BỘ ĐIỀU KHIỂN SẠC PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Thiết kế bộ điều khiển sạc cho ắc quy 12V bằng pin mặt trời 25W, dùng nguyênn lý mạch Buck hạ áp. Đồ án tốt nghiệp đạt A+ bộ môn điều khiển tự động hoá đại học Bách Khoa Đà Nẵng bao gồm 1 file thuyết minh, các hình ảnh và đồ thị thu được, hình ảnh và video test mạch thực tế, các thiết kế mạch nguyên lý, code arduino và bản vẽ CAD.

TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Lịch sử phát triển của năng lượng mặt trời

Vào thế kỷ thứ 7 trước công nguyên, thời kỳ Ai Cập cổ đại, các ngôi nhà được xây dựng để tối ưu hóa việc thu thập năng lượng mặt trời ban ngày Nhờ thiết kế đặc biệt, ánh sáng mặt trời có thể được hấp thụ hiệu quả và sử dụng vào ban đêm, thể hiện sự tiên phong trong việc tiết kiệm năng lượng lâu dài của người Ai Cập.

Thế kỷ thứ 5 trước công nguyên người Hy Lạp định hướng nhà của họ để có thể nhận được năng lượng mặt trời vào mùa đông để sưởi ấm

Vào thế kỷ thứ 3 trước Công nguyên, nhà phát minh Archimedes đã sử dụng các tấm gương để hội tụ và phản chiếu ánh sáng mặt trời nhằm mục đích đốt cháy tàu chiến của người La Mã Sau này, phương pháp này trở thành biểu tượng cho sự sáng tạo và khả năng ứng dụng của công nghệ phản xạ ánh sáng trong lịch sử cổ đại Những phát minh của Archimedes không chỉ thể hiện trí tuệ vượt thời đại mà còn đặt nền móng cho các nghiên cứu về quang học và kỹ thuật phản xạ ánh sáng.

Năm 1767 tại Nga, M.V Lomonossov đề xuất sử dụng các thấu kính để tập trung bức xạ mặt trời, mở ra nhiều ứng dụng trong lĩnh vực quang học và năng lượng mặt trời Cùng năm đó, tại Thụy Sĩ, Horace de Sausure khám phá ra hiện tượng khuếch đại và tăng hiệu suất nhiệt trong các hộp kính năm nếp gấp loại Matjoshka, góp phần nâng cao hiệu quả cách nhiệt và các ứng dụng kỹ thuật liên quan.

Năm 1883, Charles Fritts đã tạo ra chiếc pin năng lượng đầu tiên bằng cách phủ một lớp vàng mỏng lên mạch bán dẫn selen để tạo mạch nối, mặc dù thiết bị chỉ đạt hiệu suất 1% Đến năm 1888, nhà vật lý người Nga Aleksandr Stoletov đã chế tạo tấm pin dựa trên hiệu ứng quang điện, một phát hiện của Heinrich Hertz từ năm 1887, mở ra bước tiến quan trọng trong công nghệ năng lượng mặt trời.

Tấm pin mặt trời, hay còn gọi là pin quang điện hoặc tế bào quang điện, đã được phát minh lần đầu vào khoảng năm 1950 Trong những thập kỷ 1960, các tấm pin này chủ yếu được sử dụng để cung cấp nguồn năng lượng cho các vệ tinh quay quanh Trái Đất, mở ra bước ngoặt quan trọng trong công nghệ năng lượng sạch và bền vững.

SVTH: Nguyễn Tiến Minh GVHD: TS Nguyễn Hoàng Mai 3

Trong những năm 1970, các cải tiến về sản xuất, thiết kế và chất lượng của pin mặt trời (PMT) đã giúp giảm giá thành sản phẩm Nhờ đó, cơ hội ứng dụng pin mặt trời trên mặt đất tăng lên, đặc biệt trong các lĩnh vực như sạc pin cho hệ thống định hướng, thiết bị viễn thông và các nhu cầu năng lượng tiêu thụ thấp.

Trong những năm 1980, PMT trở nên phổ biến cho các thiết bị điện tử bao gồm máy tính, đồng hồ, các ứng dụng sạc pin nhỏ

Trong suốt các thập kỷ tiếp theo, các ứng dụng cho hệ thống PMT ngày càng được mở rộng cả về chất lượng lẫn quy mô.

Đặt vấn đề

Năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt do dân số tăng vọt và phát triển kinh tế nhanh chóng, đặt ra yêu cầu cấp thiết về phương pháp mới trong cung ứng và sử dụng năng lượng Ước tính nguồn năng lượng tự nhiên hiện nay sẽ cạn kiệt trong tương lai gần, với dự báo dầu mỏ còn khoảng 60 năm, khí tự nhiên 80 năm và than khoảng 150-200 năm Do đó, việc tìm kiếm các nguồn năng lượng thay thế là cần thiết, đặc biệt là các nguồn năng lượng tái tạo có tác động tối thiểu đến môi trường như năng lượng gió, năng lượng sóng biển và năng lượng mặt trời Trong số đó, năng lượng mặt trời được xem là nguồn năng lượng sạch, phát triển bền vững và phổ biến nhất trên toàn cầu.

Hình 1 1: Ruộng PMT trên một cánh đồng

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch, thân thiện với môi trường và đây gần như là nguồn tài nguyên vô tận Ngày nay, bên cạnh các dự án khai thác điện mặt trời khổng lồ, con người còn chú trọng nghiên cứu và ưng dụng công nghệ để sử dụng dạng năng lượng này một cách hiệu quả nhất

Các tấm pin mặt trời (PMT) tạo ra nguồn điện một chiều, có thể lưu trữ để sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau hoặc nghịch lưu trực tiếp thành nguồn điện xoay chiều Đây là giải pháp năng lượng sạch, tiết kiệm và tiện lợi để cung cấp điện cho các thiết bị dân dụng trong gia đình.

Các hệ thống năng lượng mặt trời

1.4.1 Hệ thống điện năng lượng mặt trời độc lập

Hệ thống năng lượng mặt trời độc lập cung cấp nguồn cho các tải một chiều hoặc xoay chiều không phụ thuộc vào lưới điện, sử dụng trực tiếp năng lượng từ pin mặt trời Phương pháp này đơn giản nhất thường liên quan đến việc cấp nguồn trực tiếp từ pin mặt trời như mô tả trong hình 1.2 Hệ thống nối trực tiếp hoạt động hiệu quả khi trời nắng, phù hợp cho các ứng dụng như quạt thông gió, bơm nước và máy bơm tuần hoàn nhỏ cho hệ thống nước nóng.

Hệ thống PMT kết nối trực tiếp với tải, giúp truyền tín hiệu tối ưu Trong các ứng dụng rộng hơn, hệ thống này chuyển đổi ánh sáng thành điện năng, tạo ra dòng điện một chiều (DC) Dòng điện này sau đó được truyền tới bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời (Solar Charger Controller), một thiết bị điện tử tự động điều chỉnh quá trình nạp điện vào ắc quy và phóng điện ra các thiết bị DC, đảm bảo hiệu quả và an toàn cho hệ thống.

Hình 1 3: Hệ thống điện mặt trời độc lập

Khi công suất hệ thống pin mặt trời và dung lượng điện tích trữ trong ắc quy đủ lớn, hệ thống sẽ tích hợp bộ kích điện (Inverter) để chuyển đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều (AC) 220V, phù hợp để sử dụng cho hầu hết các thiết bị gia đình như đèn, quạt, máy tính và TV Ưu điểm của hệ thống này là khả năng cung cấp nguồn điện ổn định, tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu sự phụ thuộc vào nguồn điện lưới, giúp gia đình bạn hoạt động hiệu quả và bền bỉ hơn.

Chúng tôi không sử dụng bất kỳ nguồn nhiên liệu hóa thạch nào, thay vào đó tận dụng nguồn năng lượng miễn phí từ mặt trời Năng lượng mặt trời là giải pháp bền vững, giúp giảm thiểu phụ thuộc vào xăng dầu và than đá, đồng thời giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường Sử dụng năng lượng mặt trời không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn đảm bảo nguồn năng lượng ổn định và bảo vệ hành tinh của chúng ta.

− Năng lượng mặt trời là năng lượng sạch và tái tạo Không giống như than đá, xăng dầu, nó không gây ôi nhiễm môi trường xung quanh

− Hệ thống năng lượng mặt trời có tuổi thọ khá cao, công việc bảo trì- bão dưỡng đơn giản với chi phí thấp

− Chi phí đầu tư xây dựng và lắp đặt ban đầu khá lớn

Hiệu quả của hệ thống năng lượng mặt trời phụ thuộc vào cường độ chiếu sáng của mặt trời Để đạt hiệu suất tối ưu, tấm pin cần được đặt tại khu vực rộng rãi, có mức độ chiếu sáng cao và không bị che khuất hoặc ít bị che khuất bởi các vật thể khác Việc đảm bảo điều kiện ánh sáng lý tưởng giúp tối đa hóa năng lượng mà hệ thống có thể thu nhận và chuyển đổi thành điện năng hiệu quả.

− Không có khả năng giám sát tất cả các phụ tải thông qua các bộ đo

− Thi công đấu nối phức tạp phải làm hai hệ thống điện riêng cho gia đình

− Xuất hiện dư sẽ lưu trữ vào ắc quy hoặc bỏ phí

1.4.2 Hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới

Hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới là hệ thống điện hoạt động kết hợp giữa điện năng mặt trời và điện lưới quốc gia

Mô hình điện mặt trời được chia thành hai loại chính: hệ thống có lưu trữ và hệ thống không lưu trữ, phù hợp với nhiều nhu cầu sử dụng khác nhau Đây là giải pháp năng lượng sạch được ứng dụng rộng rãi trong gia đình, văn phòng, tòa nhà, nhà xưởng, trường học và bệnh viện Hệ thống này thường được lắp đặt trên mái nhà, còn được gọi là điện mặt trời áp mái, mang lại lợi ích tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu tác động đến môi trường.

Hệ thông PMT hòa lưới bao gồm: pin năng lượng mặt trời, bộ hòa lưới (Inverter), tủ bảo vệ & phân phối DC/AC Nguyên lý hoạt động như sau:

− Pin thu ánh sáng tạo ra điện 1 chiều DC

− Điện 1 chiều đi qua bộ hòa lưới (Inverter) thành điện xoay chiều (AC) cùng pha, cùng tần số với điện lưới

− Dòng xoay chiều đi đến tủ điện để cung cấp cho các thiết bị điện

− Khi sản lượng điện tạo ra nhiều hơn điện tiêu thụ, điện dư sẽ đưa lên hòa chung với lưới điện quốc gia

Hệ thống này không lưu trữ và không cần dùng ắc quy, giúp giảm chi phí và phức tạp Đối với hệ thống lưu trữ, cần bổ sung ắc quy dự trữ để lưu trữ điện, sau đó tự động chuyển sang chế độ hòa lưới Khi mất điện, hệ thống sẽ hoạt động độc lập như một hệ thống riêng biệt, đảm bảo cung cấp nguồn điện ổn định và liên tục cho thiết bị.

Hình 1 4: Hệ thống hòa lưới có dự trữ

SVTH: Nguyễn Tiến Minh GVHD: TS Nguyễn Hoàng Mai 7 Ưu điểm:

− Đơn giản , ít tốn kém cả đầu tư ban đầu và kiểm tra bảo dưỡng

− Độ bền cao, có thể lên đến 30 năm không cần thay thiết bị

− Có thể sử dụng cả khi không có ánh sáng mặt trời (ban đêm, ngày mưa, nhiều mây…)

− Thời gian hoàn vốn ngắn (khoảng 4-5 năm), sau đó dùng điện hoàn toàn miễn phí và có nguồn thu từ bán điện dư, mang lại lợi ích kinh tế

− Giảm tải cho điện lưới vào mùa khô hoặc giờ cao điểm ban ngày, bổ sung cho điện lưới quốc gia, hạn chế nguy cơ thiếu điện

− Chi phí lắp đặt ban đầu khá cao

Không sử dụng điện khi mất điện lưới quốc gia để đảm bảo an toàn cho nhân viên điện lực Trong trường hợp ắc quy dự trữ bị tràn, có thể sử dụng nguồn điện này để duy trì hệ thống độc lập Việc tuân thủ quy tắc an toàn khi sử dụng điện trong các tình huống mất nguồn lưới là rất quan trọng để tránh tai nạn và đảm bảo hoạt động liên tục của hệ thống.

Giải quyết vấn đề

Dưới sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Hoàng Mai, nhóm tôi đã chọn đề tài "Điều khiển bộ nguồn kỹ thuật số trong hệ thống lai nguồn mặt trời nối lưới" Đây là vấn đề cấp thiết trong lĩnh vực năng lượng tái tạo, giúp nâng cao hiệu suất và độ ổn định của hệ thống Nghiên cứu này tập trung vào việc áp dụng công nghệ điều khiển số để tối ưu hóa quá trình chuyển đổi năng lượng từ nguồn mặt trời vào lưới điện Chủ đề còn phù hợp với xu hướng phát triển bền vững, góp phần thúc đẩy việc ứng dụng năng lượng sạch trong mọi lĩnh vực.

Mục đích của dự án là góp phần bảo vệ môi trường và giảm thiểu ô nhiễm, đồng thời giải quyết nhu cầu sử dụng năng lượng cho các khu vực vùng sâu vùng xa Các giải pháp năng lượng phân tán như điện mặt trời và năng lượng tái tạo đang ngày càng được chú trọng để cung cấp điện hiệu quả cho những nơi không thể tiếp cận điện lưới quốc gia Việc mở rộng hệ thống điện mới tại các vùng khó khăn giúp nâng cao đời sống cộng đồng, thúc đẩy phát triển kinh tế địa phương bền vững Đây là những bước tiến quan trọng trong chiến lược năng lượng sạch, góp phần bảo vệ môi trường và thúc đẩy sự phát triển bền vững của đất nước.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Tổng quan pin năng lượng mặt trời

2.1.1 Sơ lược lịch sử phát triển

Vào năm 1939, nhà vật lí người Pháp Alexandre-Edmond Becquerel đã khám phá ra hiệu ứng quang điện khi còn rất trẻ, mới 19 tuổi, trong phòng thí nghiệm của cha mình Phát hiện này đánh dấu bước ngoặt quan trọng trong lĩnh vực vật lý quang học và đã mở ra nhiều ứng dụng trong công nghệ năng lượng mặt trời.

Russell Ohl được xem là người tạo ra pin năng lượng mặt trời đầu tiên năm 1946

Năm 1958, vệ tinh Vanguard I là vệ tinh đầu tiên sử dụng những tấm pin mặt trời để hoạt động trong không gian

Năm 1982 nhà máy điện mặt trời đầu có công suất 1MW được hoàn thành ở Mỹ

Ngày 29/8/2015, khởi công xây dựng nhà máy điện mặt trời đầu tiên ở Việt Nam có công suất 19,2MW

2.1.2 Định nghĩa, cấu tạo, phân loại và nguyên lí hoạt động

Pin năng lượng mặt trời là thiết bị bán dẫn quang học có chứa nhiều cảm biến ánh sáng dạng diode p-n trên bề mặt, nhằm chuyển đổi quang năng thành điện năng Quá trình này được gọi là hiệu ứng quang điện, đóng vai trò chính trong việc tạo ra lượng điện sạch và bền vững từ năng lượng mặt trời.

2.1.2.2 Cấu tạo và phân loại

Hình 2 1: Tiếp xúc p-n PMT có cấu tạo bao gồm các lớp: Lớp bán dẫn p-n, lớp tiếp xúc kim loại (điện cực), lớp chống phản xạ, lớp bảo vệ (Hình 2.1)

− Lớp bán dẫn p-n: là bán dẫn tinh thể Silic pha tạp chất nguyên tử nguyên tố khác như Photpho (bán dẫn loại n), Bo (bán dẫn loại p)

Điện cực là thiết bị giúp dẫn dòng điện ra phụ tải, đòi hỏi phải có trên mỗi mặt ghép p-n các điện cực phù hợp Vật liệu làm điện cực cần đảm bảo cả độ dẫn điện tốt và khả năng bám dính chặt vào chất bán dẫn để đảm bảo hiệu suất tối ưu Thợ kỹ thuật thường chế tạo điện cực gồm ba lớp chính: titan, palladi và bạc, nhằm nâng cao độ bền và khả năng dẫn điện của thiết bị điện tử.

Lớp chống phản xạ đóng vai trò quan trọng trong việc tăng hiệu suất của PMT bằng cách giảm thiểu ánh sáng phản xạ Để đạt được điều này, cần phủ một hoặc hai lớp SiO2 hoặc TiO2 bên ngoài của PMT nhằm chống phản xạ, giúp tối ưu hóa khả năng thu nhận ánh sáng và nâng cao độ nhạy của thiết bị.

Lớp bảo vệ là yếu tố quan trọng để tăng tuổi thọ của các tấm PMT, đặc biệt vì chúng phải làm việc ngoài trời Để đảm bảo sự chắc chắn và chống chịu thời tiết, mặt trên của các tấm PMT cần được phủ một lớp chất dẻo trong suốt Việc này giúp bảo vệ bề mặt khỏi tác động của môi trường và kéo dài tuổi thọ thiết bị.

Pin năng lượng mặt trời mono đơn tinh thể (Monocrystalline) được cắt từ các thỏi silic hình ống, mang lại hiệu suất cao và độ bền vượt trội Các tấm đơn tinh thể này có mặt trống ở góc nối các module, phù hợp với yêu cầu lắp đặt linh hoạt và tối ưu hoá không gian Quá trình sản xuất sử dụng công nghệ Czochralski để chế tạo silic đơn tinh thể, một nguyên liệu then chốt trong ngành công nghiệp bán dẫn Nhờ vào hiệu suất cao, pin mono thường có giá thành cao hơn so với các loại khác, nhưng mang lại khả năng chuyển đổi năng lượng hiệu quả hơn.

− Pin năng lượng mặt trời poly đa tinh thể (Polycrystalline): Loại Poly được làm từ các thỏi đúc – đúc từ silic nung chảy cẩn thận được làm nguội và làm rắn Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn

− Pin năng lượng mặt trời dạng phim mỏng: Là dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể Loại này thường có hiệu suất

SVTH: Nguyễn Tiến Minh GVHD: TS Nguyễn Hoàng Mai 10 thấp nhất Tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các loại vì không cần phải cắt từ thỏi silicon

Khi 2 lớp bán dẫn p và n tiếp xúc nhau, do sự chênh lệch về mật độ các hạt dẫn nên các điện tử sẽ khuếch tán từ bán dẫn n sang p, lỗ trống khuếch tán ngược lại từ bán dẫn p sang n Sự khuếch tán này làm cho phần bán dẫn n sát lớp tiếp xúc lúc này hình thành điện trường hướng từ bán dẫn n sang p

Khi chiếu sáng lớp tiếp xúc p-n, cặp điện tử-lỗ trống được tạo thành và bị tách ra dưới tác dụng của điện trường tiếp xúc, gây ra sự gia tốc về phía đối diện Quá trình này tạo thành một sức điện động quang điện, có thể được điều chỉnh bởi các yếu tố như bản chất của chất bán dẫn, nhiệt độ của lớp tiếp xúc, bước sóng và cường độ của ánh sáng tới.

2.1.3 Mô hình hóa đặc tính làm việc của pin NLMT

Pin mặt trời hoạt động dựa trên đặc tính phi tuyến của các đường I-V và P-V, thể hiện sự thay đổi không đều theo cường độ ánh sáng mặt trời và nhiệt độ hoạt động của tế bào quang điện Hiểu rõ các đặc tính này giúp tối ưu hóa hiệu quả chuyển đổi năng lượng mặt trời và nâng cao hiệu suất của hệ thống pin mặt trời trong điều kiện hoạt động thực tế Các yếu tố như cường độ ánh sáng và nhiệt độ ảnh hưởng trực tiếp đến công suất và hiệu suất của pin mặt trời, do đó, việc kiểm soát và điều chỉnh các yếu tố này là rất cần thiết để đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả của hệ thống năng lượng mặt trời.

Phương trình toán học chung mô tả đặc tính đầu ra I-V của một tế bào quang điện PV đã được nghiên cứu trong suốt bốn thập kỷ, giúp hiểu rõ hơn về hiệu suất và hoạt động của các tế bào quang điện Việc xây dựng mô hình tổng quát của tế bào quang điện là bước quan trọng để dự đoán và tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống năng lượng mặt trời Các công trình nghiên cứu liên tục cải thiện các mô hình này nhằm phản ánh chính xác hơn đặc tính điện của các tế bào PV trong điều kiện thực tế Nhờ đó, các nhà khoa học và kỹ sư có thể thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời hiệu quả hơn, phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau.

Hình 2 3: Mô hình tổng quát của tế bào quang điện

Phương trình điện áp - dòng điện của một tế bào quang điện pin mặt trời được tính bằng công thức (2.1):

IS : Dòng bão hòa q = 1.6 x 10 -19 C: điện tích nguyên tử k = 1.38 x 10 -23 J/K: hằng số Boltzmann

TC : nhiệt độ làm việc của tế bào quang điện

A : hằng số lý tưởng của vật liệu bán dẫn

RSH : điện trở song song (shunt)

RS : điện trở nối tiếp (series)

Dòng quang điện của Pin quang điện phụ thuộc vào bức xạ của mặt trời và nhiệt độ làm việc của tế bào quang điện, theo công thức (2.2)

𝐼 : Dòng ngắn mạch của pin quang điện tại 25 0 C và 1kW/m 2

𝑇 : Nhiệt độ ở điều kiện chuẩn của pin quang điện (25 0 C)

TPV : Nhiệt độ làm việc của pin quang điện ( 0 C)

Ki : Hệ số nhiệt độ dòng ngắn mạch của tế bào quang điện

𝜆 : Bức xạ mặt trời 1kW/m 2

Dòng điện bão hòa pin quang điện thay đổi theo nhiệt độ của tế bào quang điện, theo công thức (2.3) như sau:

IRS : Dòng điện chạy qua nội trở song song RSH

𝐸 : Năng lượng khoảng cách của chất bán dẫn của tế bào quang điện

𝑇 : Nhiệt độ ở điều kiện chuẩn của tế bào quang điện 0 C

A : Hằng số lý tưởng vật liệu PV thống kê ở bảng 1

Công Nghệ Hằng số Lý tưởng

Si-poly 1,3 a-si:H 1,8 a-si:H tandem 3,3 a-si:H triple 5

Dòng điện ra I của tế bào quang điện ít phụ thuộc vào sự thay đổi của điện trở shunt

RSH chủ yếu phụ thuộc vào biến đổi của điện trở nối tiếp RS, ảnh hưởng trực tiếp đến công suất ngõ ra của pin năng lượng mặt trời Việc điều chỉnh điện trở RS là yếu tố quan trọng trong mô hình tương thích của tế bào quang điện mặt trời, giúp tối ưu hiệu suất và hiệu quả hoạt động của hệ thống năng lượng mặt trời.

PV được thể hiện trong Hình 2.4

Hình 2 4: Mô hình tương thích của tế bào quang điện

Trong quá trình xây dựng mô hình pin mặt trời tổng quát sử dụng MATLAB/Simulink, dòng ngõ ra của tế bào quang điện được giả định với điện trở shunt RSH = ∞ Các giá trị của điện trở RS lần lượt được điều chỉnh thành RS = 0.001Ω, RS = 0.01Ω và RS = 0.1Ω để phân tích ảnh hưởng đến hiệu suất của pin mặt trời Phương trình điện áp - dòng điện của tế bào quang điện, ban đầu được thể hiện trong phương trình (2.1), được tái viết lại thành phương trình (2.4) để phù hợp với mô hình mô phỏng trong MATLAB/Simulink.

Một tế bào quang điện có công suất tối đa khoảng 2W và điện áp khoảng 0,5V Các mô-đun năng lượng mặt trời thương mại thường có công suất từ 2W đến 300W, phù hợp với nhiều nhu cầu khác nhau Để xây dựng hệ thống năng lượng mặt trời phù hợp, các tế bào quang điện được ghép song song để tăng dòng điện, trong khi các mô-đun PV được nối tiếp để nâng cao điện áp, giúp đáp ứng các yêu cầu về công suất và điện áp trong thực tế.

Hình 2 5: Mô hình mở rộng của pin năng lượng mặt trời Khi đó, phương trình toán học của mô hình có dạng như sau:

NP : các tế bào quang điện nối song song

NS : các mô đun quang điện ghép nối tiếp

2.1.4 Hiện tượng che khuất và cách khắc phục

TÍNH CHỌN LINH KIỆN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG

Tính chọn linh kiện

Board Arduino Nano là một trong những phiên bản phổ biến nhất của dòng board Arduino hiện nay, nổi bật với thiết kế nhỏ gọn nhưng vẫn tích hợp đầy đủ các chức năng và khả năng lập trình của một board Arduino chuẩn Với chip MCU Atmega328P dạng chân dán, Arduino Nano giúp tiết kiệm không gian lập trình và dễ dàng tích hợp vào các dự án nhỏ Điểm đặc biệt của Arduino Nano là có thêm 2 chân analog so với Arduino UNO, giúp mở rộng khả năng xử lý tín hiệu analog cho các dự án điện tử đa dạng.

Sơ đồ chân của Arduino nano:

Hình 3 2: Sơ đồ chân Aruino Nano

- Đầu mini-B USB (1): Arduino nano sử dụng cáp USB để giao tiếp với máy tính, thông qua cáp USB và phần mềm IDE Arduino

- Chân tín hiệu digital (2): Từ D2 đến D13

- Chân tín hiệu vào analog (3): từ A0 đến A7 Trong đó chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C thường được dùng để giao tiếp với LCD

- 5V; 3.3V: Chân cấp nguồn ra 5V và 3.3V cho các thiết bị khác

- RST: Chân khởi động lại (reset) arduino,

- Vin: Chân cấp nguồn nuôi cho Arduino

- GND: Ground – Chân nối mass

Vi điều khiển Atmega328 (họ 8 bit) Điện áp hoạt động (DC) 5V

Tần số hoạt động 16MHz

Dòng tiêu thụ 30mA Điện áp vào khuyên dùng (DC) 7V - 12V Điện áp vào giới hạn (DC) 6V - 12V

Số chân Analog 8 (độ phân giải 10 bit)

Dòng tối đa trên mỗi chân I/0 40mA

Dòng ra tối đa (5V) 500mA

Bộ nhớ flash 32 KB (Atmega328)

Một số thông số cơ bản của Arduino

Module giảm áp LM2596 là một mạch buck converter hiệu quả, giúp giảm điện áp đầu vào xuống mức phù hợp để cấp nguồn cho các thiết bị điện tử sử dụng điện áp một chiều Với khả năng điều chỉnh dòng điện lên đến 3A và hiệu suất chuyển đổi tối đa đạt 92%, module LM2596 đảm bảo hoạt động ổn định và tiết kiệm năng lượng Thiết kế nhỏ gọn với kích thước 14mm x 23mm, tích hợp đèn LED báo hiệu hoạt động, giúp dễ dàng kiểm tra trạng thái của mạch nguồn Đây là giải pháp lý tưởng cho các dự án cần giảm điện áp hiệu quả và đáng tin cậy.

- Biến trở thay đổi giá trị điện áp đầu ra của LM2596 (1)

- Đầu vào điện áp DC (3)

- Đầu ra điện áp DC (4)

Module nguồn không sử dụng cách ly Điện áp đầu vào 4V ~ 35V Điện áp đầu ra 1V~ 30V

3.1.3 Cảm biến dòng ACS712 Để đo dòng điện của tấm pin mặt trời, sử dụng cảm biến dòng điện ACS712 – 5A

Dòng điện qua cảm biến được chuyển đổi thành giá trị điện áp từ 2.5V đến 5V, tương ứng với dòng từ 0A đến 5A Giá trị điện áp này sau đó được truyền vào chân A1 của Arduino và chuyển đổi thành một giá trị số từ 0 đến 1023 để xử lý và đọc dữ liệu chính xác.

Giá trị dòng điện qua cảm biến được tính toán:

I = × × ( giá trị đọc được trên chân A1) -

Cảm biến dòng điện ACS712 là một IC cảm biến tuyến tính dựa trên hiệu ứng Hall, giúp đo dòng điện chính xác và ổn định Nó xuất ra tín hiệu analog Vout biến đổi tuyến tính theo sự thay đổi của dòng điện qua hệ thống, phù hợp để đo dòng điện DC hoặc AC trong nhiều ứng dụng điện tử Với khả năng lấy mẫu thứ cấp DC hoặc AC trong phạm vi cho phép, cảm biến ACS712 là lựa chọn phổ biến để giám sát dòng điện một cách chính xác và nhanh chóng.

Hình 3 4: Cảm biến dòng ACS712 – 5A

Có 3 loại cảm biến dòng ACS712 thông dụng hiện nay là: 5A, 20A, 30A

Thông số kĩ thuật ACS712

 Cách sử dụng cảm biến dòng ACS712:

− Khi đo điện áp DC:

Khi đo DC phải mắc tải nối tiếp Ip+ và Ip- đúng chiều, dòng điện đi từ Ip+ đến Ip- để

Vout ra mức điện thế 2.5 - 5V tương ứng dòng 0 - 5A, nếu mắc ngược Vout sẽ ra điện thế 2.5V đến 0V tương ứng với 0A đến -5A

Khi cấp nguồn 5V cho module mà chưa có dòng IP (tải mắc nối tiếp với domino), Vout sẽ là 2,5V Khi dòng IP tăng lên 5A, Vout sẽ đạt 5V và có đặc điểm tuyến tính với dòng IP, từ 2,5V đến 5V tương ứng với dòng 0 đến 5A Để kiểm tra chính xác, có thể sử dụng đồng hồ VOM đo dòng DC để xác định điện áp Vout.

− Khi đo điện áp AC:

Khi đo dòng điện AC, không cần quan tâm đến chiều do dòng điện xoay chiều không có hướng xác định Khi cấp nguồn 5V cho module mà chưa có dòng tải mắc nối tiếp, Vout sẽ là 2.5V Dòng AC thay đổi theo hàm sin, khiến Vout cũng biến đổi theo hình sin có độ lớn từ 0 đến 5V, tương ứng với dòng từ -5A đến 5A Để kiểm tra, sử dụng đồng hồ VOM đo dòng AC của Vout để xác định chính xác giá trị dòng điện.

Khi lựa chọn mosfet cần thỏa mãn các điều kiện sau:

 Đánh giá điện áp: Vds của mosfet phải lớn hơn 20% hoặc hơn điện áp định mức

 Đánh giá dòng điện: Id của mosfet phải lớn hơn 20% hoặc hơn dong định mức

 Điện trở Rds: Chọn mosfet có điện trở Rds thấp

 Tổn hao: Phụ thuộc vào Rds và chu kỳ làm việc, hạn chế tổn hao ở mức tối thiểu

Thời gian chuyển đổi 5 às Điện trở trong 1.2 mΩ

Nguồn điện sử dụng 5V Độ nhạy đầu ra 180 mA ~ 190 mA

Nhiệt độ hoạt động -40 o C ~ 85 o C Điện áp cách ly tối đa 2100V

 Mất chuyển mạch: Xảy ra trong giai đoạn chuyển tiếp, Nó phụ thuộc vào tần số chuyển đổi, điện áp, dòng điện,…

Pin NLMT có điện áp hở mạch (Voc) từ 21 đến 25V và dòng tải tối đa 5A, do đó, lựa chọn mosfet IRFZ44N là phù hợp vì nó có điện áp chịu đựng Vds và dòng Ids cao, cùng với điện trở Rds thấp giúp tối ưu hiệu suất điều khiển dòng điện trong hệ thống.

Mosfet IRFZ44N hoạt động dựa trên hiệu ứng từ trường để kiểm soát dòng điện, có trở kháng đầu vào cao phù hợp để khuếch đại tín hiệu yếu Không những thế, IRFZ44N còn lý tưởng cho các ứng dụng chuyển đổi năng lượng như DC-DC và DC-AC Linh kiện này thường được sử dụng trong các hệ thống UPS và inverter để đảm bảo chuyển đổi điện năng hiệu quả và ổn định.

Chân D ( Drain ), S ( Source ), G ( Gate) Điện áp đánh thủng 55V

Dòng điện chịu đựng trung bình 49A

3.1.5 Trình điều khiển mosfet IR2104

IR2104 là trình điều khiển MOSFET điện cao thế, tốc độ cao, có các kênh đầu ra tham chiếu phía cao và thấp độc lập, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu tốc độ cao và độ ổn định Công nghệ HVIC tiên tiến cùng chốt miễn dịch chốt giúp xây dựng nguyên khối chắc chắn, nâng cao độ bền và khả năng hoạt động tin cậy Đầu vào logic của IR2104 tương thích hoàn toàn với các tiêu chuẩn CMOS hoặc LSTTL, xuống mức logic 3,3V, phù hợp cho các hệ thống điều khiển hiện đại.

IR2104 là bộ khuếch đại công suất chịu đầu vào công suất thấp từ IC điều khiển, có khả năng tạo ra đầu vào dòng cao để điều khiển cổng của các công tắc điện như MOSFET Trình điều khiển cổng này bao gồm bộ dịch mức kết hợp với bộ khuếch đại, giúp tối ưu hóa hiệu suất và đảo chiều tín hiệu phù hợp cho các thiết bị công suất cao.

− Điện áp cao nhất: Voffset = 600V

− Dòng đỉnh: Iout+/- = 130 mA/ 270 mA

− Thời gian đóng mở khi chuyển xung: ton/off = 680 & 120 ns

 Các thông số ban đầu:

- Công suất tấm pin mặt trời: P = 25W

- Điện áp đầu ra tấm pin: Vmp = 18 V

- Tần số hoạt động của arduino: f = 31kHz

- Điện áp thấp nhất của ác quy: Vmin = 11V

- Dòng điện ra của tấm pin mặt trời:

- Tần số chuyển mạch: Fsw = 50 kHz

Cuộn cảm (L1) sử dụng lõi hình xuyến làm từ Ferrite, thường được ứng dụng trong các mạch điều chỉnh công tắc đóng mở Mosfet vận hành ở tần số cao Giá trị của cuộn cảm được tính toán chính xác dựa trên công thức chuyên dụng, đảm bảo hiệu suất tối ưu cho hệ thống Việc lựa chọn cuộn cảm phù hợp giúp kiểm soát dòng điện và giảm thiểu nhiễu, nâng cao độ ổn định của mạch điện.

L = ( ) × × = ( ) × ì ì ì ≈ 1.1 ì 10 (H) = 110 (àH) (3.5) Dòng điện cực đại qua cuộn cảm:

→ Chọn cuộn cảm cú điện cảm 110àH/3A

 Tụ điện ( C7): Điện áp gợn sóng: Vr = 20 mV = 0.02 V

Giá trị tụ điện được tính theo công thức:

→ Chọn tụ điện cú điện dung 100àF

Tính toán mạch đo điện áp đầu vào tấm pin mặt trời và điện áp ắc quy:

Arduino có thể đo điện áp một chiều trong phạm vi từ 0V đến 5V khi sử dụng nguồn tham chiếu chuẩn 5V, và phạm vi này có thể được mở rộng bằng cách sử dụng mạch phân áp Để đo điện áp của tấm pin mặt trời và ắc quy, có thể sử dụng mạch phân áp gồm hai điện trở như hình 3.7, giúp giảm điện áp đầu ra xuống mức phù hợp với chân đo của Arduino Việc sử dụng mạch phân áp không chỉ đảm bảo an toàn cho Arduino mà còn tăng độ chính xác trong quá trình đo lường điện áp.

Để đo giá trị điện áp của tấm pin mặt trời, ta đưa giá trị Vout vào chân analog A0, sau đó chuyển đổi thành giá trị trong khoảng 0 đến 1023, tương ứng với 0V đến 5V Giá trị này được nhân với hệ số hiệu chỉnh để tính toán chính xác điện áp thực tế của tấm pin Quá trình đo điện áp ắc quy cũng tương tự, sử dụng cùng phương pháp để đảm bảo độ chính xác cao trong đo lường.

Hình 3 7: Mạch đo điện áp pin mặt trời ( trái) và ắc quy ( phải).

Thiết kế bộ điều khiển

3.2 Thiết kế bộ mạch sạc

Trong chương này ta sẽ đi qua các bước lựa chọn thiết bị và tính toán thiết kế một hệ thống năng lượng mặt trời

Sơ đồ khối của hệ:

Hình 3 8: Sơ đồ khối hệ thống sạc pin năng lượng mặt trời

Các khối trong sơ đồ:

 Pin năng lượng mặt trời

Tấm pin năng lượng mặt trời hấp thụ quang năng chuyển hóa thành điện năng Các thông số cơ bản của tấm pin được lựa chọn:

- Điểm điện áp cực đại: Vmp = 18.1 V

- Điểm dòng điện cực đại: Imp = 1.51 A

- Điện áp hở mạch: Voc = 20.1 V

Bộ điều khiển sạc NLMT

Bộ điều khiển sạc là thiết bị quan trọng trong hệ thống pin năng lượng mặt trời, có chức năng điều chỉnh điện áp và dòng điện sạc phù hợp để bảo vệ ắc quy khỏi quá tải và xả quá sâu, từ đó nâng cao tuổi thọ của bình ắc quy Với màn hình LCD hiển thị các thông số của tấm pin và ắc quy trong quá trình sạc, giúp người dùng dễ dàng theo dõi, kiểm soát và tối ưu hóa hoạt động của hệ thống năng lượng mặt trời.

 Acquy: Là thiết bị lưu trữ điện để sử dụng vào ban đêm hoặc lúc trời ít nắng hoặc không còn ánh nắng

Vi điều khiển đóng vai trò là thiết bị trung tâm điều phối toàn bộ hoạt động của hệ thống, kiểm soát quá trình sạc ắc quy từ pin mặt trời Khi điện áp ắc quy giảm xuống dưới ngưỡng sử dụng, Arduino tự động kích hoạt mạch nạp để sạc điện từ pin mặt trời vào ắc quy, đảm bảo năng lượng luôn được duy trì Hệ thống tự động ngắt quá trình sạc khi điện áp ắc quy vượt trên 14V, giúp bảo vệ và kéo dài tuổi thọ cho pin ắc quy.

Hình 3 9: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển sạc

− Nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển sạc dựa trên nguyên lý mạch buck converter

Ban đầu, vi điều khiển liên tục đo các giá trị điện áp của ắc quy, cũng như điện áp và dòng điện của tấm pin mặt trời Các giá trị này sau đó được so sánh với các mức cực thấp và cực cao đã được thiết lập sẵn để xác định độ rộng xung PWM phù hợp Dựa trên đó, vi điều khiển gửi tín hiệu điều khiển đến IR2104 để điều khiển việc đóng mở của các mosfet Q2 và Q3, đảm bảo hiệu quả tối ưu cho hệ thống sạc pin mặt trời.

Mosfet Q1 được thêm vào để ngăn chặn dòng điện chảy ngược từ pin vào pin mặt trời vào ban đêm, giúp bảo vệ hệ thống Việc sử dụng Mosfet thay vì diode giúp giảm thiểu tổn thất điện áp, nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng của hệ thống quang điện Do đó, dùng Mosfet mang lại hiệu quả vượt trội hơn trong việc duy trì hiệu suất hoạt động của pin mặt trời trong điều kiện ban đêm.

IR2104 chịu trách nhiệm điều khiển việc đóng mở của các mosfet Q2 và Q3, trong đó cực cổng G của Q2 được liên kết với mức cao, còn cổng G của Q3 kết nối với mức thấp Quá trình này cho phép Q2 và Q3 hoạt động luân phiên, đóng mở theo chu kỳ xung của IR2104, đảm bảo hoạt động hiệu quả của mạch.

Khi Q2 mở, dòng điện từ tấm pin chạy qua Q2 và qua D1 đến hệ thống sạc điện của ắc quy, tạo điều kiện để năng lượng tích trữ trong cuộn cảm và tụ điện tăng dần Trong quá trình này, Q3 hoạt động như một diod bị phân cực ngược, giúp kiểm soát dòng điện và đảm bảo quá trình sạc an toàn và hiệu quả cho ắc quy.

Khi Q2 đóng, điện áp trên cuộn cảm đảo chiều và năng lượng từ trường trong cuộn cảm được giải phóng đến ắc quy Lúc này, MOSFET Q3 được phân cực thuận và nhận xung kích mở vào cổng G, khiến Q3 dẫn điện, đảm bảo hoạt động hiệu quả của mạch.

3.2.3 Thiết kế chương trình điều khiển sạc

Chương trình sẽ thiết lập chế độ sạc ON để Arduino đo các giá trị điện áp, dòng điện của PMT và điện áp acquy, từ đó tính toán công suất theo công thức đã xác định Các giá trị đo được sẽ được so sánh với dữ liệu của phần mềm PV để xác định khả năng sạc, nếu thỏa mãn các điều kiện, quá trình sạc sẽ được tiến hành Toàn bộ trạng thái hoạt động và kết quả đo đạc sẽ được hiển thị rõ ràng lên màn hình LCD giúp người dùng dễ theo dõi và kiểm soát hệ thống.

Hình 3 10: Lưu đồ thuật toán chương trình điều khin sạc

MÔ PHỎNG VÀ LẮP ĐẶT MÔ HÌNH THỰC TẾ

Mô phỏng các thành phần trong hệ thống bằng Matlab/Simulink 43 1 Mô phỏng tấm pin năng lượng mặt trời

4.1.1 Mô phỏng tấm pin năng lượng mặt trời

Nhà sản xuất phần mềm Matlab/Simulink đã tích hợp sẵn khối PV Array trong thư viện Simscape, giúp dễ dàng mô phỏng và khảo sát các đặc tính của tấm pin năng lượng mặt trời Do đó, nhóm chúng tôi sẽ trực tiếp sử dụng khối PV Array để thực hiện mô phỏng trong bài viết này, đảm bảo tính chính xác và thuận tiện trong phân tích.

Hình 4 1: Khối mô phỏng tấm pin năng lượng mặt trời trong simulink

Trong khối PV Array của phần mềm xây dựng sẵn, người dùng có thể tận dụng các module pin năng lượng mặt trời đã được nhà sản xuất tích hợp đầy đủ thông số, giúp tiết kiệm thời gian và công sức Ngoài ra, phần mềm còn cho phép người dùng tự mô phỏng các tấm pin khác bằng cách nhập đầy đủ các thông số của từng loại pin để phân tích và so sánh Để đánh giá đặc tính của tấm pin mặt trời, công cụ xây dựng đồ thị đặc tính do khối mô phỏng cung cấp giúp trực quan hóa hiệu suất và hoạt động của các tấm pin một cách dễ dàng.

Hình 4 2: Bảng thiết lập số lượng tấm pin và mô phỏng đặc tính

Tại đây, chúng ta có thể tiến hành xây dựng đồ thị với những điều kiện như:

 Đặc tính của một tấm pin tại điệu kiện nhiệt độ 25 0 C và bức xạ mặt trời thay đổi

 Đặc tính của hệ thống pin tại điệu kiện nhiệt độ thay đổi và bức xạ mặt trời đạt tối đa 1000W/m 2-

 Đặc tính của hệ thống pin khi nhiệt độ và bức xạ mặt trời thay đổi Các thông số tấm pin mô phỏng được cài đặt như sau:

- Điện áp hở mạch (Voc) : 20.1 (V)

- Dòng điện ngắn mạch (Isc) : 1.51 (A)

- Điện áp tại điểm cực đại (Vmpp) : 18 (V)

Dòng điện tại điểm cực đại (Impp) của pin mặt trời đạt 1.38A khi mô phỏng đặc tính của tấm pin ở điều kiện chuẩn nhiệt độ 25°C và bức xạ mặt trời 1000W/m² Kết quả này giúp xác định hiệu suất tối đa của hệ thống năng lượng mặt trời trong điều kiện lý tưởng, đảm bảo tối ưu hóa sản lượng điện năng.

Dựa vào đồ thị, công suất tối đa theo công bố của nhà sản xuất là 24,8W, đạt tại điểm cực đại với điện áp 18V và dòng điện 1.5A Công suất của tấm pin phụ thuộc vào điện áp hoạt động, và càng xa khỏi điểm cực đại thì công suất sẽ giảm signifantly.

Hình 4 3: Đặc tính V-I và P-V của tấm pin tại điều kiện 25 0 C và 1000W/m 2

Nghiên cứu đánh giá tác động của bức xạ mặt trời lên hiệu suất của tấm pin, với điều kiện nhiệt độ cố định ở 25°C Các mô phỏng được thực hiện dựa trên các cường độ bức xạ mặt trời lần lượt là 1000W/m², 800W/m², 600W/m², 400W/m² và 200W/m² Kết quả cho thấy, hiệu suất của tấm pin giảm dần tương ứng với sự giảm của cường độ bức xạ mặt trời, phản ánh tầm quan trọng của bức xạ mặt trời trong quá trình tạo năng lượng.

Từ đồ thị trên, có thể thấy tấm pin mặt trời có tính chất tuyến tính, với dòng điện, điện áp và công suất ngõ ra phụ thuộc trực tiếp vào mức độ bức xạ của mặt trời tác động lên module năng lượng mặt trời Điều này cho thấy hiệu suất của pin mặt trời biến đổi theo điều kiện ánh sáng môi trường Hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng này giúp tối ưu hóa hoạt động của hệ thống năng lượng mặt trời và nâng cao hiệu quả sản xuất điện.

Khi nhiệt độ môi trường không đổi nhưng cường độ bức xạ mặt trời giảm, điện áp hở mạch Voc giảm nhẹ, còn dòng điện ngắn mạch Isc giảm nhanh chóng, dẫn đến công suất ngõ ra của module giảm Điều này chứng tỏ rằng bức xạ mặt trời có ảnh hưởng trực tiếp đến năng lượng điện mà module PV phát ra, nhấn mạnh vai trò quan trọng của cường độ bức xạ trong hiệu suất hoạt động của hệ thống năng lượng mặt trời.

Trong quá trình nghiên cứu, chúng tôi giữ nguyên cường độ bức xạ mặt trời 1000W/m² và thay đổi nhiệt độ môi trường từ 0°C đến 100°C Kết quả cho thấy, nhiệt độ môi trường có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của tấm pin năng lượng mặt trời, khiến hệ thống hoạt động không ổn định khi nhiệt độ tăng cao Nghiên cứu này giúp hiểu rõ hơn về tác động của nhiệt độ đến khả năng chuyển đổi năng lượng của pin mặt trời trong các điều kiện môi trường khác nhau.

Hình 4 4: Đặc tính V-I và P-V của tấm pin tại điều kiện 25 0 C và thay đổi bức xạ mặt trời

Hình 4 5: Đặc tính V-I và P-V của tấm pin tại điều kiện 1000W/m 2 và thay đổi nhiệt độ

Nhiệt độ ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của module pin mặt trời, trong đó điện áp hở mạch Voc giảm mạnh khi nhiệt độ tăng lên, làm thay đổi công suất đầu ra của module Trong khi dòng ngắn mạch Isc giảm nhẹ, sự biến đổi này không đáng kể so với sự thay đổi của Voc Do đó, nhiệt độ là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống năng lượng mặt trời, tác động trực tiếp đến công suất ngõ ra của các module pin mặt trời.

Công suất của tấm pin luôn biến đổi liên tục do yếu tố môi trường như bức xạ mặt trời và nhiệt độ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất hoạt động Công suất tấm pin tỷ lệ thuận với bức xạ mặt trời và tỷ lệ nghịch với nhiệt độ môi trường, dẫn đến sự thay đổi điểm làm việc cực đại của tấm pin Để tối đa hóa hiệu suất, cần sử dụng bộ điều khiển tự động dò tìm điểm cực đại (MPPT), giúp khai thác tối đa năng lượng từ tấm pin Ngoài ra, các yếu tố như điện trở của tải khi đấu nối trực tiếp và các ảnh hưởng khác cũng tác động đến công suất thu được, nhưng nhiệt độ hoạt động và bức xạ mặt trời là hai yếu tố ảnh hưởng lớn nhất.

4.1.2 Mô phỏng bộ điều khiển sạc sử dụng bộ điều khiển PI và thuật toán MPPT P&O

Hình 4 6: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển sạc pin NLMT

Các khối trong mạch mô phỏng bằng Matlab/Simulink

Tạo môi trường trong hệ thống chuyên sử dụng điệm Simscape để đảm bảo mô phỏng hoạt động theo ý muốn

Chọn tín hiệu rời rạc với thời gian lấy mẫu là e-6 (s)

4.1.2.2 Khối chuyển đổi DC-DC Buck converter

Bộ chuyển đổi Buck DC-DC được cấu thành từ những thành chính là: L, C1, C2, R,

Thông số các thành phần được xác định cụ thể như sau:

Hình 4 8: Khối chuyển đổi Buck DC-DC

 Diode với các thông số:

Pin là loại pin axit chì với các thông số từ nhà sản xuất như sau:

 Trạng thái sạc ban đầu: 45%

 Thời gian đáp ứng của pin: 30s

Khối MATLAB Function được thiết lập dựa trên thuật toán P&O dò tìm điểm công suất cực đại

Thuật toán P&O xác định chu kỳ làm việc D dựa trên các thông số V, I, P được đo và tính toán từ đầu vào, giúp tối ưu hiệu suất hệ thống Quá trình đo và so sánh các giá trị trước và sau bước điều chỉnh ∆D diễn ra liên tục để xác định điểm làm việc tối ưu Hệ sẽ tiếp tục điều chỉnh cho đến khi đạt được trạng thái cân bằng D = Dold, đảm bảo hoạt động ổn định quanh điểm MPP (Maximum Power Point) Thuật toán này linh hoạt và chính xác trong việc giữ hệ vận hành tại điểm công suất tối đa, nâng cao hiệu suất năng lượng.

4.1.2.5 Các giá trị vào, ra lần lượt của U, I, P

 Quan sát giá trị vào, ra của điện áp (U)

SVTH: Nguyễn Tiến Minh GVHD: TS Nguyễn Hoàng Mai 50 Đưa 2 giá trị Vin, Vout vào scope để tiến hành quan sat và so sánh trong 2 chu kỳ

Ta được mang hình scope như dưới đây:

Vin đạt giá trị đỉnh 21V và giảm dần, quá trình tăng giảm xảy ra không tức thời và điều đặn

Vout gia tăng tức thời và nhanh chóng đạt được giá trị ổn định vào khoảng 13V

 Quan sát giá trị vào, ra của dòng điện (I)

Hình 4 11: Đồ thị đường đặc tính Vin, Vout

Tương tự ta tiếp tục đưa giá trị Iin, Iout vào cùng scope để tiến hành quan sát và đánh giá giá trị dòng điện trong hai chu kỳ

Trong quá trình thiết lập các thông số ban đầu cho hệ thống, đã gặp phải một lỗi chưa được khắc phục khiến dòng hiển thị trái dấu nhau Tuy nhiên, có thể quan sát thấy dòng vào ra dao động quanh giá trị |1.48| (A), cho thấy hệ vẫn hoạt động ổn định dù gặp sự cố kỹ thuật Việc này giúp chúng ta nhận biết rõ hơn về trạng thái của hệ thống và điều chỉnh phù hợp để cải thiện hiệu suất hoạt động.

 Quan sát giá trị vào, ra của công suất (P)

Hình 4 12: Đồ thị đường đặc tính Iin, Iout

Hình 4 13: Đồ thị đường đặc tính Pin, Pout

Tiếp tục đưa giá trị Pin, Pout vào cùng scope để tiến hành quan sát và đánh giá giá trị dòng điện trong hai chu kỳ

Trong quá trình đo dòng ra của hệ thống, lỗi xảy ra khiến giá trị P = U × I sai lệch, gây ra hiện tượng pin và pout có dấu đối lập So sánh giá trị tuyệt đối của công suất pout với pin cho thấy có mức tổn thất nhỏ khoảng 1,1%, phản ánh hiệu quả truyền tải năng lượng gần như tối ưu.

Lắp đặt

4.2.1.1 Mạch PCB bộ điều khiển sạc

Hình 4 14: Mạch PCB bộ điều khiển sạc

Hình 4 15: Mặt trên của mạch 4.2.1.2 Mạch điều khiển

Hình 4 16: Mô hình mạch điều khiển sạc pin năng lượng mặt trời

Hình 4 17: Hộp đựng mạch điều khiển sạc pin năng lượng mặt trời 4.2.1.4 Dàn pin mặt trời

Hình 4 18: Dàn pin mặt trời

Hình 4 20: Quan sát trên LCD Đánh giá:

Hệ thống hoạt động đúng như chương trình đã thiết lập, mặc dù PWM thay đổi để tối đa hóa điểm công suất, nhưng giá trị Vmp vẫn chưa ổn định, gây ảnh hưởng đến hiệu suất tổng thể Một hạn chế quan trọng của hệ là cảm biến dòng chưa đo đúng giá trị thực, dẫn đến thông tin công suất của pin không chính xác, làm giảm độ tin cậy của quá trình vận hành và tối ưu hóa năng lượng.

Hình 4 19: Kết quả nhận được từ monitor Arduino IDE

Tiêu đề	Điều Khiển Nguồn Một Chiều Kỹ Thuật Số Trong Hệ Thống Lái Nguồn Mặt Trời Nối Lưới
Tác giả	Nguyễn Tiến Minh
Người hướng dẫn	TS. Nguyễn Hoàng Mai, KS. Phan Huỳnh Uuyên Trinh
Trường học	Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng
Chuyên ngành	Kỹ Thuật Điều Khiển & Tự Động Hóa
Thể loại	báo cáo đồ án tốt nghiệp
Năm xuất bản	2022
Thành phố	Đà Nẵng

Định dạng
Số trang	84
Dung lượng	4,34 MB