Tóm tắt
Giao thông vận tải hiện chiếm khoảng 1/5 lượng khí thải CO2 toàn cầu, chủ yếu do việc đốt nhiên liệu hóa thạch cho ô tô và xe tải, với hiệu suất động cơ đốt trong chỉ từ 20% đến 35% Một phương tiện chở khách thông thường thải ra khoảng 4,6 tấn CO2 mỗi năm Việc chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng qua các tấm pin mặt trời quang điện không chỉ giúp hạn chế ô nhiễm mà còn mang lại nhiều lợi ích cho con người Điện năng lượng mặt trời đang được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như giao thông, xây dựng và nuôi trồng thủy sản, góp phần tiết kiệm điện quốc gia và giảm khí thải CO2, bảo vệ môi trường tự nhiên.
Xe ô tô sử dụng năng lượng sạch đang trở thành xu hướng toàn cầu, trong đó năng lượng mặt trời đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện cho hệ thống sạc Năng lượng tái tạo từ các tấm pin mặt trời được chuyển đổi thành điện năng và nạp vào ắc quy Nghiên cứu này đánh giá khả năng sạc của tấm pin mặt trời cho hệ thống sạc trên xe ô tô.
Lý do chọn đề tài
Hiện nay, nhu cầu về nguồn năng lượng sạch cho các ngành kỹ thuật đang trở thành một vấn đề cấp bách, khi mà phần lớn thế giới vẫn phụ thuộc vào năng lượng hóa thạch, gây ra nhiều tác hại cho môi trường Năng lượng mặt trời, một dạng năng lượng tái tạo, được xem là giải pháp khả thi nhờ vào tính sẵn có, hiệu quả chi phí và tính thân thiện với môi trường.
Trong bối cảnh dịch COVID-19, nhiều phương tiện không được sử dụng trong thời gian dài, dẫn đến tình trạng ắc quy bị hết bình và hư hỏng do sunfat hóa Việc lắp đặt tấm pin năng lượng mặt trời trên xe giúp ắc quy luôn được sạc đầy, ngăn chặn hiện tượng sunfat hóa và kéo dài tuổi thọ của ắc quy Đồng thời, nhu cầu sử dụng các phụ tải ngoài như kèn, đèn ngày càng tăng, khiến ắc quy nhanh hết bình hơn Do đó, việc trang bị tấm pin năng lượng mặt trời không chỉ hỗ trợ sạc cho ắc quy mà còn giúp bảo vệ và nâng cao hiệu suất của hệ thống điện trên xe.
Việc chạy xe vào ban ngày có thêm solar panel giúp cho máy phát giảm dòng phát giúp tiết kiệm nhiên liệu cho xe
Ngoài ra, khi đi du lịch ở những nơi vắng vẻ, vùng núi sâu xa thì việc thiếu nguồn
Nhóm nghiên cứu đã quyết định chọn đề tài “Chuyên đề ứng dụng solar panel vào hệ thống sạc trên ô tô” nhằm mục đích nghiên cứu, với lý do rõ ràng và hợp lý.
Mục tiêu của đề tài
- Thống kê các kết quả nghiên cứu trước đó, nêu lên tính cấp thiết của đề tài
- Đo đạc dòng và mức điện áp của ắc-quy khi được sạc bằng tấm pin mặt trời
- Dựa trên số liệu đo được để đánh giá
- Đưa ra cải tiến phù hợp, hoàn chỉnh nghiên cứu báo cáo
- Phát triển kỹ năng tìm hiểu và trình bày thông tin.
Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp điều tra khảo sát và thu thập số liệu về nguồn bức xạ năng lượng mặt trời
- Phương pháp nghiên cứu tài liệu lý thuyết qua các diễn đàn ô tô, tài liệu sách báo, tài liệu đào tạo về pin solar panel và hệ thống sạc
- Tiến hành đo kiểm pin solar panel
- Xem xét các kết quả thu được và đưa ra nhận xét.
Nhiệm vụ nghiên cứu
- Nắm rõ tổng quan về lịch sử phát triển của pin năng lượng mặt trời
- Nắm rõ tổng quan về cấu tạo, nguyên lý và chức năng của pin năng lượng mặt trời và hệ thống sạc trên ô tô
- Nghiên cứu các công nghệ để sạc cho accu
Giới hạn của đề tài
Chỉ thực hiện đánh giá độ hiệu quả sạc của tấm pin mặt trời nạp cho accu khi xe đang đỗ và khi nổ máy.
PIN MẶT TRỜI
Lịch sử phát triển của Solar Panels
Tấm pin năng lượng mặt trời được phát minh lần đầu tiên vào năm 1883 bởi Charle Fritts với hiệu suất chỉ 1% Trước đó, nhà vật lý Alexandre Edmond Becquerel đã khám phá ra hiệu ứng quang điện vào năm 1839, nhận thấy rằng năng lượng mặt trời có thể tạo ra điện Trong thập niên 1880, các tế bào quang điện selen được phát triển với hiệu suất 1-2%, tuy nhiên, hiệu quả chuyển đổi ánh sáng thành điện vẫn chưa được chứng minh rõ ràng Do đó, năng lượng quang điện chỉ được coi là một sự tò mò trong nhiều năm Mọi thứ đã thay đổi khi Albert Einstein đề xuất lời giải thích cho "hiệu ứng quang điện" vào đầu thế kỷ 20 và sau đó giành giải Nobel cho nghiên cứu của mình.
Vào cuối những năm 1950 và 1960, NASA đã đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của công nghệ quang điện, nhờ vào tính năng chắc chắn, nhẹ và khả năng cung cấp năng lượng ổn định cho vệ tinh Năm 1982, nhà máy điện mặt trời đầu tiên với công suất 1MW được hoàn thành tại Mỹ, và đến năm 1983, sản lượng pin mặt trời toàn cầu đã vượt 20 MW với doanh thu đạt 250 triệu USD Đến năm 1997, Sanyo bắt đầu sản xuất hàng loạt pin mặt trời hiệu suất cao, và đến năm 1999, tổng công suất lắp đặt pin mặt trời toàn cầu đạt 1GW Năm 2002, hội nghị Solar Silicon đầu tiên được tổ chức tại Munich, Đức để giải quyết cuộc khủng hoảng nguyên tố Si Đến năm 2006, Wacker đã mở rộng sản xuất pin năng lượng mặt trời poly-Si tại Burghausen, Đức, với công suất lên tới 16.000 tấn/năm, trở thành công ty lớn thứ hai trong lĩnh vực này Đến năm 2010, tổng công suất pin mặt trời trên toàn thế giới ước tính đạt 37,4GW, trong đó Đức dẫn đầu với 7,6GW.
Khảo sát năng lượng bức xạ trung bình ở việt nam và tổng quan tình hình
1.2.1 Khảo sát năng lượng bức xạ mặt trời trung bình ở Việt Nam
Bức xạ mặt trời là nguồn tài nguyên quan trọng tại Việt Nam, với tổng bức xạ năng lượng trung bình khoảng 5 kW/h/m2/ngày ở miền Trung và miền Nam, và khoảng 4 kW/h/m2/ngày ở miền Bắc Từ vĩ tuyến 17 trở vào, bức xạ mặt trời không chỉ dồi dào mà còn ổn định trong suốt cả năm, chỉ giảm khoảng 20% từ mùa khô sang mùa mưa Số giờ nắng hàng năm ở miền Bắc dao động từ 1.500 - 1.700 giờ, trong khi miền Trung và miền Nam có từ 2.000 - 2.600 giờ nắng.
Các tỉnh phía Bắc Việt Nam (từ Thừa Thiên - Huế trở ra) có trung bình khoảng 1.800 - 2.100 giờ nắng mỗi năm, với Tây Bắc và Bắc Trung bộ là những khu vực nắng nhiều nhất Trong khi đó, các tỉnh phía Nam (từ Đà Nẵng trở vào) có trung bình từ 2.000 - 2.600 giờ nắng, với lượng bức xạ mặt trời cao hơn 20% so với phía Bắc Mặt trời chiếu sáng gần như quanh năm tại khu vực này, kể cả trong mùa mưa, tạo ra nguồn tài nguyên bức xạ mặt trời phong phú cho Nam Trung bộ và Nam bộ Cường độ bức xạ mặt trời trung bình hàng ngày ở phía Bắc là 3,69 kWh/m2 và phía Nam là 5,9 kWh/m2, với sự chênh lệch đáng kể giữa các địa phương do ảnh hưởng của lượng mây và tầng khí quyển.
Bảng 1: Số liệu về bức xạ mặt trời tại VN
Vùng Giờ nắng trong năm Cường độ
BXMT (kWh/m2, ngày) Ứng dụng Đông Bắc 1600 – 1750 3,3 – 4,1 Trung bình
Trung bình cả nước 1700 – 2500 4,6 Tốt
Việt Nam sở hữu tiềm năng bức xạ mặt trời rất tốt, đặc biệt là ở khu vực phía Nam, trong khi khu vực phía Bắc nhận được lượng bức xạ mặt trời thấp hơn.
1.2.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước
Trong bối cảnh nguồn nhiên liệu xăng, dầu ngày càng cạn kiệt, nghiên cứu ô tô điện đang trở thành xu hướng toàn cầu, nhưng tại Việt Nam, vấn đề này vẫn chưa được quan tâm đúng mức từ các nhà khoa học, doanh nghiệp và chính sách Gần đây, một số sản phẩm thử nghiệm đã được phát triển, trong đó nổi bật là xe chạy bằng năng lượng mặt trời do thầy Đoàn Tất Linh và hai sinh viên trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật chế tạo Xe được trang bị 4 tấm pin quang điện công suất 110W, có khả năng sạc đầy trong 6 giờ dưới ánh nắng, cho phép di chuyển hơn 30km với mỗi lần sạc, và quãng đường có thể tăng lên khi chạy dưới trời nắng Tốc độ trung bình của xe đạt khoảng 20km/h, và trong điều kiện lý tưởng, xe có thể đạt tối đa 40km/h, đồng thời có thể chở tối đa 8 người.
Mô hình xe điện sử dụng năng lượng mặt trời được chế tạo bởi Thạc sĩ Đoàn Tất Linh cùng nhóm sinh viên Trường Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM.
Sản phẩm từ nghiên cứu khoa học của sinh viên và giảng viên tại một số trường đại học đã đem lại những thành tựu đáng kể Năm 2005, nhóm sinh viên K29 khoa Cơ khí trường Đại học Cần Thơ đã chế tạo thành công một xe điện sử dụng ắc quy năng lượng mặt trời, với tải trọng 120kg và tốc độ đạt 25km/h Xe được trang bị 2 động cơ một chiều 250W, hoạt động nhờ vào nguồn năng lượng từ 2 ắc quy kết nối với tấm pin mặt trời.
Năm 2008, ông Trần Văn Tâm tại Củ Chi, TP Hồ Chí Minh đã chế tạo xe điện 3 bánh với sức chứa 3 người, tốc độ 35km/h, sử dụng động cơ 48V - 800W và 4 ắc quy khô 12V/50Ah, chạy được 40km sau mỗi lần sạc Xe điện góp phần giải quyết ùn tắc giao thông tại Việt Nam, một vấn nạn do sự bùng nổ số lượng ô tô Mặc dù không thể giải quyết hoàn toàn vấn đề, xe điện có thể là một phần của giải pháp Các công nghệ hỗ trợ lái xe giúp điều khiển xe điện linh hoạt hơn, thích hợp với các con đường nhỏ hẹp ở Việt Nam Hơn nữa, ô tô điện thân thiện với môi trường, giúp giảm ô nhiễm không khí do khí thải từ xe chạy xăng và diesel, mang lại lợi ích cho sức khỏe cộng đồng.
Định nghĩa của Pin mặt trời
Pin mặt trời, hay còn gọi là tấm năng lượng mặt trời, bao gồm nhiều tế bào quang điện, là các bán dẫn có khả năng chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành điện năng Cường độ dòng điện, hiệu điện thế và điện trở của pin mặt trời phụ thuộc vào lượng ánh sáng chiếu lên chúng Các tế bào quang điện thường được ghép lại thành tấm pin mặt trời với 60 hoặc 72 tế bào Chúng có thể hoạt động dưới ánh sáng mặt trời hoặc ánh sáng nhân tạo và được ứng dụng như cảm biến ánh sáng, ví dụ như cảm biến hồng ngoại, để đo cường độ ánh sáng.
Hình 1.3: Cấu tạo tấm pin năng lượng mặt trời
Quá trình chuyển đổi năng lượng trong pin mặt trời diễn ra thông qua hiệu ứng quang điện, bao gồm ba giai đoạn chính Đầu tiên, năng lượng từ các photon ánh sáng được hấp thụ, tạo ra các cặp electron-hole trong chất bán dẫn.
Các cặp electron-hole được phân chia bởi ngăn cách giữa các loại chất bán dẫn khác nhau, tạo thành ngã ba p-n Hiệu ứng này là nguyên nhân chính tạo ra hiệu điện thế trong pin mặt trời.
Pin mặt trời sau đó được nối trực tiếp vào mạch ngoài và tạo nên dòng điện.
Nền tảng của pin mặt trời
Để hiểu về pin Mặt trời, cần nắm vững một số kiến thức cơ bản về vật lý chất bán dẫn, đặc biệt là hoạt động của pin năng lượng tinh thể silic Silic, thuộc nhóm IVA trong bảng tuần hoàn, có 4 electron ở lớp ngoài cùng và không tồn tại dưới dạng nguyên tố trong tự nhiên mà chỉ có ở dạng hợp chất phân tử rắn Có hai loại chất rắn silicon: đa thù hình (không có trật tự sắp xếp) và tinh thể (các nguyên tử được sắp xếp theo thứ tự không gian 3 chiều) Trong số đó, pin năng lượng Mặt trời phổ biến nhất là dạng đa tinh thể silicon.
Silic là một vật liệu bán dẫn, có khả năng dẫn điện tùy thuộc vào điều kiện năng lượng của electron trong mạng tinh thể Ở nhiệt độ phòng, silic nguyên chất có tính dẫn điện kém do mức năng lượng Fermi Để cải thiện tính dẫn điện, người ta thêm nguyên tử nhóm III hoặc V vào silic, tạo ra các phân tử dẫn điện tốt hơn Nguyên tử nhóm III (như nhôm, gali) có 3 electron ngoài cùng, trong khi nhóm V (như phosphor, asen) có 5 electron ngoài cùng, dẫn đến việc hình thành các vị trí dư thừa hoặc thiếu electron trong mạng tinh thể Các electron thừa và lỗ trống này có thể tự do di chuyển trong khối tinh thể, tạo ra hai loại bán dẫn: bán dẫn p với điện tích dương từ nguyên tử nhóm III và bán dẫn n với điện tích âm từ nguyên tử nhóm V Cả hai loại này đều có năng lượng trung hòa, cho phép chúng tương tác và di chuyển trong mạng tinh thể.
Quy trình tạo ra tế bào quang điện
Giai đoạn 1 trong quá trình sản xuất silicon là làm sạch silicon, trong đó điôxít silic được đưa vào lò điện hồ quang Tại đây, hồ quang carbon được áp dụng để giải phóng oxy, dẫn đến việc tạo ra cacbon đioxit và silic nóng chảy.
Quá trình làm sạch silicon, như hình 1.4, giúp tạo ra silicon với chỉ 1% tạp chất, điều này rất có giá trị trong một số ngành công nghiệp Tuy nhiên, mức độ tinh khiết này vẫn chưa đủ để sản xuất tế bào quang điện.
Silicon hiện có độ tinh khiết 99% sẽ được tinh chế thêm thông qua kỹ thuật vùng nóng chảy di động, trong đó một thanh silicon không tinh khiết sẽ được đưa qua vùng nóng chảy di chuyển theo cùng một hướng.
Quá trình này loại bỏ các tạp chất bằng cách kéo chúng về một phía qua từng lần xử lý Cuối cùng, silicon đạt được độ tinh khiết cao khi các tạp chất được loại bỏ hoàn toàn.
- Giai đoạn 2: Chế tạo silicon đơn tinh thể
Phương pháp Czochralski là kỹ thuật phổ biến để sản xuất thanh silicon Quá trình này bao gồm việc nhúng một tinh thể hạt silicon vào silicon đa tinh thể đang ở trạng thái nóng chảy.
Hình 1.5: Hình ảnh làm silicon đơn tinh thể
Khi tinh thể hạt được rút ra, chúng sẽ chuyển thành một thanh hình trụ, tạo thành thỏi silicon Thỏi silicon này hoàn toàn tinh khiết do tất cả các tạp chất đã bị loại bỏ trong quá trình rút hạt.
- Giai đoạn 3: Làm tấm bán dẫn silic
Người ta sử dụng cưa tròn có đường kính bên trong để cắt phôi hình trụ thành các tấm bán dẫn silic, hoặc có thể cắt nhiều lát cùng lúc bằng cưa đa dây Chiếc cưa hình kim cương này tạo ra các vết cắt rộng và dày 5 milimet.
Khoảng một nửa lượng silicon bị mất trong quá trình chuyển đổi từ phôi hình trụ sang lát hình tròn hoàn chỉnh, và con số này có thể cao hơn nếu tấm bán dẫn silicon sau đó được cắt thành hình chữ nhật hoặc hình lục giác.
Hình 1.6: Hình ảnh bán dẫn silic được cắt từ phôi hình trụ
Các tấm bán dẫn hình chữ nhật hoặc hình lục giác thường được sử dụng để chế tạo cell quang điện, do khả năng ghép nối hoàn hảo, giúp tận dụng tối đa không gian trên bề mặt phía trước của pin.
Các tấm bán dẫn thường được đánh bóng để loại bỏ các dấu cưa, nhưng gần đây, nghiên cứu cho thấy các tế bào thô ráp lại hấp thụ ánh sáng mặt trời hiệu quả hơn Vì vậy, một số nhà sản xuất đã quyết định bỏ qua quy trình đánh bóng tấm bán dẫn.
- Giai đoạn 4: Quá trình pha tạp (doping)
Silicon tinh khiết được pha tạp với phốt pho và boron để tạo ra chất bán dẫn, trong đó phốt pho tạo ra electron dư thừa, còn boron tạo ra sự thiếu hụt electron Quá trình này giúp silicon trở thành vật liệu có khả năng dẫn điện hiệu quả.
Sau quá trình Czochralski, các tấm bán dẫn được hàn kín và đặt trong lò nung để gia nhiệt nhẹ nhàng dưới 2.570 độ F (1.410 độ C) với sự hiện diện của khí photpho.
Hình 1.7: Hình ảnh các Silicon tinh khiết được pha tạp với phốt-pho và boron
Nguyên tử photpho được đào bên trong silicon xốp hơn do gần như chuyển thành chất lỏng Để đảm bảo đường nối đồng nhất và có độ sâu thích hợp, nhiệt độ và thời gian trong quá trình này được kiểm soát cẩn thận.
Gần đây, việc pha trộn silicon với photpho đã được thực hiện thông qua công nghệ gia tốc hạt nhỏ, cho phép bắn ion photpho vào thỏi silicon Bằng cách điều chỉnh tốc độ của các ion, người ta có thể kiểm soát độ sâu thâm nhập của chúng Tuy nhiên, quy trình này vẫn chưa được các nhà sản xuất thương mại chấp nhận.
- Giai đoạn 5: Đặt các tiếp điểm điện
Các tiếp điểm điện đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối các tế bào năng lượng mặt trời với nhau và dẫn dòng điện đến đầu thu Để tối ưu hóa hiệu suất, các tiếp điểm này cần được thiết kế rất mỏng, đặc biệt là ở mặt trước, nhằm không cản trở ánh sáng mặt trời chiếu vào tế bào.
Hình 1.8: Hình ảnh đặt các tiếp điểm điện
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời
Tấm pin mặt trời hoạt động dựa trên nguyên lý hiệu ứng quang điện, trong đó bức xạ mặt trời được chuyển đổi thành điện năng Hiệu ứng này cho phép pin mặt trời chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành dòng điện trực tiếp, mang lại nguồn năng lượng tái tạo hiệu quả.
Các tế bào quang điện (PV) trong tấm pin mặt trời được chế tạo từ các tấm silic tinh khiết, là những thiết bị bán dẫn Silic (Si) này được pha tạp với các tạp chất đặc biệt để tạo ra nhiều electron và lỗ hổng trong cấu trúc hoạt động Để sản xuất tấm pin mặt trời, cần tạo ra hai loại chất bán dẫn: dương (P) và âm (N), sau đó ghép chúng lại để tạo ra tiếp xúc P/N.
Nguyên tử silic có cấu trúc tương tự như kim cương, với 4 electron ở vòng ngoài liên kết với 4 nguyên tử silic lân cận Khi photon tác động vào, sẽ có 5 electron ở vòng ngoài, tạo ra 1 electron tự do di chuyển dễ dàng, đây chính là đặc điểm của chất bán dẫn âm (N).
Hình 1.11: Cấu tạo phần tử pin mặt trời
Pin mặt trời làm việc theo nguyên lý là biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện
Hình 1.12: Hệ hai mức năng lượng
Trong một hệ thống gồm hai mức năng lượng điện tử, với E1 < E2, điện tử thường ở mức năng lượng thấp hơn E1 Khi tiếp xúc với bức xạ mặt trời, điện tử hấp thụ photon ánh sáng có năng lượng ℎ𝑣 (với h là hằng số Planck và v là tần số ánh sáng) và được kích thích lên mức năng lượng E2.
Ta có phương trình cân bằng năng lượng:
Trong các vật thể rắn, sự tương tác mạnh mẽ của mạng tinh thể với điện tử vòng ngoài dẫn đến việc tách các mức năng lượng thành nhiều mức sát nhau, tạo ra các vùng năng lượng Vùng năng lượng thấp, được gọi là vùng hóa trị, bị các điện tử chiếm đầy khi ở trạng thái cân bằng, với mức năng lượng tại mặt trên là 𝐸𝑣 Vùng năng lượng phía trên, gọi là vùng dẫn, hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần, có mặt dưới là 𝐸.
Hình 1.13: Các vùng năng lượng
Khi bức xạ mặt trời chiếu vào hệ thống, photon có năng lượng hv được điện tử ở vùng hóa trị thấp hấp thu, dẫn đến việc điện tử chuyển lên vùng dẫn và trở thành điện tử tự do e Quá trình này tạo ra một lỗ trống ở vùng hóa trị, được xem như hạt mang điện dương, ký hiệu là ℎ + Lỗ trống này có khả năng di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện.
Hiệu ứng lượng tử của quá trình hấp thụ photon có thể mô tả bằng phương trình:
Để điện tử hấp thu năng lượng từ photon và chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử - lỗ trống, điều kiện cần thiết là năng lượng photon phải đạt giá trị tối thiểu, tức là ℎ𝑐/λ ≥ 𝐸𝑔 = 𝐸𝑐 – 𝐸𝑣 Từ điều kiện này, ta có thể tính được bước sóng tới hạn λc của ánh sáng cần thiết để tạo ra các cặp điện tử - lỗ trống.
Trong quá trình phục hồi, các hạt dẫn bị kích thích 𝑒 − và ℎ + tự phát chuyển động đến bề mặt của các vùng năng lượng, với điện tử e giải phóng năng lượng để di chuyển tới mặt của vùng dẫn 𝐸 𝑐, trong khi lỗ trống ℎ + di chuyển đến mặt của 𝐸 𝑣 Quá trình này diễn ra trong khoảng thời gian rất ngắn từ 10 −12 đến 10 −1 giây, gây ra giao động mạnh (photon) Năng lượng bị tổn hao trong quá trình phục hồi được tính bằng công thức: 𝐸 𝑝ℎ = ℎ 𝑣 − 𝐸 𝑔.
Hình 1.14: Nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời
Khi vật rắn hấp thụ tia bức xạ mặt trời, các điện tử trong vùng hóa trị hấp thụ năng lượng từ photon và chuyển lên vùng dẫn, tạo ra cặp hạt dẫn điện tử và lỗ trống, từ đó sinh ra điện thế Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng quang điện trong.
1.7 Đặc tính làm việc của pin mặt trời
Pin mặt trời là thiết bị có đặc tính I - V phi tuyến, và mô hình tương đương của nó thể hiện mối quan hệ giữa các thông số của pin.
Hình 1.15: Đặc tính I V của pin mặt trời
Isc (short circuit current): Dòng điện ngắn mạch
Voc (open circuit voltage): Điện áp hở mạch
Imp (maximum power current): Dòng điện tại công suất cực đại
Vmp (maximum power voltage): Điện áp tại công suất cực đại
Điểm công suất cực đại (MPP) là điểm làm việc tại công suất tối đa của tấm pin mặt trời Điện áp hở mạch (Voc) là hiệu điện thế tối đa khi tấm pin được chiếu sáng với thông lượng Φ, trong khi đó, khi R = ∞, dòng điện (I) sẽ bằng 0 Dòng điện ngắn mạch (Isc) là dòng điện lớn nhất mà tấm pin có thể sản sinh khi kết nối đầu âm và dương của tấm pin lại với nhau, và điều này xảy ra trong điều kiện tiêu chuẩn.
Vmp là điện áp tối ưu cho công suất đầu ra, thường được xác định khi hệ thống pin kết nối với MPPT, như trong điều khiển sạc MPPT hoặc kích hòa lưới, dưới điều kiện tiêu chuẩn Imp là dòng điện tối ưu, phản ánh cường độ dòng điện thực tế đo được khi kết nối với thiết bị MPPT trong điều kiện chiếu sáng tiêu chuẩn.
Hình 1.16: Mô hình tương đương của pin mặt trời
Iph là dòng quang điện (tỷ lệ thuận với bức xạ mặt trời)
I0 là dòng điện bão hoà ngược
A là hệ số diode lý tưởng
k = 1,380.10 -23 JK -1 là hệ số Boltzmann
T[K] là nhiệt độ lớp tiếp giáp p – n
Đèn q = 1,602.10 -19 C là điện tích điện tử
1.8 Các kiểu kết nối trong hệ thống pin mặt trời
Việc kết nối các tấm pin mặt trời là một quá trình đơn giản nếu bạn nắm vững các nguyên tắc cơ bản Hiểu cách thức hoạt động và công suất của từng phương pháp kết nối sẽ giúp bạn dễ dàng quyết định cách ghép nối các tấm pin mặt trời của mình.
Hiện nay, có ba phương pháp ghép nối tấm pin năng lượng mặt trời: ghép nối tiếp, ghép song song và ghép hỗn hợp Mỗi phương pháp này có những đặc điểm riêng, phù hợp với từng hệ thống năng lượng mặt trời khác nhau.
1.8.1 Ghép tấm pin kiểu nối tiếp
Khi kết nối cực dương của tấm pin mặt trời này với cực âm của tấm pin khác, chúng ta tạo ra một mạch nối tiếp, hình thành nên một mạch nguồn PV khi kết nối hai hoặc nhiều tấm pin mặt trời.
Hình 1.17: Các tấm pin mặt trời được mắc nối tiếp
Bộ điều khiển pin mặt trời
Bộ điều khiển sạc giữa các tấm pin mặt trời ngăn ngừa việc sạc quá mức cho pin, đảm bảo hiệu quả trong quá trình sạc và sử dụng năng lượng mặt trời Thuật toán điều khiển của bộ điều khiển này không chỉ ảnh hưởng đến khả năng đáp ứng nhu cầu tải mà còn kéo dài tuổi thọ của pin.
Có 2 loại công nghệ sạc là PWM và MPPT:
Điều khiển sạc năng lượng mặt trời PWM (Pulse Width Modulation)
Các loại điều khiển sạc truyền thống trước đây sử dụng rơle điện để điều khiển dòng điện vào pin, nhưng hiện nay, bộ điều khiển sạc hiện đại áp dụng công nghệ PWM để điều chỉnh tốc độ truyền năng lượng vào pin cho đến khi nó được sạc đầy Chế độ sạc PWM hoạt động như một công tắc điện tử sê-ri (MOSFET) trong mạch giữa tấm pin PV và pin lưu trữ, với dạng sóng PWM được tạo ra bởi bộ vi xử lý để điều khiển việc bật/tắt công tắc điện tử, nhằm kiểm soát dòng sạc trung bình từ bảng pin PV đến pin và đạt được điện áp sạc trung bình của pin.
Năng lượng mặt trời cần được chuyển đổi qua một mạch để lưu trữ trong pin dự phòng Mạch này được điều khiển bởi một bộ tạo dao động với độ rộng xung thay đổi tùy theo mức năng lượng lưu trữ trong pin.
Mô hình bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời PWM cho thấy khi năng lượng trong pin dự phòng giảm, độ rộng xung ở trạng thái cao sẽ tăng lên, trong khi độ rộng xung ở trạng thái thấp sẽ có sự gia tăng đột biến Hình 1.26 minh họa rõ nét bản chất của các xung trong chế độ sạc nặng.
Trong hình 1.26, đầu ra của bộ tạo dao động PWM trong thời gian lưu trữ pin yếu được kết nối với mạch chuyển mạch để điều khiển quá trình sạc pin Trong suốt chu kỳ xung, công tắc chủ yếu ở trạng thái bật để lưu trữ năng lượng mặt trời vào pin dự phòng Khi pin dự phòng đầy, giai đoạn bật của độ rộng xung sẽ giảm, trong khi giai đoạn tắt sẽ tăng lên Hình 1.27 minh họa bản chất của xung khi pin được sạc 50%.
Đầu ra của bộ tạo dao động PWM cho thấy độ rộng xung thay đổi theo trạng thái của pin, với 50% thời gian lưu trữ Khi pin được sạc đầy, hầu hết thời gian xung ở trạng thái thấp, chỉ tăng đột biến khi ở trạng thái cao, nhằm cảm nhận mức độ dự phòng của pin Hình 1.28 minh họa độ rộng xung của bộ tạo dao động PWM trong trạng thái pin đã được sạc.
Hình 1.28: Đầu ra của bộ tạo dao động PWM khi pin được sạc đầy
Khi sử dụng bộ điều khiển sạc PWM, điện áp từ bảng mặt trời sẽ giảm xuống gần mức điện áp của pin lưu trữ Bộ điều khiển này hoạt động bằng cách BẬT và TẮT MOSFET, cho phép kết nối và ngắt kết nối giữa các tấm pin mặt trời và pin lưu trữ Tần số sạc của bộ điều khiển PWM thường dao động từ 25Hz đến 100Hz, với tần số phổ biến nhất là 50Hz.
Đối với bộ điều khiển PWM, dòng sạc thường thấp hơn một chút so với dòng ngắn mạch Isc, điều này có thể thấy qua đường cong V-I của tấm pin năng lượng mặt trời Điện áp làm việc của tấm pin PV phải bằng với điện áp của pin lưu trữ, dẫn đến năng lượng sạc thấp hơn Isc*Vbat Để đảm bảo bộ điều khiển PWM phù hợp với bảng điều khiển PV, cần kiểm tra rằng Isc của mảng PV không vượt quá dòng sạc định mức của bộ điều khiển Ngoài ra, cần lưu ý rằng điện áp mở mạch Voc của bảng điều khiển không được cao hơn điện áp tối đa của bộ điều khiển.
Điều khiển sạc năng lượng mặt trời MPPT (Maximum Power Point Tracker)
MPPT (Maximum Power Point Tracker) là công nghệ tối ưu hóa công suất cho hệ thống điện mặt trời, giúp xác định điểm làm việc có công suất cực đại thông qua việc điều chỉnh điện áp và dòng điện của bộ biến đổi DC/DC Phương pháp này được áp dụng rộng rãi trong các hệ thống PV độc lập và ngày càng phổ biến trong các hệ thống lưới điện Tấm pin mặt trời thường có điện áp đầu ra từ 0 đến 18V, với mức điện áp cần thiết cho pin dự phòng là 12V-14V Công nghệ MPPT chuyển đổi điện áp đầu ra của năng lượng mặt trời thành dải điện áp phù hợp để sạc pin, đảm bảo rằng bất kỳ điện áp nào trong khoảng 0V đến 18V đều có thể được điều chỉnh thành 14V, giúp pin dự phòng được sạc hiệu quả dưới mọi điều kiện ánh sáng.
Trong mô hình này, năng lượng mặt trời được nâng lên 14V nhờ bộ chuyển đổi tăng áp, trong khi dòng điện đầu vào giảm đáng kể Khi điện áp mặt trời vượt quá 14V, bộ chuyển đổi buck sẽ điều chỉnh điện áp xuống 14V bằng cách tăng cường dòng điện Nhờ đó, năng lượng từ tấm pin năng lượng mặt trời được tận dụng suốt cả ngày để sạc ắc quy dự phòng, thay vì chỉ dừng lại ở mức điện áp từ 14V đến 18V.
Phân tích hiệu suất của 2 công nghệ trên stt Tham số Bộ điều khiển sạc PWM
Bộ điều khiển sạc MPPT
1 Sạc được kiểm soát bởi độ rộng của xung có không
2 Năng lượng mặt trời được sử dụng từ 0V đến 18V
3 Chuyển đổi Buck và Boost Không Có
4 Sử dụng chuyển đổi DC-AC-DC Không Không
5 Cung cấp năng lượng đồng thời cho cả Ắc quy dự phòng và Tải
6 Tuổi thọ pin dài dài
7 Sạc nhỏ giọt có không
Bảng 2: Hiệu suất khi sử dụng 2 công nghệ PWM và MPPT
Bộ điều khiển sử dụng xung PWM để sạc pin, giúp nâng cao tuổi thọ của pin bằng cách đảm bảo quá trình sạc diễn ra một cách trơn tru và ổn định.
Bộ điều khiển sạc với công nghệ Điểm công suất tối đa (MPPT) tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng mặt trời từ sáng đến tối, đảm bảo hiệu suất tối đa cho tấm pin năng lượng.
+ Sẽ có khả năng dòng điện ngược lại với pin hoặc hệ thống điều khiển
+ Khi sử dụng công nghệ điều khiển xung PWM sẽ làm hao hụt đi công suất của tấm pin
+ Do công nghệ MPPT có cấu trúc phức tạp nên giá thành sẽ cao hơn so với PWM.
HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN
Nhiệm vụ và yêu cầu
Để cung cấp năng lượng cho các phụ tải trên ô tô, máy phát điện đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra nguồn năng lượng hữu ích Khi động cơ khởi động, máy phát cung cấp điện cho các phụ tải và nạp điện cho accu Có hai loại máy phát là máy phát 1 chiều và máy phát xoay chiều, nhưng trong bài viết này, chúng ta chỉ tập trung vào máy phát xoay chiều.
Máy phát điện xoay chiều đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện cho các phụ tải và sạc accu trên ô tô Nó cần đảm bảo hiệu điện thế ổn định trong mọi chế độ tải và phù hợp với các điều kiện môi trường làm việc khác nhau.
Máy phát điện cần cung cấp hiệu điện thế ổn định từ 13,8 V đến 14,2 V cho hệ thống điện 14V trong mọi chế độ làm việc của phụ tải Yêu cầu máy phát phải có kích thước nhỏ gọn, chi phí thấp, tuổi thọ cao và khả năng chịu đựng tốt trong điều kiện nhiệt độ và độ ẩm khắc nghiệt, đồng thời cần ít bảo trì và sửa chữa.
2.1.3 Thông số cơ bản trong hệ thống cung cấp điện
Hiệu điện thế định mức: Phải đảm bảo Uđm = 14V với xe sử dụng hệ thống điện
12V, Uđm = 28V với xe sử dụng hệ thống điện 24V
Công suất máy phát trên ô tô cần đủ lớn để cung cấp điện cho tất cả các thiết bị điện hoạt động trên xe Thông thường, công suất máy phát dao động từ 700 đến 1500 W.
Dòng điện cực đại: Là dòng điện lớn nhất mà máy phát có thể cung cấp Imax = 70 – 140A
Nhiệt độ tối đa mà máy phát có thể hoạt động được gọi là nhiệt độ cực đại của máy phát t o max Hiệu điện thế hiệu chỉnh, ký hiệu Uhc, là hiệu điện thế làm việc của bộ tiết chế, với giá trị là 13,8V.
Sơ đồ tổng quát và sơ đồ cung cấp điện
Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống cung cấp điện tổng quát
2.2.2 Sơ đồ các tải công suất điện trên ô tô
Hình 2.2: Sơ đồ phụ tải điện trên ô tô
Chế độ làm việc giữa accu – máy phát điện và sự phân bố tải
Hình 2.3: Sơ đồ tính toán hệ thống cung cấp điện Theo định luật Kirchhoff ta có: a 1 1 a L mf a a mf
Trong đó: Imf : Dòng điện máy phát
Ea, ra: Sức điện động và điện trở trong accu
RL: Điện trở tương đương phụ tải điện
IL: Dòng điện qua các phụ tải
Ia: Dòng điện nạp vào accu r1: Điện trở các cuộn dây máy phát và dây dẫn
Căn cứ vào các biểu thức trên ta có thể chia sự phân tải giữa máy phát và accu làm ba chế độ:
Chế độ không tải của máy phát điện xảy ra khi máy phát hoạt động mà không có tải, dẫn đến điện trở tải RL tiến tới vô cùng và dòng điện IL bằng 0 Trong chế độ này, máy phát chủ yếu thực hiện chức năng nạp điện cho ắc quy, cung cấp dòng điện nạp cần thiết.
Chế độ thứ hai là chế độ tải trung bình, trong đó máy phát cung cấp điện cho các phụ tải điện có điện trở tương đương RL < ∞ và dòng điện IL nhỏ hơn dòng điện tối đa Imf Trong chế độ này, máy phát đảm nhận nhiệm vụ cung cấp điện cho cả phụ tải và accu, dẫn đến việc dòng nạp sẽ giảm.
Khi điện trở tương đương của phụ tải đạt giá trị a mf a
(2.6) thì dòng nạp bằng không
Chế độ thứ ba là chế độ quá tải, xảy ra khi có quá nhiều phụ tải được kết nối, dẫn đến điện trở RL tiến gần về 0 Điều này xảy ra khi điện trở tương đương của các phụ tải điện đang hoạt động.
RL < (Ea.r1)/(Umf - Ea) , accu bắt đầu phóng điện, hỗ trợ một phần điện năng cho máy phát
Accu trong ô tô, hay còn gọi là accu khởi động, là một thành phần thiết yếu của hệ thống sạc ô tô, đóng vai trò như nguồn dự trữ năng lượng điện Nó chuyển đổi hóa năng thành điện năng và ngược lại Phần lớn các accu khởi động là loại accu chì – axit, có khả năng tạo ra dòng điện lớn trong thời gian ngắn (5 – 10 giây) với dòng điện từ 200 – 800A và độ sụt thế bên trong nhỏ, rất phù hợp cho việc cung cấp điện cho máy khởi động.
Accu cung cấp điện cho các tải quan trọng trong hệ thống điện, đảm bảo hoạt động liên tục cho động cơ ngay cả khi máy phát chưa đạt công suất cần thiết Bên cạnh đó, accu còn đóng vai trò là bộ lọc và ổn định điện áp, giúp duy trì sự ổn định khi điện áp của máy phát dao động.
Accu cung cấp điện khi:
+ Động cơ ngừng hoạt động: Điện được accu cung cấp để chiếu sáng, dùng cho các thiết bị điện phụ, hoặc thiết bị điện khác
Động cơ khởi động sử dụng điện từ bình ắc quy để cung cấp dòng điện cho hệ thống đánh lửa trong suốt quá trình khởi động động cơ.
Khi động cơ hoạt động, điện từ bình accu có thể cần thiết để hỗ trợ hệ thống nạp khi nhu cầu tải điện trên xe vượt quá khả năng của hệ thống nạp Cả bình accu và máy phát đều cung cấp điện khi nhu cầu tiêu thụ tăng cao.
Hình 2.4: Cấu tạo của accu axit – chì
2.5 Máy phát điện xoay chiều kích thích bằng điện từ có vòng tiếp điện
Gồm 3 thành phần chính là stator, rotor và bộ chỉnh lưu
Hình 2.5: Cấu tạo máy phát điện xoay chiều kích thích kiểu điện từ
1,2 Quạt làm mát; 3 Bộ chỉnh lưu; 4 Vỏ; 5 Stator; 6
Khối thép từ được lắp ghép từ các lá thép, bên trong có rãnh đều để xếp cuộn dây phần ứng Cuộn dây stator được thiết kế với 3 pha, có thể mắc theo kiểu hình sao hoặc kiểu tam giác.
Hình 2.6: Các kiểu đấu dây
Hình 2.7: Stator của máy phát điện a Bố trí chung: 1 Khối thép từ stator; 2 Cuộn dây 3 pha stator b Sơ đồ cuộn dây ba pha mắc theo hình sao
Stato là phần cố định của động cơ, có chức năng tạo ra từ trường và hỗ trợ hoạt động của động cơ Các cuộn dây stato được đặt trong lõi thép, và khi dòng điện đi qua, nó tạo ra điện động cảm ứng để chuyển đổi năng lượng điện Trong quá trình hoạt động, nhiệt độ sinh ra do tổn thất bên trong được truyền qua lõi sắt và tỏa ra không khí xung quanh Do đó, thiết kế tản nhiệt trên bề mặt đế là cần thiết để tăng diện tích tản nhiệt, giúp động cơ hoạt động hiệu quả hơn.
Hình 2.8: Rotor máy phát điện xoay chiều kích thích bằng điện từ có vòng tiếp điểm
1 Chùm cực từ tính S; 2 Chùm cực từ tính N; 3 Cuộn dây kích thích; 4 Các vòng tiếp điện; 5 Trục rotor; 6 ống thép từ
Trục 5 được trang bị các vòng tiếp điện 4 ở cuối và hai chùm cực hình móng 1 ở giữa Giữa hai chùm cực, cuộn dây kích thích được quấn quanh ống thép dẫn từ 6, với các đầu dây kích thích được hàn vào các vòng tiếp diện.
Khi dòng điện một chiều chạy qua cuộn dây kích thích Wkt, cuộn dây và ống thép trở thành nam châm điện với hai đầu ống thép là hai cực từ khác dấu Các cực từ này ảnh hưởng đến các móng, biến chúng thành các cực của rotor, tương tự như cách tạo cực của rotor hình móng với nam châm vĩnh cửu.
Bộ chỉnh lưu 6 diode tạo ra sóng đa hài bậc 3 trong hiệu điện thế pha, điều này xảy ra do ảnh hưởng của từ trường từ các cuộn kích, dẫn đến việc giảm công suất của máy phát.
Hình 2.10: Bộ chỉnh lưu 8 diode
Vì vậy người ta sử dụng cặp diode mắc từ dây trung hoà để tận dụng sóng đa hài bậc 3 làm tăng công suất khoảng 10% - 15%
Hình 2.11: Bộ chỉnh lưu 14 diode Người ta mắc thêm 3 diode nhỏ từ các pha để cung cấp cho cuộn kích đồng thời đóng ngắt đèn báo nạp
1 Accu; 2 Cuộn kích; 3 Cuộn dây stator; 4 Diode chỉnh lưu (+);
5 Diode chỉnh lưu (-); 6 Diode trio; 7 Các diode công suất; 8 Diode chỉnh lưu dòng trung hoà; 9 Tụ điện; 10 Đầu cuối của cuộn dây máy phát (W)
Hoạt động của bộ chỉnh lưu:
Sơ đồ máy phát chỉnh lưu 3 pha với bộ nắn dòng 2 nửa chu kỳ được thể hiện trong Hình 2.11 Các cuộn dây stator được kết nối theo kiểu sao, tạo ra mối quan hệ giữa điện áp và cường độ dòng điện trên dây và trên pha.
Ta giả thiết rằng tải của máy phát là điện trở thuần Điện áp tức thời trên các pha A, B, C là:
Trong đó : Um : Điện áp cực đại của pha
Hình 2.12: Bộ chỉnh lưu sử dụng 6 diode
Hình 2.13: Sơ đồ chỉnh lưu máy phát 3 pha và điện áp sau khi đã chỉnh lưu
Ta cũng giả thiết là các diode mắc ở hướng thuận có điện trở R t vô cùng bé (Rt = 0) còn ở hướng ngược thì rất lớn (Rn = )
Sơ đồ chỉnh lưu 3 pha bao gồm 6 diode, trong đó 3 diode ở nhóm trên (VD1, VD3, VD5) được gọi là diode dương, có catod nối với nhau, trong khi nhóm dưới (VD2, VD4, VD6) gọi là diode âm, có anode nối với nhau Một diode ở nhóm trên dẫn điện khi anode có điện thế cao hơn, trong khi diode ở nhóm dưới dẫn điện khi có điện thế thấp hơn Do đó, tại bất kỳ thời điểm nào, luôn có 2 diode hoạt động: một diode dương và một diode âm Mỗi diode sẽ dẫn dòng điện trong 1/3 chu kỳ (T/3) Điện thế dây của máy phát được đưa vào bộ chỉnh lưu, và điện áp chỉnh lưu được xác định bởi các tung độ giữa các đường cong điện áp pha UA, UB, UC.
Điện áp chỉnh lưu tức thời Umf sẽ biến đổi, và tần số xung của điện áp chỉnh lưu sẽ cao gấp 6 lần so với tần số của điện áp pha.
2.5.4 Bộ điều chỉnh điện (Bộ tiết chế)
2.5.4.1 Cơ sở lý thuyết và phương pháp điều chỉnh
Máy phát điện xoay chiều kích thích bằng điện từ có vòng tiếp điện
Gồm 3 thành phần chính là stator, rotor và bộ chỉnh lưu
Hình 2.5: Cấu tạo máy phát điện xoay chiều kích thích kiểu điện từ
1,2 Quạt làm mát; 3 Bộ chỉnh lưu; 4 Vỏ; 5 Stator; 6
Khối thép từ được tạo thành từ các lá thép ghép lại, bên trong có rãnh đều để xếp các cuộn dây phần ứng Cuộn dây stator được thiết kế với 3 pha, có thể mắc theo kiểu hình sao hoặc kiểu tam giác.
Hình 2.6: Các kiểu đấu dây
Hình 2.7: Stator của máy phát điện a Bố trí chung: 1 Khối thép từ stator; 2 Cuộn dây 3 pha stator b Sơ đồ cuộn dây ba pha mắc theo hình sao
Stato là phần cố định của động cơ, có chức năng tạo ra từ trường và hỗ trợ hoạt động của động cơ Các cuộn dây stato được đặt trong lõi thép, và khi dòng điện chạy qua, chúng tạo ra suất điện động cảm ứng để chuyển đổi năng lượng điện thành cơ năng Trong quá trình hoạt động, nhiệt độ tăng do tổn thất nội tại được truyền qua lõi sắt và tỏa ra không khí xung quanh Do đó, thiết kế bề mặt tản nhiệt trên đế là cần thiết để tăng diện tích tản nhiệt, giúp động cơ hoạt động hiệu quả hơn.
Hình 2.8: Rotor máy phát điện xoay chiều kích thích bằng điện từ có vòng tiếp điểm
1 Chùm cực từ tính S; 2 Chùm cực từ tính N; 3 Cuộn dây kích thích; 4 Các vòng tiếp điện; 5 Trục rotor; 6 ống thép từ
Trục 5 được trang bị các vòng tiếp điện 4 ở cuối và hai chùm cực hình móng 1 ở giữa Giữa hai chùm cực, có cuộn dây kích thích quấn quanh ống thép dẫn từ 6, với các đầu dây kích thích được hàn vào các vòng tiếp diện.
Khi dòng điện một chiều chạy qua cuộn dây kích thích Wkt, cuộn dây và ống thép trở thành nam châm điện với hai đầu ống thép là hai cực khác dấu Dưới tác động của các cực từ này, các móng trở thành các cực của rotor, tương tự như cách tạo cực của rotor hình móng với nam châm vĩnh cửu.
Bộ chỉnh lưu 6 diode tạo ra sóng đa hài bậc 3 trong thành phần hiệu điện thế pha, điều này xảy ra do ảnh hưởng của từ trường từ các cuộn kích, dẫn đến việc giảm công suất của máy phát.
Hình 2.10: Bộ chỉnh lưu 8 diode
Vì vậy người ta sử dụng cặp diode mắc từ dây trung hoà để tận dụng sóng đa hài bậc 3 làm tăng công suất khoảng 10% - 15%
Hình 2.11: Bộ chỉnh lưu 14 diode Người ta mắc thêm 3 diode nhỏ từ các pha để cung cấp cho cuộn kích đồng thời đóng ngắt đèn báo nạp
1 Accu; 2 Cuộn kích; 3 Cuộn dây stator; 4 Diode chỉnh lưu (+);
5 Diode chỉnh lưu (-); 6 Diode trio; 7 Các diode công suất; 8 Diode chỉnh lưu dòng trung hoà; 9 Tụ điện; 10 Đầu cuối của cuộn dây máy phát (W)
Hoạt động của bộ chỉnh lưu:
Sơ đồ máy phát chỉnh lưu 3 pha với bộ nắn dòng 2 nửa chu kỳ được thể hiện trong Hình 2.11, trong đó các cuộn dây stator được đấu theo kiểu sao Mối quan hệ giữa điện áp và cường độ dòng điện trên dây và trên pha được xác định rõ ràng trong cấu trúc này.
Ta giả thiết rằng tải của máy phát là điện trở thuần Điện áp tức thời trên các pha A, B, C là:
Trong đó : Um : Điện áp cực đại của pha
Hình 2.12: Bộ chỉnh lưu sử dụng 6 diode
Hình 2.13: Sơ đồ chỉnh lưu máy phát 3 pha và điện áp sau khi đã chỉnh lưu
Ta cũng giả thiết là các diode mắc ở hướng thuận có điện trở R t vô cùng bé (Rt = 0) còn ở hướng ngược thì rất lớn (Rn = )
Sơ đồ chỉnh lưu 3 pha bao gồm 6 diode, trong đó có 3 diode dương (VD1, VD3, VD5) với catod nối với nhau và 3 diode âm (VD2, VD4, VD6) có anode nối với nhau Ở nhóm diode dương, chúng dẫn điện khi anode có điện thế cao hơn, trong khi nhóm diode âm dẫn điện khi có điện thế thấp hơn Do đó, tại mỗi thời điểm, luôn có 2 diode hoạt động: một diode dương và một diode âm, mỗi diode dẫn dòng điện trong 1/3 chu kỳ (T/3) Điện thế dây từ máy phát được đưa vào bộ chỉnh lưu, và điện áp chỉnh lưu được xác định bởi các tung độ giữa các đường cong điện áp pha UA, UB, UC.
Điện áp chỉnh lưu tức thời Umf có sự biến đổi, với tần số xung động của điện áp chỉnh lưu lớn gấp 6 lần tần số của điện áp pha.
2.5.4 Bộ điều chỉnh điện (Bộ tiết chế)
2.5.4.1 Cơ sở lý thuyết và phương pháp điều chỉnh
Khi điều chỉnh điện áp và cường độ dòng điện của máy phát trong hệ thống cung cấp điện, máy phát và accu là đối tượng chính cần điều chỉnh Sự hoạt động đồng thời của máy phát và accu diễn ra khi có sự thay đổi vận tốc quay của rotor, tải và nhiệt độ trong một phạm vi rộng Để các thiết bị nhận điện năng hoạt động bình thường, điện thế của lưới điện phải được duy trì ổn định, do đó cần thiết phải thực hiện điều chỉnh điện thế.
Trong quá trình vận hành, máy phát có thể gặp tình trạng tải vượt quá trị số định mức, dẫn đến cháy nổ và giảm khả năng chuyển đổi mạch Hiện tượng quá nhiệt làm tăng tải trên các chi tiết cơ khí của hệ thống dẫn động máy phát, do đó cần thiết bị hạn chế dòng điện Để thực hiện các chức năng này, máy kéo được điều chỉnh tự động nhờ bộ điều chỉnh điện thế, với điện thế của máy phát được biểu diễn qua một công thức cụ thể.
Umf = Ce.n. - 2Uo - Rtđ.Imf (2.10) Trong đó:
Ce: Hằng số kết cấu của máy phát
Công thức tính công suất điện của máy phát xoay chiều được xác định bởi Ce = 4.kp.k.ko.p.w/60, trong đó kp là hệ số chỉnh lưu, được tính dựa trên tỉ số giữa điện áp chỉnh lưu trung bình và điện áp pha Thêm vào đó, n là vận tốc quay của rotor máy phát.
2Uo: Độ sụt áp trên bộ chỉnh lưu của máy phát (với máy phát 1 chiều 2Uo là độ sụt áp trên chổi than)
Rtd: Điện trở tương đương của máy phát
Rtd: Là một biến số phụ thuộc vào vận tốc quay của rotor
Imf: Dòng điện của máy phát
Ko: Hệ số dây quấn
K: Hệ số dạng từ trường
Hình 2.14: Đặc tuyến từ và hiệu điện thế máy phát phụ thuộc vào dòng kích
Từ thông của máy phát được kích thích bằng điện từ có thể biểu diễn qua dòng kích thích
Phương pháp điều chỉnh điện thế a) Bộ điều chỉnh điện hoạt động liên tục
Bảng điều khiển hoạt động liên tục, xử lý tín hiệu đầu vào và đầu ra của tất cả các pha theo chu kỳ thời gian Các điều chỉnh này làm thay đổi dòng điện kích thích và dòng điện theo thời gian, phụ thuộc vào vận tốc của phần ứng và tải của máy phát.
mf e tủ mf k mf bs R a b a I R U n
Rbs: Điện trở bổ sung của biến trở trong mạch kích thích
Để duy trì điện thế ổn định, điện trở phụ Rbs cần được điều chỉnh bằng cách tăng tốc độ phần ứng và giảm khi tải trên máy phát tăng lên Bộ điều chỉnh hoạt động gián đoạn là một giải pháp hiệu quả trong việc này.
Bộ điều chỉnh hoạt động gián đoạn thực hiện việc thay đổi tín hiệu theo mức độ hoặc điều biến bề dài xung, với các relay khác nhau là phần tử chủ yếu Quá trình này diễn ra thông qua các bước cụ thể để đảm bảo hiệu quả trong việc điều chỉnh tín hiệu.
Khi điện áp máy phát Umf thấp hơn điện áp định mức Un, quá trình tự kích thích sẽ diễn ra và cấu trúc điều chỉnh sẽ thay đổi theo dạng bước nhảy Điều này dẫn đến việc dòng điện kích thích giảm, và các thông số trong mạch kích thích sẽ trở lại giá trị ban đầu Quá trình này lặp đi lặp lại một cách tuần hoàn Trong trường hợp này, điện thế trung bình U mf và dòng kích thích Ik sẽ không thay đổi, bất kể vận tốc phần ứng và tải của máy phát Tuy nhiên, sự thay đổi vận tốc quay của phần ứng hoặc tải sẽ ảnh hưởng đến dòng điện kích thích trung bình, trong khi điện thế trung bình vẫn giữ nguyên.
2.5.4.2 Các bộ tiết chế tiêu biểu
Người ta chia làm 2 loại: Tiết chế loại rung và tiết chế loại bán dẫn a Tiết chế loại rung
Đặc tính của máy phát điện
Đặc tính của máy phát xoay chiều kích thích bằng điện từ được xác định thông qua các mối quan hệ giữa các đại lượng cơ bản.
Dòng điện tải máy phát
Số vòng quay của máy phát n
Đường cong đặc trưng cho mối quan hệ giữa điện thế của máy phát và dòng điện kích thích được biểu diễn qua phương trình Umf = f(Ik) với số vòng quay không đổi nmf = const và dòng điện tải Imf = 0 Đường đặc tuyến được xác định từ sự phụ thuộc của sức điện động vào số vòng quay Vì dòng điện kích và từ thông ở khe hở không khí phụ thuộc vào số vòng quay của máy phát điện, sức điện động không tỉ lệ thuận với số vòng quay Do đó, đường đặc tính không tải của máy phát bao gồm các đường cong tương ứng với số vòng quay.
Hình 2.18: a Đặc tuyến không tải ứng với số vòng quay khác nhau b Đặc tuyến ngoài ứng với số vòng quay khác nhau
Là những đường cong đặc trưng cho mối quan hệ giữa điện thế máy phát sau chỉnh lưu và dòng tải điện (hình xxxb)
Uk = Uđm = const, và điện trở kích thích Rk = const
Khi tải máy phát tăng, điện thế Umf giảm nhanh chóng do độ sụt áp tăng, bao gồm sụt áp trong diode, trên điện trở thuần và cảm kháng của cuộn dây Điều này xảy ra do ảnh hưởng của phần ứng, làm cho từ thông qua stator giảm do hiện tượng cảm ứng từ.
Đặc tuyến tải theo số vòng quay
Là những đường cong đặc trưng cho quan hệ giữa dòng tải điện và số vòng quay (Hình 2.5.4a)
If = f(n); Uf = Uđm; Ik = const Ở độ cao, dòng điện phát ra tăng chậm và giá trị cực đại của nó không vượt qua giá
Hình 2.19: Đặc tuyến tải theo số vòng quay