờ kết hợp chặt chẽ với bộ dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT) MPPT sử dụng bộ biến đổi DC/DC để điều chỉnh nguồn điện áp lấy từ pin quang điện, chuyển đổi và cung cấp điện áp phù hợp và lớn hơn để đáp ứng nhu cầu của tải Bộ biến đổi DC/DC trong hệ thống được chia thành hai loại chính là cách ly và không cách ly, giúp tối ưu hóa khả năng vận hành và hiệu suất cho hệ thống năng lượng mặt trời.
Bộ biến đổi DC/DC loại cách ly sử dụng máy biến áp cách ly điện tần số cao giúp đảm bảo an toàn và ổn định trong hệ thống nguồn điện một chiều Thiết bị có kích thước nhỏ gọn, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu tiết kiệm không gian Việc điều chỉnh hệ số biến áp cho phép tăng hoặc giảm điện áp đầu ra một cách linh hoạt phù hợp với nhu cầu sử dụng Công nghệ biến đổi tần số cao mang lại hiệu suất chuyển đổi năng lượng tối ưu, đáp ứng các tiêu chuẩn về chất lượng điện.
Bộ biến đổi DC/DC loại không cách ly không sử dụng máy biến áp cách ly
Bộ biến đổi DC/DC thường gồm các thành phần chính như khoá điện tử (K), cuộn cảm (L) để lưu trữ năng lượng, và diode dẫn dòng (D) Các bộ biến đổi DC/DC đóng vai trò quan trọng trong hệ thống pin quang điện nhờ khả năng chuyển đổi điện áp hiệu quả Chúng được sử dụng rộng rãi để tối ưu hóa hiệu suất và ổn định nguồn điện từ pin mặt trời, đáp ứng các yêu cầu của các hệ thống điện năng lượng sạch.
+ Bộ hỗn hợp tăng giảm (Boost – Buck)
Việc chọn bộ biến đổi DC/DC phù hợp cho hệ pin quang điện phụ thuộc vào yêu cầu về điện áp của ắc quy và tải tiêu thụ Lựa chọn đúng loại biến đổi đảm bảo tối ưu hóa hiệu suất hệ thống và đáp ứng các mục tiêu về công suất và ổn định điện áp Do đó, cần xác định rõ các đặc tính của pin và tải để chọn loại biến đổi phù hợp, nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống năng lượng mặt trời.
Mạch Buck có chức năng giảm điện áp đầu vào xuống mức thấp hơn để phù hợp với điện áp sạc của ắc quy Khóa K hoạt động bằng cách đóng và mở liên tục với tần số cao, nhằm điều chỉnh hiệu quả quá trình chuyển đổi năng lượng Hệ số làm việc D của khóa K được xác định theo công thức (2.8) dựa trên tần số và thời gian hoạt động của khóa Điều này giúp tối ưu hóa hiệu suất của mạch và đảm bảo cung cấp nguồn điện ổn định cho ắc quy.
Sơ đồ nguyên lý của bộ giảm áp Buck được biểu diễn như Hình 2.24 sau:
Hình 2.24 Sơ đồ nguyên lý bộ giảm áp Buck
Nguyên lý hoạt động của bộ giảm áp Buck được mô tả như sau:
- Trong thời gian mở, khóa K thông cho dòng đi qua, điện áp một chiều được nạp vào tụ C2 và cấp năng lượng cho tải qua cuộn kháng L
Trong thời gian khóa K hở mạch, dòng điện không còn qua mạch nữa, khiến năng lượng một chiều từ nguồn vào bằng 0 Tuy nhiên, tải vẫn nhận đủ điện năng nhờ vào lượng năng lượng lưu trữ trong cuộn cảm và tụ điện, được duy trì bởi diode khép kín mạch Điều này đảm bảo hoạt động liên tục của tải ngay cả khi khóa K mở, giúp duy trì hiệu quả cung cấp điện.
Như vậy, cuộn kháng và tụ điện có tác dụng lưu giữ năng lượng trong thời gian ngắn để duy trì mạch khi khóa K hở
Dạng sóng điện áp và dòng điện của bộ giảm áp Buck như Hình 2.25 sau:
Hình 2.25 trình bày dạng sóng điện áp và dòng điện của bộ giảm áp Buck trong điều kiện ổn định Khi hệ thống đạt trạng thái xác lập, sự cân bằng năng lượng trên cuộn kháng L được duy trì liên tục trong quá trình khóa mở và đóng của công tắc K Điều này đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả của bộ giảm áp Buck trong các ứng dụng điện năng.
Nên khi K đóng (Ton) thì:
Và khi K mở (Toff) thì: off
Nếu cuộn kháng đủ lớn thì dòng điện cảm ứng biến thiên ít và giá trị cực đại của dòng điện được xác định như sau:
Biểu thức (2.14) cho thấy điện áp ngõ ra có thể được điều khiển bằng cách điều chỉnh hệ số làm việc D thông qua mạch vòng hồi tiếp lấy giá trị dòng điện sạc ắc quy làm chuẩn Hệ số làm việc được điều chỉnh bằng phương pháp điều chỉnh độ rộng xung thời gian mở Ton, giúp kiểm soát hiệu quả công suất đầu ra Bộ biến đổi này còn được gọi là bộ điều chế xung PWM, nhờ vào khả năng điều chỉnh độ rộng xung để tối ưu hóa hoạt động của mạch.
Bộ tăng áp Boost có chức năng tăng điện áp Bộ này phù hợp với các ứng dụng có điện áp yêu cầu lớn hơn điện áp đầu vào
Sơ đồ nguyên lý của bộ tăng áp được biểu diễn như Hình 2.26 sau:
Hình 2.26 Sơ đồ nguyên lý bộ tăng áp Boost
Nguyên lý hoạt động của bộ tăng áp Boost được mô tả như sau:
Bộ biến đổi hoạt động dựa trên nguyên lý giống như bộ giảm áp Buck, sử dụng đặc tính lưu trữ và phóng năng lượng của cuộn dây để điều chỉnh điện áp hiệu quả Đây là công nghệ phổ biến trong các ứng dụng chuyển đổi điện năng nhờ khả năng kiểm soát dòng điện và điện áp tối ưu Nguyên lý này giúp tối ưu hóa hiệu suất, tiết kiệm năng lượng và đảm bảo ổn định nguồn điện.
- Khóa K đóng mở theo chu kỳ Khi khóa K đóng cho dòng qua (Ton) thì cuộn kháng sẽ tích năng lượng
- Khi khóa K mở (Toff) thì cuộn kháng giải phóng năng lượng qua Diode để đến tải dt
Mạch này tăng điện áp lên để đáp ứng điện áp ra
+ Khi khóa K đóng, cuộn cảm được nối với nguồn 1 chiều
+ Khi khóa K mở, dòng điện cảm ứng chạy vào tải qua Diode
Với hệ số làm việc D của khóa K, điện áp ngõ ra được xác định dựa vào biểu thức sau:
Phương pháp này cho phép điều chỉnh Tôn liên tục nhằm tối ưu hóa điện áp tại điểm công suất cực đại của V1 dựa trên điện áp của tải Điều này giúp duy trì hiệu quả vận hành và tối ưu hóa năng suất của hệ thống điện Việc điều chỉnh linh hoạt này đảm bảo ổn định nguồn cung cấp điện và tăng tuổi thọ thiết bị, phù hợp với các yêu cầu của hệ thống điện hiện đại.
Dạng sóng dòng điện của bộ biến đổi tăng áp Boost được biểu diễn như sau:
Hình 2.27 Dạng sóng dòng điện của bộ biến đổi tăng áp, Boost
2.5.3 Bộ hỗn hợp tăng giảm điện áp (Boost – Buck)
Từ biểu thức (2.17), do D < 1 nên điện áp ra luôn lớn hơn điện áp vào
Mạch Boost chỉ có khả năng tăng áp, trong khi mạch Buck được sử dụng để giảm điện áp đầu vào Khi kết hợp cả hai mạch Boost và Buck, chúng tạo thành mạch điều chỉnh điện áp linh hoạt, cho phép vừa tăng vừa giảm điện áp đầu ra theo nhu cầu của hệ thống Đây là giải pháp tối ưu để kiểm soát nguồn điện hiệu quả trong các thiết bị điện tử hiện đại.
Sơ đồ nguyên lý của bộ hỗn hợp tăng giảm điện áp được biểu diễn như Hình 2.28 sau:
Hình 2.28 Sơ đồ nguyên lý của bộ hỗn hợp tăng giảm điện áp Buck – Boost
Nguyên lý hoạt động của bộ hỗn hợp tăng giảm điện áp Buck - Boost được biểu diễn như sau:
- Khi khóa K đóng, điện áp ngõ vào đặt lên điện cảm, làm cho cường độ dòng điện trong điện cảm tăng dần theo thời gian
Khi khóa K được mở, điện cảm có xu hướng duy trì dòng điện qua nó và sinh ra điện áp cảm ứng đủ để diode phân cực thuận, giúp dòng điện vẫn duy trì nhẹ nhàng trong mạch Tùy thuộc vào tỷ lệ thời gian khóa K đóng hoặc mở, giá trị điện áp ra có thể nhỏ hơn, bằng hoặc lớn hơn điện áp vào, đảm bảo hoạt động phù hợp của mạch trong các điều kiện khác nhau.
Mối quan hệ giữa điện áp đầu vào, Vin và điện áp đầu ra, Vout phụ thuộc vào hệ số đóng cắt D theo biểu thức (2.17) như sau:
Thông thường, quá trình điều khiển đóng cắt được dựa vào phương pháp điều chế độ rộng xung PWM với chu kỳ đóng cắt như Hình 2.29 sau:
Hình 2.29 Chu kỳ đóng cắt
Từ biểu thức (2.17) và Hình 2.29 cho thấy rằng điện áp ra có thể lớn hơn hay nhỏ hơn điện áp vào tùy thuộc vào hệ số làm việc D
Nguyên tắc điều khiển điện áp ra của các bộ biến đổi dựa trên phương thức điều chỉnh tần số đóng mở của khóa K Việc lựa chọn bộ biến đổi phù hợp phụ thuộc vào nhu cầu và mục đích sử dụng của hệ thống Để đạt được điểm làm việc tối ưu cho hệ pin quang điện, cần sử dụng các thuật toán xác định điểm công suất cực đại, sẽ được trình bày trong các chương tiếp theo.
Điều khiển bộ biến đổi DC/DC
Các phương pháp được sử dụng để điều khiển bộ biến đổi DC/DC có thể bao gồm:
+ Điều khiển mạch vòng phản hồi điện áp;
+ Điều khiển phản hồi công suất;
+ Điều khiển mạch vòng phản hồi dòng điện
2.6.1 Điều khiển mạch vòng phản hồi điện áp
Bộ điều khiển Rv trong sơ đồ điều khiển mạch vòng phản hồi điện áp là bộ PI, giúp duy trì điểm làm việc tối ưu của hệ thống pin quang điện Điện áp ngõ ra tại cực của pin quang điện đóng vai trò như biến điều khiển, tự động điều chỉnh để hệ duy trì hoạt động tại điểm công suất cực đại Việc điều chỉnh điện áp của pin quang điện phù hợp với điện áp yêu cầu đảm bảo hiệu quả tối đa của hệ thống năng lượng mặt trời.
Bên cạnh những ưu điểm của sơ đồ điều khiển mạch vòng phản hồi điện áp, phương pháp này cũng có những nhược điểm như sau:
Bài viết nhấn mạnh rằng việc bỏ qua các ảnh hưởng của bức xạ mặt trời và nhiệt độ của pin quang điện có thể ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của hệ thống năng lượng Đồng thời, phương pháp này không được áp dụng rộng rãi cho các hệ thống lưu trữ năng lượng điện do các hạn chế liên quan đến điều kiện môi trường và độ tin cậy.
Phương pháp điều khiển này phù hợp nhất trong điều kiện bức xạ mặt trời ổn định như hệ thống vệ tinh, nhưng không thích hợp trong các môi trường biến đổi ánh sáng và nhiệt độ Do đó, nó không thể tự động xác định điểm làm việc tối ưu khi điều kiện môi trường thay đổi, hạn chế khả năng ứng dụng trong các điều kiện ánh sáng không ổn định.
Sơ đồ của phương pháp điều khiển mạch vòng phản hồi điện áp được biểu diễn như Hình 2.30 sau:
Hình 2.30 Sơ đồ điều khiển mạch vòng phản hồi điện áp
2.6.2 Điều khiển phản hồi công suất
Bộ điều khiển phản hồi công suất hoạt động dựa trên nguyên tắc tối ưu hóa công suất bằng cách đạo hàm dP/dV = 0, giúp điều chỉnh công suất tải một cách hiệu quả Nguyên lý hoạt động của hệ thống này là đo lường và khuếch đại công suất của tải để đảm bảo tối đa hóa hiệu suất hệ thống Một trong những ưu điểm nổi bật của phương pháp này là không cần quan tâm đến đặc tính làm việc của pin quang điện, giúp đơn giản hóa quá trình điều khiển Tuy nhiên, cần lưu ý rằng phương pháp này chủ yếu khuếch đại công suất của tải, chứ không phải công suất ngõ ra của pin quang điện, dẫn đến hiệu quả tối đa có thể bị giới hạn trong một số ứng dụng.
Mặc dù bộ biến đổi kết hợp với phương pháp MPPT có thể nâng cao hiệu suất hoạt động trên phạm vi rộng các điểm làm việc, nhưng đối với bộ biến đổi kém chất lượng, toàn bộ công suất không thể đến tải do tổn thất năng lượng.
- thất năng lượng Vì vậy, phương pháp này đòi hỏi một bộ biến đổi thật hoàn hảo
2.6.3 Điều khiển mạch vòng phản hồi dòng điện
Sơ đồ điều khiển mạch vòng phản hồi dòng điện được biểu diễn như Hình 2.31 sau:
Hình 2.31 Sơ đồ điều khiển mạch vòng phản hồi dòng điện
Trong sơ đồ điều khiển mạch vòng phản hồi dòng điện, Ri đóng vai trò là bộ PI giúp điều chỉnh dòng điện chính xác Phương pháp này chủ yếu áp dụng cho các thuật toán MPPT phù hợp với điều khiển dựa trên dòng điện, mang lại hiệu quả tối ưu trong việc cải thiện hiệu suất hệ thống quang điện.
Hệ nhiều pin quang điện
Một pin quang điện (cell) có điện áp làm việc rất nhỏ, khoảng từ 0,5 đến 0,6 V Để đạt được điện áp ngõ ra lớn hơn, cần ghép nối các pin quang điện theo kiểu mắc nối tiếp, còn để tăng cường cường độ dòng điện, phải mắc các pin song song Các pin quang điện ghép lại tạo thành một module pin quang điện, hay còn gọi là tấm pin quang điện.
Tấm pin quang điện được cấu thành từ nhiều pin quang điện, thường gồm 36 đến 72 pin mắc nối tiếp nhau để nâng cao hiệu suất Qua các tấm pin này, quang năng của mặt trời được chuyển đổi thành điện năng một cách hiệu quả Mặc dù mỗi tấm pin quang điện chỉ cung cấp một lượng nhỏ năng lượng, nhưng khi nhiều tấm ghép lại, chúng tạo thành nguồn điện đủ lớn để đáp ứng nhu cầu sử dụng điện hàng ngày.
Mỗi tấm pin quang điện có công suất và điện áp khác nhau, thường là 12 VDC Để đáp ứng yêu cầu về điện áp và công suất, người ta ghép nối tiếp hoặc song song nhiều tấm pin quang điện lại với nhau Khi các tấm pin được ghép nối, chúng tạo thành hệ nhiều pin quang điện, còn gọi là dàn pin quang điện, nhằm cung cấp nguồn năng lượng phù hợp với nhu cầu sử dụng.
Về cơ bản, có hai cách ghép các tấm pin quang điện:
- Ghép nối tiếp các tấm pin quang điện Theo hình thức ghép này, nguồn năng lượng điện sẽ có điện áp ngõ ra lớn hơn
- Ghép song song các tấm pin quang điện Theo hình thức ghép này, nguồn năng lượng điện sẽ có cường độ dòng điện ngõ ra lớn hơn
Các tấm pin quang điện ghép nối cùng loại sẽ có đặc tuyến V-I và V-P giống nhau, đảm bảo hiệu suất đồng bộ trong hệ thống Điện áp hở mạch (VOC) và dòng điện ngắn mạch (ISC) của các pin này cũng bằng nhau, giúp tối ưu hóa khả năng hoạt động của hệ thống năng lượng mặt trời Việc ghép các tấm pin đồng nhất không chỉ nâng cao hiệu quả chuyển đổi năng lượng mà còn đảm bảo tính ổn định và dễ dàng trong việc bảo trì và vận hành hệ thống quang điện.
2.7.1 Phương pháp ghép nối tiếp các tấm pin quang điện
Phương pháp ghép nối tiếp các tấm pin quang điện và đặc tuyến V-I của hệ các pin quang điện ghép nối tiếp được biểu diễn như Hình 2.32 sau:
Hình 2.32 Đặc tuyến V-I của hệ các pin quang điện được ghép nối tiếp
Các mô tả toán học cho trường hợp hệ các pin quang điện ghép nối tiếp được biểu diễn như sau:
I, V, P: lần lượt là dòng điện, điện áp và công suất của hệ các pin quang điện được ghép nối tiếp
Ii, Vi, Pi: lần lượt là dòng điện, điện áp và công suất của module thứ i trong hệ các pin quang điện được ghép nối tiếp
2.7.2 Phương pháp ghép song song các tấm pin quang điện
Phương pháp ghép song song các tấm pin quang điện và đặc tuyến V-I của hệ các pin quang điện ghép song song được biểu diễn như Hình 2.33 sau:
Hình 2.33 Đặc tuyến V-I của hệ các pin quang điện được ghép song song
Các mô tả toán học cho trường hợp hệ các pin quang điện ghép song song được biểu diễn như sau:
2.7.3 Phương pháp ghép hỗn hợp các tấm pin quang điện
Trong thực tế, phương pháp ghép hỗn hợp nối tiếp và song song được sử dụng để đáp ứng tốt các yêu cầu về cả điện áp và cường độ dòng điện của hệ pin quang hợp Phương pháp này kết hợp các đặc tuyến V-I của các pin để tối ưu hóa hiệu suất làm việc của hệ thống Biểu diễn đặc tuyến V-I của hệ các pin quang ghép hỗn hợp thể hiện rõ các ảnh hưởng của cách ghép đối với đặc tính điện của toàn bộ hệ Hình 2.34 minh họa rõ ràng cấu trúc và đặc điểm của hệ các pin quang hợp ghép hỗn hợp theo cả phương nối tiếp và song song.
Hình 2.34 Đặc tuyến V-I của hệ các pin quang điện được ghép hỗn hợp nối tiếp và song song
Điện áp và cường độ dòng điện của hệ pin quang điện phía dưới phụ thuộc vào cách kết nối các tấm pin mặt trời, cùng với các yếu tố ảnh hưởng như nhiệt độ và cường độ bức xạ Những yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất vận hành của hệ thống, do đó việc hiểu rõ cách ghép các tấm pin và điều chỉnh các điều kiện môi trường là rất quan trọng để tối ưu hóa sản lượng điện năng.
Để tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống pin quang điện, một trong những giải pháp quan trọng là đề xuất phương thức điều khiển và vận hành hiệu quả Các phương pháp này sẽ được trình bày chi tiết trong chương tiếp theo, giúp nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng mặt trời và tối đa hóa lợi ích kinh tế.