Thiết kế nguồn điện năng lượng mặt trời có bộ tự động chọn điểm làm việc cực đại áp dụng thuật toán INC

Luận văn với đề tài: “Thiết kế nguồn điện năng lượng Mặt trời có bộ tự động chọn điểm làm việc cực đại áp dụng thuật toán INC” được xuất phát từ yêu cầu thực tế chế độ làm việc pin mặt t

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN ANH QUÝ

THIẾT KẾ NGUỒN ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

CÓ BỘ TỰ ĐỘNG CHỌN ĐIỂM LÀM VIỆC CỰC ĐẠI

ÁP DỤNG THUẬT TOÁN INC

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa

THÁI NGUYÊN, NĂM 2015

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN ANH QUÝ

THIẾT KẾ NGUỒN ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

CÓ BỘ TỰ ĐỘNG CHỌN ĐIỂM LÀM VIỆC CỰC ĐẠI

ÁP DỤNG THUẬT TOÁN INC

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Dự đoán đến năm 2025, điện mặt trời sẽ là nguồn năng lượng chính thay thế các nguồn điện truyền thống do có ưu điểm là dễ lắp đặt Sự quan tâm của các nhà khoa học trong cả lĩnh vực chế tạo pin mặt trời và khai thác hệ thống điện có sử dụng pin mặt trời cũng như sự quan tâm của nhà làm chính trị đã góp phần làm giá thành pin mặt trời giảm xuống, chiếm tỷ trọng ngày càng lớn và ngày càng thích nghi hơn đối với lưới điện

Luận văn với đề tài: “Thiết kế nguồn điện năng lượng Mặt trời có bộ tự động chọn điểm làm việc cực đại áp dụng thuật toán INC” được xuất phát từ yêu cầu thực

tế chế độ làm việc pin mặt trời phụ thuộc vào phụ tải Tìm được điểm vận hành tối

ưu sẽ làm cho năng lượng từ các tấm pin mặt trời là lớn nhất, góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế cho dạng nguồn này trong hệ thống điện

2 Mục tiêu, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

pin mặt trời áp dụng thuật toán INC

mô hình lý thuyết đã nghiên cứu

Vấn đề khai thác được năng lượng từ các tấm pin mặt trời tại những thời điểm khác nhau trong ngày vẫn đang nhận được rất nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học Việc xây dựng một hệ thống điều khiển thông qua bộ biến đổi điện tử công suất

có ý nghĩa khoa học rất lớn, đảm bảo việc vận hành các tấm pin mặt trời luôn ở điểm tối ưu nhất để đáp ứng cho phụ tải

Hơn nữa, đề tài cũng thiết kế mạch điều khiển cho bộ buck DC/DC có thể biến thành sản phẩm thực tiễn

làm việc cực đại INC

Thực hiện nhiệm vụ trên cấu trúc luận văn gồm có các phần chính sau:

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan về hệ thống khai thác năng lượng từ pin mặt trời

Chương 2: Pin mặt trời và vấn đề tìm điểm làm việc cực đại

Chương 3: Chế độ làm việc và điểm vận hành tối ưu của pin mặt trời

Chương 4: Thiết kế hệ thống thực nghiệm khai thác pin mặt trời sử dụng thuật toán INC

Kết luận và kiến nghị

Tài liệu tham khảo

Phụ lục

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG KHAI THÁC NĂNG LƯỢNG

TỪ PIN MẶT TRỜI

1.1 Tổng quan hệ nguồn phân tán trong hệ thống điện

Nguồn sơ cấp tạo ra năng lượng phổ biến hiện nay là hydrocarbon dựa trên nhiên liệu hóa thạch Nguồn nhiên liệu này làm gia tăng ô nhiễm môi trường do tạo nên carbon dioxide làm môi trường ấm lên Tương lai, nguồn nhiên liệu này cũng chỉ

có một giới hạn nhất định khi đáp ứng cho các phụ tải ngày càng tăng Những lý do này đã làm thay đổi cách nhìn nhận về năng lượng tái tạo như gió, mặt trời, thủy triều, pin nhiên liệu Những nguồn này được biết đến như nguồn năng lượng xanh thân thiện với môi trường Nguồn năng lượng này có thể được lắp đặt trong các khu dân cư để đáp ứng cho các phụ tải tiêu dùng trực tiếp hoặc phát vào lưới điện với tên gọi là nguồn phân tán DG (Distributed Generation)

Trong hệ thống nguồn phân tán, công suất từ các nguồn này tương đối nhỏ, phân bố ở nhiều địa điểm khác nhau Hình 1.1 cho thấy sự phân loại DG theo công nghệ [1-2]

a Phân loại DG theo công nghệ

Nguồn phân

tán

Nguồn truyền thống

Nguồn phi truyền thống

Turbine khí

tự nhiênĐiện hóa

Tích trữ

Năng lượng tái tạo

Pin nhiên liệu

Ắc quyBánh đàQuang điệnTurbine gió

b Mạng điện phân tán thông minh

Hình 1 1 Nguồn DG và mạng điện phân phân tán thông minh

Nguồn phân tán có thể sử dụng nguồn nhiên liệu hóa thạch sử dụng khí tự nhiên để cứu trợ cho lưới trong trường hợp thiếu hụt công suất và đáp ứng cho phụ tải tại chỗ khi không có điện lưới Các nguồn phân tán phi truyền thống là các nguồn không sử dụng nguồn nhiên liệu hóa thạch như pin nhiên liệu biến đổi hóa năng thành điện năng; kho năng lượng được tích trữ và phát điện theo yêu cầu như ắc quy, bánh đà; nguồn năng lượng tái tạo như quang điện, turbine gió Trong các nguồn DG này, có thể thấy rằng nguồn năng lượng tái tạo sử dụng nguồn năng lượng vô tận từ mặt trời và sự chuyển động của gió

Trong những lưới điện thông minh, DG đã thể hiện được những thế mạnh và đem lại lợi ích lớn như:

- Khả năng dự phòng: thể hiện tính linh hoạt thông qua khả năng mở rộng,

kích thước và vận hành

- Độ tin cậy và chất lượng điện năng: một số đánh giá cho thấy có thể độ tin

cậy của lưới là khá thấp và muốn sử dụng nguồn DG để đạt được độ tin cậy và chất

lượng điện năng tốt hơn

- Hướng tới sử dụng và mở rộng mạng điện địa phương: chi phí có liên quan đến việc mở rộng của việc truyền tải hoặc phân phối có thể được giảm đi bằng cách

sử dụng DG

- Hỗ trợ lưới: DG có thể hỗ trợ lưới ở những thời điểm khi có những biến động ngẫu nhiên trong lưới như đột nhiên hỏng 1 phần tử nào đó của lưới mà có thể dẫn đến sự suy giảm của tần số

- DG có thể dễ dàng được lắp đặt ở bất kỳ vị trí nào trong thời gian ngắn

- DG có thể làm giảm tổn thất công suất do tránh được truyền tải công suất trên đường dây dài

- DG giúp duy trì ổn định hệ thống

- Giảm ô nhiễm môi trường

- Tăng tuổi thọ của các thiết bị và máy biến áp

- DG có thể vận hành như những nguồn khẩn cấp có sự cố trong lưới điện

Trong hệ nguồn phân tán, nguồn pin mặt trời có khả năng phát triển tốt với lợi thế dễ dàng lắp đặt trong các khu vực đông dân cư, lợi dụng được các vị trí địa lý trong đất liền nhưng có nhiều nắng để phát điện Sau đây, luận văn sẽ giới thiệu các dạng khai thác năng lượng của nguồn PV

1.2 Phân loại hệ thống khai thác nguồn PV

Ắc quy

Máy bơm nước

Phụ tải khác

Hình 1 2 Nguồn PV trong mạng điện cô lập

khác Ở những vùng không có điện lưới điện kéo đến và có thể chỉ đáp ứng cho các phần tử riêng lẻ theo những yêu cầu tùy chọn Việc sử dụng ắc quy làm cho giá thành

hệ thống cao, tuổi thọ hệ thống giảm xuống nên tùy theo yêu cầu thì mới đưa thêm ắc quy vào

1.2.2 Hệ thống ghép

Nguồn pin mặt trời độc lập đã thể hiện nhược điểm là bị mất hoàn toàn vào những thời điểm không có bức xạ mặt trời Vào những thời điểm này, các phụ tải vẫn yêu cầu được cấp điện nên cần phải có các nguồn khác thay thế Lúc này có thể sử dụng các nguồn thay thế ghép vào như hình 1.3 [1]

c PV-diesel song song

Trong các hệ thống này, có thể sử dụng kho ắc quy hoặc không (thể hiện qua đường thẳng không nối cứng vào thanh cái một chiều) Nguồn diesel là nguồn phát điện xoay chiều có thể nối vào thanh cái một chiều thông qua bộ chỉnh lưu (hình 1.3a), có thể liên kết vào thanh cái xoay chiều có khóa chuyển đổi (hình 1.3b) hoặc nối cứng vào thanh cái xoay chiều Điều này đã làm cho nguồn PV trở nên thích nghi hơn đối với phụ tải

1.2.3 Nguồn PV kết nối lưới

Đối với nguồn PV kết nối lưới, các tấm pin mặt trời có thể liên kết với nhau

để tạo ra công suất đủ lớn Điều này có thể thấy trên hình 1.4 [1]

b Nhiều bộ DC/DC

Hình 1 4 Nguồn PV kết nối lưới qua các bộ biến đổi

Có thể dùng một bộ DC/DC điểu khiển chế độ làm việc của các tấm pin mặt trời kết hợp với một bộ nghịch lưu (hình 1.4a) Cấu trúc dạng này làm giảm khả năng điều khiển đối với mỗi dãy pin mặt trời

Khi công suất các dãy pin không quá lớn thì có thể dùng nhiều bộ DC/DC điều khiển cho mỗi dãy pin mặt trời kết hợp với một bộ nghịch lưu (hình 1.4b) Cấu trúc dạng này phù hợp với nhà máy điện mặt trời công suất nhỏ với ưu điểm là dễ dàng điều khiển công suất đầu ra cho mỗi dãy pin mặt trời

Khi công suất các dãy pin tương đối lớn, cần phải sử dụng riêng mỗi dãy pin mặt trời một bộ DC/DC kết hợp với một bộ nghịch lưu kết nối lưới (hình 1.4c) Cấu trúc dạng này tỏ ra khá phù hợp để điều khiển trong các nhà máy điện mặt trời công suất lớn tuy nhiên lại sử dụng quá nhiều bộ biến đổi khiến tổn thất công suất trên chính các bộ biến đổi cũng làm một vấn đề cần lưu tâm

1.3 Mục tiêu nghiên cứu

Trong mục 1.2 ở trên, ta thấy rằng mỗi dạng khai thác năng lượng từ pin mặt trời có những đặc điểm riêng, đáp ứng cho các yêu cầu riêng

Cho đến nay, kỹ thuật ghép nối pin mặt trời vào lưới điện thông qua các bộ biến đổi cũng là một vấn đề hết sức quan trọng và vẫn còn nhiều bài toán cần giải quyết như góc phát, tần số, module để hòa lưới phù hợp nhất Trong khi bài toán khai thác trong mạng điện cô lập với vấn đề khai thác điểm làm việc cực đại lại mang một

ý nghĩa quan trọng khác để khẳng định lợi ích của kỹ thuật khi đem lại cho lợi ích kinh tế Bản thân chi phí đầu tư cho tấm pin mặt trời thương mại hiện nay là khá lớn, nếu không được sự ủng hộ của các nhà làm chính sách như trợ giá, tăng cường đầu tư công để làm cho chi phí trên một đơn vị điện năng giảm xuống thì pin mặt trời khó

có thể phổ biến và cạnh tranh được với các nguồn năng lượng khác

Hiện nay, hiệu suất chuyển đổi từ quang năng thành điện năng khá thấp nên khai thác được hết phần năng lượng điện khả dụng cũng đem lại khả năng thích nghi cao hơn cho loại nguồn này trong hệ thống điện Do đó, luận văn sẽ tập trung vào việc dò tìm điểm làm việc cực đại, vấn đề khai thác năng lượng từ pin mặt trời thông qua các bộ biến đổi

CHƯƠNG 2 PIN MẶT TRỜI VÀ VẤN ĐỀ TÌM ĐIỂM LÀM VIỆC CỰC ĐẠI

2.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động của pin mặt trời [1-5]

2.1.1 Cấu tạo

Pin mặt trời được sản xuất từ chất bán dẫn silic tinh khiết Để làm pin Mặt trời

từ bán dẫn tinh khiết phải làm ra bán dẫn loại n và bán dẫn loại p rồi ghép lại với nhau cho nó có được tiếp xúc p - n

Pin mặt trời từ tinh thể silic chia ra thành 3 loại:

- Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình Czochralski Đơn tinh thể loại này có hiệu suất tới 16% Chúng thường rất mắc tiền

do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module

- Đa tinh thể 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 Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó

- 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 thấp nhất, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các loại vì không cần phải cắt từ thỏi silicon

2.1.2 Nguyến lý hoạt động

- Nguyên lý hoạt động: Pin mặt trời làm việc theo nguyên lý biến đổi trực tiếp

năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện

- Khi tiếp giáp p-n nhận tia bức xạ mặt trời, điện tử ở vùng hóa trị hấp thụ

trong

Quá trình hình thành dòng điện trong lớp tiếp giáp p-n khi có ánh ánh sáng mặt trời tác động vào được mô tả qua hình 2.1

Hình 2 1 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

Khối bán dẫn loại p chứa nhiều lỗ trống tự do mang điện tích dương nên khi ghép với khối bán dẫn n (chứa các điện tử tự do) thì các lỗ trống này có xu hướng chuyển động khuếch tán sang khối n Cùng lúc khối p lại nhận thêm các điện tử (điện tích âm) từ khối n chuyển sang Kết quả là khối p tích điện âm (thiếu hụt lỗ trống và

dư thừa điện tử) trong khi khối n tích điện dương (thiếu hụt điện tử và dư thừa lỗ trống)

Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp, một số điện tử bị lỗ trống thu hút và khi chúng tiến lại gần nhau, chúng có xu hướng kết hợp với nhau tạo thành các nguyên

tử trung hòa Quá trình này có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng (hay các bức xạ điện từ có bước sóng gần đó)

Sự tích điện âm bên khối p và dương bên khối n hình thành một điện áp gọi là

nên cản trở chuyển động khuếch tán và như vậy sau một thời gian kể từ lúc ghép 2 khối bán dẫn với nhau thì quá trình chuyển động khuếch tán chấm dứt và tồn tại điện

áp tiếp xúc Lúc này ta nói tiếp xúc p-n ở trạng thái cân bằng

Hai bên mặt tiếp giáp là vùng các điện tử và lỗ trống dễ gặp nhau nhất nên quá trình tái hợp thường xảy ra ở vùng này hình thành các nguyên tử trung hòa Vì vậy vùng biên giới ở hai bên mặt tiếp giáp rất hiếm các hạt dẫn điện tự do nên được gọi là vùng nghèo Vùng này không dẫn điện tốt, trừ phi điện áp tiếp xúc được cân bằng bởi điện áp bên ngoài Đây là cốt lõi hoạt động của điốt cũng chính là nguyên

lý hoạt động của pin mặt trời

Nếu đặt điện áp bên ngoài ngược với điện áp tiếp xúc, sự khuyếch tán của các điện tử và lỗ trống không bị ngăn trở bởi điện áp tiếp xúc nữa và vùng tiếp giáp dẫn điện tốt Nếu đặt điện áp bên ngoài cùng chiều với điện áp tiếp xúc, sự khuyếch tán của các điện tử và lỗ trống càng bị ngăn lại và vùng nghèo càng trở nên nghèo hạt dẫn điện tự do Nói cách khác điốt chỉ cho phép dòng điện qua nó khi đặt điện áp theo một hướng nhất định

2.2 Mô hình hóa pin mặt trời [2]

2.2.1 Mô hình phi tuyến

Mô hình này được xây dựng dựa trên phương trình 1 diode lý tưởng (hình

b Đường cong V-I và đường cong P-V

Hình 2 2 Mô hình phi tuyến một diode

Đường cong I-V và P-V của một module pin mặt trời được cho trên hình 2.2b Các đường cong này luôn thay đổi ứng với mỗi điều kiện nhiệt độ và cường độ bức

xạ nhất định Đường cong này khá trơn và liên tục

Trong sơ đồ ta cần quan tâm đến các thông số quan trọng thường xuyên được

sử dụng để mô tả cho pin PV gồm có:

- Lớp tiếp giáp p-n có tính chỉnh lưu như một diode

trong việc kết nối giữa các pin với nhau Hay chính là điện trở kháng khi phải chạy qua các lớp bán dẫn p và n, các điện cực, các tiếp xúc (có thể coi là điện trở trong của pin mặt trời)

Để xác định được dòng điện ngoài ta áp dụng định luật Kirchoff’s 1 cho dòng điện tại một điểm nút:

I = I sc – I D - I sh = I ph - I D - I sh (2- 1) Trong đó :

I D : Dòng đi qua diode

I sh : Dòng dò

1)(

exp

nkT

I s R V q s I

Trong đó :

- V: Điện áp trên các tấm pin

- I : Dòng điện đi ra từ pin

R

I R V

Thay I D , I sh ở biểu thức (2.2,2.3) vào (2.1) Ta được :

sh R

I s R V nkT

I s R V q s

I ph

I sh

I d

exp

2.2.2 Mô hình tuyến tính từng đoạn

Rp và các diode

a Sơ đồ thay thế

Hình 2 3 Mô hình tuyến tính từng đoạn

Mô hình này sử dụng 4 diode lưỡng cực cho đường cong I-V phẳng hơn nhưng phức tạp hơn, độ sụt áp cố định và nó được nuôi bởi 1 nguồn dòng không đổi bằng ISC

qua các điện trở nối tiếp với các diode và do đó đường cong I-V được điều chỉnh dễ dàng để phù hợp với các kết quả thực nghiệm của module PV

Trên cơ sở phân tích các mô hình toán của pin mặt trời, nhận thấy rằng mô hình tuyến tính từng đoạn phức tạp và mô hình thứ ba không mô tả hết được bản chất vật lý của pin mặt trời Vì vậy, luận văn sẽ nghiên cứu mô hình thứ nhất

2.2.4 Các bước mô tả toán học

Để hiểu rõ đặc điểm và quá trình hoạt động rõ ràng của các phần tử (PV cell hoặc các module) ta cần thông qua các biểu thức toán học Trước hết chúng ta cần làm quen với các thông số đặc trưng được biểu diễn trong mô hình toán học

- Ký tự đẩy lên "M" là viết tắt của chữ module

- Ký tự đẩy lên "C" là viết tắt của chứ cell

- Trong sơ đồ khối kết nối module, điện áp được áp dụng cho đầu ra của

Dòng dịch chuyển trong các module PV theo điều kiện hoạt động tùy ý có thể được mô tả như sau:

C t SM

M M S

M OC

M M

SC

M

V N

I R V

V I

Dòng ra của module PV phụ thuộc vào các đại lượng sau:

- Dòng ngắng mạch của các module : IMSC = NPM.ICSC

Điện trở kháng nối tiếp của module:

Bảng 2 1 Danh nghĩa và tiêu chuẩn điều kiện

bào T0C, ta có thể xác định rõ các thông số sau:

- Dòng ngắn mạch của module: ISC, 0M

- Công suất tối đa của module: Pmax,0M

Ngoài ra ta có thể tham khảo các thông số như sau:

- Nhiệt độ của Pin TrefC

Các biểu thức toán học cho việc tính toán dòng điện của các module PV, theo các thông số (VM, Ta, Sa) như sau

Các bước trong các thuật toán xác định dòng điện như sau:

Dữ liệu các module theo điều kiện tiêu chuẩn:

Pmax,0M, ISC,0M, VOC,0M, NSM, NPMCác thông số thay đổi theo điều kiện tiêu chuẩn:

FF = (vOC,0 - ln(vOC,0 +0.72)) / (vOC,0 +1)

FF0 = Pmax,0C / (VOC,0C IOC,0C )

a) Người thiết kế đưa ra những yêu cầu về sản phẩm và các thông tin trong điều kiện tiêu chuẩn của các module PV

- Lượng công suất tối đa: PMmax,0

b) Dựa vào các số liệu có sẵn trong điều kiện tiêu chuân của PV module ta tính toán các thông số liên quan phụ thuộc vào các số liệu đã có PC

max,0; VCOC,0;

ICSC,0; RCS

c) Bước tiếp theo là đi xác định các thông số đặc trưng của Pin theo các thông

Gc; Ia; Sa cường độ chiếu xạ: IC

SC = C1 Sa

Nhiệt độ làm việc của Pin năng lượng mặt trời Tc phụ thuộc hoàn toàn vào

thực nghiệm ta có: TC = Ta + C2Sa

C2 = T

C ref-Ta,ref

Ga,ref (2- 8)

ref là hệ số chưa xác định Ta có thể coi C2 có giá trị xấp xỉ

nhiệt độ của các tế bào năng lượng mặt trời:

d) Sau khi thực hiện xong các bước (2) và (3), bước cuối cùng là để xác định dòng điện trong module

IM = NPMICSC[1- exp((VM - NSMVOCC + IM RSC NSM/NPM)/(NSMVtC))]

(2- 10)

2.3 Các đặc trưng của pin mặt trời

2.3.1 Các thông số của pin mặt trời

2.3.1.1 Thông số rút ra từ đường cong I-V

Điểm công suất tối đa: Là điểm hoạt động ở vị trí (Vmax, Imax) nơi điện trở

tiêu tán một cách tối đa

Hiệu suất : là tỷ số giữa công suất Pmax với công suất tới của ánh sáng mặt

suất đầu ra

FF= P max

V oc I sc =

V max I max

Khả năng điền đầy là một biện pháp của đặc tính I-V khả năng điền đầy có thể

lớn hơn 0.7 với pin năng lượng tốt Khi nhiệt độ giảm đi đông nghĩa với khả năng

điền đầy kém đi

2.3.1.2 Dòng ngắn mạch I sc

Hình 2 5 Sơ đồ tương đương pin mặt trời khi xét chế độ ngắn mạch và hở

mạch

mạch ngoài (chập các cực ra của pin) Lúc đó hiệu điện thế mạch ngoài của pin bằng

sc I s qR S

E ph

I sc

Trong đó E là cường độ sáng, là một hệ số tỷ lệ Như vậy ở điều kiện bình

sáng

2.3.1.3 Điện áp hở mạch V oc

mạch (R = ∞) Khi đó dòng mạch ngoài I = 0 Đặt giá trị đó của dòng mạch ngoài vào (2.14) và giả thiết Rsh rất lớn ta được biểu thức xác định VOC như sau:

nkT oc qV S

I S

I ph

I nkT

oc qV S

I ph

I

exp

exp1

exp0

S I S

I ph I q

nkT oc

vì Iph >> Is nên có thể viết:

S I

ph I q

nkT oc

tăng lên theo hàm mũ :

kT g

E g

D qAL D

L th qAg S

0

kT g

E g

th

0

Ở đây trong biểu thức (2.19) A là diện tích bề mặt tiếp xúc p-n, gth là mật độ

ph KN

A o

g D L q

nkT q

g E oc

V

Sự khác nhau giữa các thế năng khi T = 0 và khi T > 0 phụ thuộc vào hệ số

Nph tăng lên và Vo càng gần tới giá trị E g

q Ngoài ra, Voc tăng theo hàm loga với

dòng quang điện Iph mà đến lượt nó lại tăng tuyến tính với cường độ bức xạ

xạ chiếu sáng và giảm tuyến tính khi nhiệt độ của pin mặt trời tăng Đối với

Hình 2 7 Sự thay đổi của đường cong V-I và P-V theo nhiệt độ

độ của tấm pin mặt trời tăng thì tấm pin mặt trời sẽ kém hiệu quả hơn

2.4 Ghép nối khối pin mặt trời

2.4.1 Ghép nối tạo module

Để đưa năng lượng mặt trời dưới dạng nặng lượng bức xạ vào quá trình quang năng biến đổi thành năng lượng được thực hiện bằng cách chế tạo các cell PV rồi kết nối lại thành các module từ các module ta kết nối thành các array theo nhiều phương pháp khác nhau nhằm đạt được điện áp đầu ra theo mong muốn

Hình 2 8 Mô hình kết nối một hệ thống PV

Trong thực tế với mỗi một cell PV chỉ có thể tạo ra một điện áp đầu ra ít hơn 1V (thường là 0.5V hay 0.6V) cho mỗi tinh thể silicon (Si) của pin PV Để đáp ứng

được điện áp đầu ra các Pin PV được kết nối lại với nhau để có thể đạt được mức

điện áp đầu ra theo yêu cầu thiết kế Khi kết nối lại các Pin PV được đặt lại trong

một khung (khối) chúng được gọi là module

Hình 2 9 Quá trình tạo module

Trên thực tế các module có nhiều kiểu kết nối nhưng thường sử dụng nhất có hai loại đó là: loại 36 cells và 72 cells kết nối lại với nhau Trong đó loại module có 36 cells có thể cung cấp cho đầu ra một cấp điện áp tầm khoảng 24V, còn loại 72 cells cho ra điện áp vào khoảng 44V Việc có các kiểu kết nối như trên là bởi trên thực tê hầu hết các hệ thống PV được sử dụng đều có pin dự phòng, hơn nữa với sự ra đời của các công nghệ cao về việc chuyển đổi điện áp DC/DC đã làm giảm bớt số module với yêu cầu điện áp cụ thể

năng lượng mặt trời trong loạt

Hình 2.11 cho thấy sự thay đổi điện áp tương ứng với số cell trong module

Hình 2 11 Đặc tính điện áp ra tương ứng số lượng cell

Số cell ghép nối tiếp càng nhiều, điện áp hở mạch càng tăng có nghĩa là đường cong I-V bị kéo dài theo chiều ngang

2.4.2 Ghép nối các module tạo thành hệ thống mảng (Array)

Để có một công suất và hiệu điện thế yêu cầu cho một hệ thống năng lượng cụ thể nào đó, có thể phải ghép nối nhiều module lại với nhau Có hai cách ghép cơ bản

là ghép nối tiếp và ghép song song Để có một hiệu điện thế lớn người ta phải ghép nối tiếp các module lại với nhau, còn để có một dòng điện lớn người ta dùng cách ghép song song các module Trong thực tế người ta thường phải ghép nối hỗn hợp

2.4.2.1 Ghép nối tiếp các module

a Ghép nối tiếp các module pin mặt trời giống nhau

Xét trường hợp ghép nối tiếp 2 module giống hệt nhau, nghĩa là: dòng đoản

tính VA của chúng giống nhau Nếu hai module này được ghép nối tiếp như hình 2.12a và nếu cường độ chiếu sáng là đồng đều trên cả hai module thì đối với hệ nối tiếp này ta có:

Dòng đoản mạch của hệ: ISC = ISC1 = ISC2

Thế hở mạch của hệ : VOC = VOC2 + VOC1 = 2VOC2 = 2VOC1 (2- 22)

Với các giá trị điện trở mạch ngoài trung bình, 0 < R < ∞ , thì dòng điện qua các module như nhau, thế trên tải bằng tổng các thế do các module gây ra trên tải một cách riêng rẽ : V = V1 + V2

Hình 2 12 Ghép nối tiếp hai module pin mặt trời giống nhau

Công suất điện do mỗi module cấp cho tải bằng nhau và tải nhận đựơc tổng công suất của hai module:

P = P1 + P2 = 2 P1 = 2 P2 (2- 23)

Như vậy cả hai module làm việc như hai máy phát tương đương Đường đặc trưng Von-Ampe của hệ bằng tổng hình học của hai đường đặc trưng của mỗi module (Mỗi điểm trên đường đặc trưng tổng suy ra bằng cách nhân lên 2 lần thế của đường đặc trưng của một module, còn dòng thì giữ không đổi- (Hình 2.12b) Toạ

độ của điểm làm việc tối ưu của hệ liên hệ với toạ độ của điểm làm việc tối ưu của module như sau:

IOPT = IOPT1 = IOPT2 ;

Do đó công suất điện tối ưu bằng:

Trường hợp có nhiều module giống nhau ghép nối tiếp, ta có thể suy ra:

n

i opti

P opt

P n

i opti

V opt

V iopt

I opt

I

n

i i P n

i i

IV IV

P

n

i i

V V

i

I n I I

I I

1

, 1

,

1 1

1

2 1

Trong đó : I, P, V, là dòng điện, công suất và hiệu điện thế của hệ pin nối tiếp ; Ii, Pi, Vi, là dòng điện, công suất, hiệu điện thế của module thứ i trong hệ.

b Ghép nối tiếp các module không giống nhau

Có hai module không giống nhau, giả sử module thứ 1 “tốt” hơn module thứ 2, nghĩa là:

Hình 2 13 Ghép nối tiếp hai module pin mặt trời không giống nhau

Nếu hệ làm việc ở điểm c, trong đó b < c < d, thì cả hai module 1 và 2 đều phát công suất điện dương cho tải ngoài R Cả hai hoạt động như các máy phát điện

không phát cũng không tiêu thụ năng lượng Tải tới hạn ứng với điểm làm việc b được xác định bằng biểu thức:

b I b V cs

Điểm a tương ứng với điều kiện đoản mạch của hệ Toàn bộ công suất điện do module 1 phát ra bị module 2 tiêu thụ hoàn toàn và công suất điện ở mạch ngoài bằng 0 Phần năng lượng điện module 2 nhận từ module 1 biến thành nhiệt, làm nóng module thứ 2 lên và có thể dẫn đến sự hư hỏng Hiệu ứng đó được gọi là hiệu ứng

“điểm nóng” (hot spot) Hiệu ứng “điểm nóng” xảy ra trên module “yếu nhất”, hay

với nhau, dẫn đến sự hư hỏng hệ hay làm giảm đáng kể hiệu suất biến đổi quang điện của hệ Pin mặt trời hay module pin mặt trời “yếu” được hiểu theo nghĩa là hoặc kém chất lượng so với các pin hay module khác trong dàn pin, hoặc nó bị che nắng trong khi các pin hay module khác được chiêú sáng, mặc dù chất lượng tất cả các pin là như nhau

2.4.2.2 Ghép song song các module

a Ghép song song các module pin mặt trời giống nhau

Đối với mạch ghép song song ta có:

- ở điều kiện đoản mạch: (R = 0):

Điểm làm việc tối ưu của hệ:

POPT = IOPT.VOPT = (IOPT1 + IOPT2)VOPT = POPT1 + POPT2 = 2POPT1 = 2POPT2 (2- 34)

Đường đặc trưng VA của hệ được suy ra bằng cách cộng các giá trị dòng điện I1 và I2 ứng với các giá trị điện thế V không đổi Từ hình vẽ ta thấy, cả hai module

đều làm việc như hai máy phát điện khi 0 < R < ∞ Kết quả trên có thể suy rộng cho trường hợp có nhiều module giống nhau mắc song song.

Hình 2 14 Ghép song song hai module pin mặt trời giống nhau

b Ghép song song các module không giống nhau

Giả sử có một hệ gồm một module “tốt”, gọi là số 1, được ghép song song với module “xấu” số 2 Hình 2.14 là các đường đặc trưng của các module và của cả hệ mắc song song

Tại điểm làm việc a trên đường đặc trưng của hệ, các cực của bộ pin bị ngắn

Nếu điểm làm việc là điểm nào đó trong đoạn ac của đường đặc trưng cuả hệ,

ví dụ điểm b, thì mỗi module đều làm việc như máy phát và hệ phát năng lượng cho tải mạch ngoài:

B 0

Hình 2 15 Ghép song song hai module pin mặt trời không giống nhau

Ở điểm này công suất của hệ chỉ do module 1 phát ra, còn module 2 không phát và cũng không tiêu thụ năng lượng

Nếu điểm làm việc của hệ trong khoảng giữa điểm c và điểm d thì chỉ có module 1 phát năng lượng, còn module 2 tiêu thụ năng lượng của module 1

điểm d, module 2 tiêu thụ hoàn toàn công suất do module1 phát ra, công suất mạch ngoài bằng 0 (Id = Id1 + Id2 = 0 , Pd = 0)

Như vậy trong trường hợp các module mắc song song, hiệu ứng “điểm nóng” cũng sẽ xảy ra trên các module “xấu” Hiện tượng trên sẽ xảy ra trên các pin mặt trời chất lượng “kém” nhất hay bị che nắng trong dàn module

od un 2

Bé so ng

2.5 Sự tồn tại của điểm làm việc cực đại

Xét một đường đặc trưng VA của pin mặt trời đối với một cường độ bức xạ cho trước và ở nhiệt độ xác định Nếu các cực của pin mặt trời được nối với một tải tiêu thụ điện R thì điểm cắt nhau của đường đặc trưng VA của pin mặt trời và đường đặc trưng của tải trong toạ độ OIV là điểm làm việc của pin mặt trời Nếu tải tiêu thụ điện của một pin mặt trời là một tải điện trở Ohm thuần, thì đường đặc trưng tải là một đường thẳng qua gốc toạ độ và có độ nghiêng đối với trục OV và tg = 1/R trên (hình 2.22) (theo định luật Ohm ta có I = V/R) Trong trường hợp này, công suất pin mặt trời cấp cho tải chỉ phụ thuộc vào giá trị điện trở R

Trong toạ độ OIV, công suất pin mặt trời cấp cho tải R bằng diện tích hình chữ nhật giới hạn bởi hoành độ và tung độ của điểm làm việc Với các giá trị R khác nhau, các điểm làm việc sẽ khác nhau và do đó công suất tải tiêu thụ cũng khác nhau

ứng với công suất cực đại, điểm A trên (hình 2.22), là điểm tiếp xúc giữa đường đặc

trưng VA của pin mặt trời và đường công suất không đổi (Đường công suất không đổi IV=const là các đường hypecbol)

định luật Ohm:

opt I opt V opt

ở điều kiện cường độ bức xạ không đổi và ở nhiệt độ cho trước có:

- Nếu điện trở tải R nhỏ, R < Ropt, pin mặt trời sẽ làm việc trong miền MN (hình

2.22) là miền mà cường độ dòng điện gần như không đổi và gần bằng dòng ngắn

mạch ISC

- Nếu điện trở tải R lớn, R > Ropt, pin mặt trời làm việc trong miền PS (hình

Rõ ràng là pin mặt trời chỉ làm việc có hiệu quả khi tải tiêu thụ điện có giá trị

việc ngay đối với một máy tiêu thụ điện cũng thay đổi Ngoài ra bức xạ mặt trời và nhiệt độ của môi trường thay đổi liên tục theo thời gian, nên đường đặc trưng VA

của pin mặt trời cũng thay đổi và do đó làm dịch chuyển điểm làm việc ra khỏi điểm làm việc tối ưu

Các thành phần trong sơ đồ như sau:

Bộ biến đổi DC/DC: biến đổi điện áp một chiều thành điện áp một chiều theo yêu cầu vận hành (có thể tăng áp, giảm áp)

Bộ biến đổi DC/AC: biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều theo yêu cầu của phụ tải (về biên độ và tần số)

Bộ theo dõi điểm làm việc cực đại: làm cho điểm vận hành của hệ thống luôn rơi vào điểm công suất cực đại của tấm pin mặt trời Hiện nay, để khai thác điểm cực đại này thì có thể thực hiện xoay dàn pin theo hướng mặt trời hoặc điều khiển bộ biến đổi DC/DC thông qua tín hiệu điều khiển Cũng tùy theo phương pháp điều khiển mà tín hiệu đầu vào có thể khác nhau Điều này sẽ được làm rõ trong các mục tiếp theo

Phụ tải mà pin mặt trời phải đáp ứng có thể là phụ tải một chiều (như các đèn chiếu sáng, nạp ắc quy ), phụ tải xoay chiều (quạt điện, máy tính, ) Càng qua ít bộ biến đổi, hiệu suất của hệ thống càng cao

Tấm pin mặt trời

Bộ biến đổi DC/DC

Bộ theo dõi điểm làm việc cực đại

Phụ tải xoay chiều

Tín hiệu điều khiểnMặt trời

Bộ biến đổi DC/AC

Phụ tải một chiều

3.2 Bộ biến đổi và vấn đề điều khiển bộ biến đổi trong hệ thống khai thác nguồn pin mặt trời

3.2.1 Bộ biến đổi DC/DC

Vai trò của một bộ biến đổi DC-DC trước hết là biến đổi một công suất điện vào P1= V1.I1 thành một công suất điện ra P0 = V0.I0 với hiệu suất = P0/P1 tốt nhất

có thể (hình 3.2)

Các bộ biến đổi DC-DC có thể chia thành hai loại:

- Bộ tăng áp V0 > V1 (Boost Converter)

- Bộ giảm áp V0 < V1 (Buck Converter)

3.2.1.1 Nguyên lý hoạt động của bộ tăng áp không cách ly [1]

Bản thân các module pin mặt trời có điện áp không cao, khi ghép nối tiếp thì điện áp của dàn pin cũng không cao trong khi yêu cầu của phụ tải lại cần điện áp cao, lúc này phải sử dụng bộ tăng áp (hình 3.3)

Ta có: V1 = V0 + L dIL

Khi K đóng, sự biến đổi dòng điện có thể biểu diễn bởi phương trình:

on L

on

L

V I

Giả thiết rằng Toff đủ nhỏ sao cho cả V1 và V0 không đổi, thì:

off on

L off

on

L

V V T

I T

0 1 1

V V T

T T V T

L

V V T

L

V

on

off on off

V

T LI T

T L

V T

Ở tần số cho trước

1

11

off

on T T

3.2.1.2 Nguyên lý hoạt động của bộ giảm áp không cách ly [1]

Khóa K trong mạch là những khóa điện tử BJT, MOSFET, hay IGBT Mạch Buck có chức năng giảm điện áp đầu vào xuống thành điện áp nạp ắc quy Khóa transitor được đóng mở với tần số cao Hệ số làm việc D của khóa được xác định theo công thức sau:

(3- 7)

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 đóng, khóa K đóng lại không cho dòng qua nữa, năng lượng 1 chiều từ đầu vào bằng 0 Tuy nhiên tải vẫn được cung cấp đầy đủ điện nhờ năng lượng lưu trên cuộn kháng và

tụ điện do Điot khép kín mạch 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 đóng

t

¾ dãng on

T T D

Hình 3 6 Dạng sóng điện áp và dòng điện của mạch BuckPhân tích mạch dựa trên sự cân bằng năng lượng qua chu kỳ đóng cắt của khóa: Năng lượng cấp cho tải trong toàn bộ chu kỳ = năng lượng thu từ nguồn trong thời gian khóa mở, và năng lượng cấp cho tải trong suốt thời gian K khóa = năng lượng lấy từ cuộn kháng và tụ điện trong thời gian K khóa.

Hay cũng có thể phân tích dựa trên phương pháp sau:

Ở điều kiện xác lập, sự cân bằng năng lượng trên cuộn kháng trong thời gian

Trong đó: Io là dòng tải = Vout/Rtải = giá trị trung bình của dòng điện cảm ứng

Từ các công thức trên suy ra:

Vout = Vin.D (3- 12)

Như vậy, điện áp ra có thể điều khiển được bằng cách điều khiển hệ số làm việc D thông qua một mạch vòng hồi tiếp lấy giá trị dòng điện nạp ắc quy làm chuẩn

Hệ số làm việc được điều khiển bằng cách phương pháp điều chỉnh độ rộng xung

PWM

Bộ Buck có cấu trúc đơn giản nhất, dễ hiểu và dễ thiết kế nhất, bộ Buck còn thường được dùng để nạp ắc quy nhưng nó có nhược điểm là dòng điện vào không liên tục vì khoá điện tử được bố trí ở vị trí đầu vào, vì vậy cần phải có bộ lọc tốt

Mạch Buck thích hợp sử dụng khi điện áp pin cao hơn điện áp ắc quy Dòng công suất được điều khiển bằng cách điều chỉnh chu kỳ đóng mở của khóa điện tử

Bộ Buck có thể làm việc làm việc tại điểm MPP trong hầu hết điều kiện nhiệt độ, cường độ bức xạ Nhưng bộ này sẽ không làm việc chính xác khi điẻm MPP xuống thấp hơn ngưỡng điện áp nạp ắc quy dưới điều kiện nhiệt độ cao và cường độ bức xạ xuống thấp Vì vậy để nâng cao hiệu quả làm việc, có thể kết hợp bộ Buck với thành phần tăng áp

3.2.1.3 Nguyên lý hoạt động của bộ DC/DC cách ly [1, 8]

Đây là kiểu nguồn xung truyền công suất dán tiếp thông qua biến áp Cho điện

áp đầu ra lớn hơn hay nhỏ hơn điện áp đầu vào Từ một đầu vào có thể cho nhiều điện áp đầu ra

on out in

I

off out

I

L 2

1 o max

I

Mạch có cấu tạo bởi 1 van đóng cắt và 1 biến áp xung Biến áp dùng để truyền công suất từ đầu vào cho đầu ra Điện áp đầu ra phụ thuộc vào băm xung PWM và tỉ

số truyền của lõi Như chúng ta đã biết chỉ có dòng điện biến thiên mới tạo được ra

từ thông và tạo được ra sức điện động cảm ứng trên các cuộn dây trên biến áp Do đây là điện áp một chiều nên dòng điện không biến thiên theo thời gian do đó ta phải dùng van đóng cắt liên tục để tạo ra được từ thông biến thiên Khi "Switch on " được đóng thì dòng điện trong cuộn dây sơ cấp tăng dần lên Cực tính của cuộn dây sơ cấp

có chiều như hình vẽ và khi đó bên cuộn dây thứ cấp sinh ra một điện áp có cực tính dương như hình vẽ Điện áp ở sơ cấp phụ thuộc bởi tỷ số giữa cuộn dây sơ cấp và thứ cấp Lúc này do diode chặn nên tải được cung cấp bởi tụ C Khi "Switch Off" được

mở ra Cuộn dây sơ cấp mất điện đột ngột lúc đó bên thứ cấp đảo chiều điện áp qua Diode cung cấp cho tải và đồng thời nạp điện cho tụ Trong các mô hình của nguồn xung thì nguồn Flybach được sử dụng nhiều nhất bởi tính linh hoạt của nó, cho phép thiết kế được nhiều nguồn đầu ra với 1 nguồn đầu vào duy nhất kể cả đảo chiều cực tính Các bộ biến đổi kiểu Flyback được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống sử dụng nguồn pin hoặc acqui, có một nguồn điện áp vào duy nhất để cung cấp cho hệ thống cần nhiều cấp điện áp(+5V,+12V,-12V)

Điện áp đầu ra của bộ biến đổi:

1

.

1

2

n

n f T

f T V

V

on

on in

f là tần số băm xung (T=1/f = (Ton + Toff))

C 1 C 2