GHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH BỘ NẠP ẮC QUY TỪ PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Đồ án này trìm bày phương pháp tìm điểm làm việc có công suất tối ưu của pin mặt trời (MPPT) bằng giải thuật PO. Sử dụng MatlabSimulink để xây dựng mô hình pin mặt trời mô phỏng giải thuật và sử dụng thực nghiệm để kiểm tra giải thuật. Kết quả mô phỏng và thựu nghiệm cho thấy sự cần thiết phải sử dụng MPPT trong hệ thống pin mặt trời và bằng việc sử dụng giải thuật PO. Hệ thống đã nhanh chóng đưa pin mặt trời vào làm việc tại điểm công suất tối ưu.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH

BỘ NẠP ẮC QUY TỪ PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI DÙNG PHƯƠNG PHÁP DÒ TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI

MỤC LỤC:

CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU VỀ PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Trang 5

1.1 NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Trang 5 1.2.PHÂN BỔ BỨC XẠ MẶT TRỜI, NHIỆT ĐỘ Ở TG VÀ VN Trang 5 1.3 ỨNG DỤNG CỦA NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Trang 6

CHƯƠNG 2

ĐẶC ĐIỂM PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Trang 9

2.1 MỞ ĐẦU Trang 9 2.2 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ VẬT LIỆU BÁN DẪN Trang 9 2.3 HIỆU ỨNG QUANG ĐIỆN Trang 10 2.3.1 Khái niệm Trang 10 2.3.2 Phân loại Trang 10 2.4 PIN MẶT TRỜI, CẤU TẠO NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CƠ BẢN Trang 11 2.5 CẤU TẠO & NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐIỐT QUANG P-N Trang 12 2.6 MODUN QUANG ĐIỆN Trang 13 2.7 MÔ PHỎNG PIN QUANG ĐIỆN Trang 16 2.8 ĐIỂM LÀM VIỆC TỐI ƯU CỦA PIN MẶT TRỜI Trang 18

CHƯƠNG 3

PHƯƠNG PHÁP DÒ TÌM ĐIỂM TỐI ƯU Trang 22

3.1 TỔNG QUAN VỀ MPPT Trang 22 3.2 GIỚI THIỆU CHUNG Trang 23 3.3 THUẬT TOÁN XĐ ĐIỂM LÀM VIỆC CÓ CÔNG SUẤT TỐI ƯU Trang 24 3.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP CỦA THUẬT TOÁN MPPT Trang 26 3.4.1 Phương pháp nhiễu loạn và quan sát P&O Trang 26 3.4.3 Phương pháp điện áp hằng số Trang 30

4.2 MÔ HÌNH HÓA Trang 36 4.3 TÍNH TOÁN MẠCH ĐỘNG LỰC Trang 39 4.3.1 Van đóng mở (Mosfet) Trang 39 4.3.2 Diot Trang 40 4.3.3 Cuộn cảm Trang 41 4.3.3.1 Tính toán giá trị cuộn cảm Trang 41 4.3.3.2 Thiết kế cuộn cảm Trang 43 4.3.4 Tụ điện Trang 47

CHƯƠNG 5

TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN PIC Trang 48

5.1 PIC LÀ GÌ ? Trang 48 5.1.1 Các dòng Pic và cách lựa chọn vi điều khiển PIC Trang 48 5.1.2 Ngôn ngữ lập trình cho pic Trang 49 5.1.3 Mạch nạp pic Trang 49 5.2 VI ĐIỀU KHIỂN PIC 16F886 Trang 50 5.2.1 Sơ đồ chân 16F886 Trang 50 5.2.2 Một vài thông số về PIC16F886A Trang 51 5.2.3 Sơ đồ khối vi điều khiển 16f886 Trang 54 5.2.4 Bộ nhớ dữ liệu Trang 55 5.2.5 Cổng xuất nhập PIC16F886 Trang 56 5.2.6 TIMER 0 Trang 56

CHƯƠNG 6

KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Trang 58

6.1 MÔ PHỎNG THỰC NGHIỆM Trang 58 6.2 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Trang 63

CHƯƠNG 7

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỒ ÁN Trang 64

7.1 KẾT LUẬN Trang 64 7.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỒ ÁN Trang 65 PHỤ LỤC Trang 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO Trang 69

LỜI NÓI ĐẦU

Nhân loại đang sống trong thế kỷ thứ 21- kỷ nguyên của sự phát triểnvượt bậc về khoa học công nghệ và ứng dụng các thành quả công nghệ mới.Đồng hành cùng sự phát triển này là sự tiêu tốn các nguồn năng lượng không táitạo là dầu mỏ, than đá, điện năng

Bên cạnh sự phát triển mạnh mẽ đó nhân loại cũng đang phải đối mặt vớinhiều nguy cơ do sự phát triển đó mang lại như hiệu ứng nhà kính, ô nhiễm môitrường, thiên tai, địch hoạ Theo ước tính của Liên Hợp Quốc thì trong vòngmột trăm năm qua nhân loại đã sử dụng khoảng 30% tổng trữ lượng dầu mỏ màthế giới có được và dự báo trong vòng 30 năm tiếp theo thì nhu cầu này sẽ tănglên gấp ba (số liệu tính đến tháng 5 năm 2008), tuy nhiên đối với mỗi quốc gia

và vùng lãnh thổ thì nhu cầu về năng lượng là không thể không có và nó là điềukiện tiên quyết cho sự phát triển của bản thân quốc gia đó, đặc biệt là đối vớicác quốc gia đang phát triển Vì thế, ý thức về việc sử dụng năng lượng hợp lý,tiết kiệm đã dần trở thành nhu cầu ở mỗi quốc gia và đòi hỏi các quốc gia phải

có những biện pháp tích cực để sử dụng năng lượng được hợp lý nhất?

Để có thể làm được việc này, thì bên cạnh việc sử dụng và quản lý nhucầu năng lượng hợp lý thì việc nghiên cứu, phát triển, ứng dụng và sử dụng cácnguồn năng lượng mới như năng lượng hạt nhân, năng lượng gió, năng lượngMặt Trời là vô cùng bức thiết bởi sự dồi dào, sẵn có và đặc biệt là không gây ônhiễm môi trường của các nguồn năng lượng này

Đối với năng lượng Mặt Trời nói riêng thì nhân loại đã nghiên cứu và ứngdụng nó từ những năm 40 của thế kỷ trước để chế tạo các Pin Mặt Trời cung cấpnăng lượng cho các vệ tinh nhân tạo Tuy nhiên phải đến những năm 70, saucuộc khủng hoảng dầu lửa đầu tiên trên thế giới thì việc nghiên cứu, phát triển

và ứng dụng Pin năng lượng Mặt Trời mới được quan tâm thực sự và đã pháttriển mạnh mẽ từ đó đến nay Ở các nước phát triển như Đức, Mỹ, Nhật Bản thìviệc sử dụng năng lượng Mặt Trời thay cho các nguồn năng lượng khác đã trởnên phổ biến và nhận được nhiều sự ủng hộ Còn với các nước nghèo hoặc đang

phát triển thì việc nghiên cứu, sử dụng các nguồn năng lượng này mới chỉ đạtđược các kết quả ban đầu, bởi chi phí ban đầu của một “HỆ THỐNG NĂNGLƯỢNG MỚI” là khá lớn và để có thể thay đổi được thói quen sinh hoạt củangười dân thì còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố

Riêng ở Việt Nam, các hoạt động nghiên cứu, ứng dụng và sử dụng cácnguồn năng lượng mới và năng lượng tái tạo nói chung cũng như năng lượngMặt Trời nói riêng trong những năm gần đây được triển khai khá mạnh mẽ Tuynhiên chưa được sâu rộng và mới chỉ dừng ở quy mô các dự án giành cho ngườinghèo được chính phủ và các tổ chức nước ngoài tài trợ, còn đối với đại đa sốngười dân thì vẫn không muốn sử dụng nguồn năng lượng này do chưa nhậnthức được ích lợi của nó cũng như giá thành chi phí ban đầu là quá cao trong khithu nhập bình quân của người dân lại ở mức thấp

Cuối cùng em xin chân thành cám ơn thầy giáo Bùi Tấn Lợi đã tận tìnhhướng dẫn, giúp đỡ em hoàn thành nhiệm vụ thiết kế đồ án này Cảm ơn cácthầy, cô giáo khoa điện của trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng đã truyền đạt rấtnhiều kiến thức bổ ích cho em trong suốt quá trình học tập

Đà Nẵng, tháng năm 2020 Sinh viên thực hiện

TÓM TẮT

Đồ án này trìm bày phương pháp tìm điểm làm việc có công suất tối ưucủa pin mặt trời (MPPT) bằng giải thuật P&O Sử dụng Matlab/Simulink để xâydựng mô hình pin mặt trời mô phỏng giải thuật và sử dụng thực nghiệm để kiểmtra giải thuật

Kết quả mô phỏng và thựu nghiệm cho thấy sự cần thiết phải sử dụngMPPT trong hệ thống pin mặt trời và bằng việc sử dụng giải thuật P&O Hệthống đã nhanh chóng đưa pin mặt trời vào làm việc tại điểm công suất tối ưu

CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

1.1 NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Năng lượng mặt trời hay bức xạ mặt trời là năng lượng phát ra bởi ánhnắng mặt trời, đặc biệt là năng lượng điện từ có bước sóng từ 0,28 đến 3,0 µm.Khoảng một nửa của bức xạ là ở phần sóng ngắn (0,38…0,78 µm) nhìn thấyđược trong dải quang phổ điện từ, nửa còn lại chủ yếu là ở phần gần hồng ngoại(0,78…3,0 µm), với một số ở phần cực tím (0,28…0,38 µm) của quang phổ

Quang phổ của ánh sáng Mặt Trời mà ta thu được trên Trái Đất là quangphổ vạch hấp thụ

1.2 PHÂN BỔ BỨC XẠ MẶT TRỜI, NHIỆT ĐỘ Ở TG VÀ VIỆT NAM

Năng lượng mặt trời thay đổi bởi vì sự chuyển động tương đối của mặttrời Sự thay đổi này còn phụ thuộc vào giờ trong ngày và các mùa trong năm.Nhìn chung bức xạ mặt trời có nhiều vào buổi trưa hơn là lúc sáng sớm và chiềutối Vào giữa trưa, mặt trời ở vị trí cao nhất trên bầu trời và đường đi của tianắng mặt trời xuyên qua bầu khí quyển của trái đất được rút ngắn Do đó, bức xạmặt trời ít bị tán xạ hay hấp thụ và bức xạ đến bề mặt trái đất sẽ càng nhiều

Lượng năng lượng mặt trời đến bề mặt trái đất thay đổi theo năm, từ mứctrung bình dưới 0,8 kWh/m2 mỗi ngày trong suốt mùa đông ở miền Bắc củaChâu Âu đến hơn 4 kWh/m2 mỗi ngày trong suốt mùa hè ở khu vực này Sựkhác biệt này giảm dần về gần xích đạo Lượng bức xạ toàn cầu trung bình hàngnăm tác động đến bề mặt trái đất lên đến xấp xỉ 1.000 kWh/m2 ở Trung Âu,Trung Á và Canada; 1.700 kWh/m2 ở Địa Trung Hải và xấp xỉ 2.200 kWh /m2

ở hầu hết các khu vực xích đạo châu Phi, các nước Á Đông, các sa mạc ở Úc.Năng lượng mặt trời ở Việt Nam có sẵn quanh năm, khá ổn định và phân bốrộng rãi trên các vùng miền khác nhau của đất nước Đặc biệt, số ngày nắngtrung bình trên các tỉnh của miền trung và miền nam là khoảng 300 ngày/năm

Hình 1.1: Biểu đồ cường độ bức xạ mặt trời

Bảng 1.1 Giá trị trung bình cường độ bức xạ MT ngày trong năm và số giờ nắng của một số khu vực khác nhau ở Việt Nam:

1.3 ỨNG DỤNG CỦA NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Năng lượng mặt trời là một trong những nguồn năng lượng tái tạo quantrọng nhất đạt được nhiều sự quan tâm trong những năm gần đây Năng lượngmặt trời rất dồi dào; nó có trữ lượng lớn nhất so với các nguồn năng lượng khác.Lượng năng lượng cung cấp cho trái đất trong một ngày của mặt trời đủ để cungcấp nhu cầu năng lượng năng lượng của trái đất trong một năm Năng lượng mặttrời sạch và không có khí thải, vì sản xuất nó không gây ô nhiễm hoặc có các sảnphẩm có hại cho thiên nhiên Việc chuyển đổi năng lượng mặt trời thành nănglượng điện có trong nhiều lĩnh vực ứng dụng Năng lượng mặt trời chuyển đổinăng lượng điện có thể được thực hiện theo hai cách: quang điện năng lượngmặt trời và nhiệt năng năng lượng mặt trời Năng lượng mặt trời nhiệt tương tự

như thế hệ điện AC thông thường bằng chạy tuabin hơi nước thay vì nhiên liệuhóa thạch; nhiệt chiết xuất từ tia mặt trời tập trung được sử dụng để sản xuất hơinước và ngoài ra được lưu trữ trong các thùng cách nhiệt cho việc sử dụng trongquá trình gián đoạn của ánh nắng mặt trời hay ban đêm các tế bào sử dụng điệnmặt trời làm bằng silicon hoặc một số loại vật liệu bán dẫn mà chuyển đổi nănglượng ánh sáng được hấp thụ từ ánh nắng mặt trời sự vào động cơ điện Để bùđắp cho quá trình gián đoạn trong thời gian đêm nên việc tạo ra pin lưu trữ điện

là cần thiết

Gần đây, nghiên cứu và phát triển của tấm màn hình phẳng năng lượngmặt trời chi phí thấp, thiết bị màng mỏng, hệ thống tập trung, và nhiều khái niệmsáng tạo đã tăng lên Trong tương lai gần, các chi phí của các đơn vị mô-đunnăng lượng mặt trời công suất nhỏ và các nhà máy năng lượng mặt trời sẽ cótính khả thi về mặt kinh tế cho sản xuất và sử dụng năng lượng mặt trời quy môlớn

Trong đồ án này, chúng ta sẽ trình bày các hoạt động quang điện nănglượng mặt trời Cách quan trọng nhất để tăng hiệu suất của một bảng điều khiểnnăng lượng mặt trời là sử dụng phương pháp dò tìm đỉnh công suất tối ưu củamột thiết bị điện tử công suất làm tăng đáng kể hiệu quả của hệ thống Bằngcách sử dụng hệ thống hoạt động điều chỉnh đỉnh công suất và sản xuất sảnlượng điện năng tối ưu của nó Như vậy, phương pháp dò tìm đỉnh công suất đãtối ưu hóa hiệu quả sắp xếp, do đó làm giảm chi phí hệ thống tổng thể

Ngoài ra, chúng ta cố gắng để thiết kế các bộ dò tìm công suất đỉnh tối ưubằng cách sử dụng các thuật toán của phương pháp dò tìm công suất đỉnh tối ưu

là "nhiễu loạn và Quan sát" và thực hiện nó bằng cách sử dụng một bộ chuyểnđổi DC-DC Chúng ta đã tìm thấy nhiều loại bộ chuyển đổi DC-DC Trong số

đó, chúng ta đã lựa chọn chuyển đổi phù hợp nhất đó là chuyển đổi "Buck", chothiết kế Thế hệ hệ thống phát điện PV thường sử dụng một vi điều khiển dựatrên điều khiển sạc kết nối với pin và tải Một bộ điều khiển sạt được sử dụng đểduy trì điện áp sạc thích hợp trên pin Khi điện áp đầu vào từ các mảng năng

lượng mặt trời, bộ điều khiển phụ trách quy định sạt cho pin ngăn ngừa bất kỳquá mức Vì những tính năng tốt, vững chắc và đáng tin cậy điều khiển sạt PV làmột thành phần quan trọng của bất kỳ hệ thống sạc pin PV để đạt được tối ưuhiệu quả hệ thống Trong khi thiết kế vi điều khiển dựa trên có thể cung cấp điềukhiển thông minh hơn và do đó làm tăng hiệu quả của hệ thống.

pin Mặt Trời

Trong công nghệ nhiệt Mặt Trời người ta thường sử dụng hệ thống cácgương hội tụ để thu năng lượng Mặt Trời tạo thành các nguồn nhiệt có mật độnăng lượng cao và do đó có nhiệt lượng rất cao, có thể làm bốc hơi nước ở nhiệt

độ và áp suất lớn Hơi sinh ra với áp suất lớn sẽ làm quay các tuabin để sản xuấtđiện năng

Trong giới hạn của đề tài chúng em chỉ xin đề cập đến công nghệ pin MặtTrời Pin Mặt Trời là thiết bị sử dụng biến đổi trực tiếp năng lượng Mặt Trờithành năng lượng điện nhờ vào các tế bào quang điện Các Panel này còn sảnxuất ra năng lượng chừng nào còn có bức xạ Mặt Trời chiếu tới nó Các hệthống Panel hay Pin Mặt Trời rất đơn giản, không có phần chuyển động, khôngcần đòi hỏi chăm sóc bảo dưỡng thường xuyên như những hệ thống khác, đặcbiệt không ô nhiễm môi trường nên đã được quan tâm nghiên cứu, phát triển vàứng dụng ngày càng mạnh mẽ vào khoa học kỹ thuật và cuộc sống Sau đâychúng ta sẽ tìm hiểu đôi chút về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các đặc trưng

cơ bản của Pin Mặt Trời và ứng dụng mạnh mẽ của nó…

2.2 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ VẬT LIỆU BÁN DẪN

Bán dẫn là nhóm các loại vật chất có điện dẫn điện tử mà trị số điện trởsuất của chúng ở nhiệt độ bình thường nằm trong khoảng giữa điện trở suất củavật dẫn và điện môi

Điện dẫn của vật liệu bán dẫn phụ thuộc nhiều vào năng lượng tác động

bên ngoài, cũng như các tạp chất khác nhau Với một lượng tạp chất cực nhỏtrong chất bán dẫn cũng đã làm thay đồi điện dẫn của chất này Mặt khác điệndẫn của chất bán dẫn có thể thay đổi bằng sự tác động của nhiệt độ, độ chiếusáng, điện trường, lực cơ học v.v

Chất bán dẫn có hai lọai điện dẫn là điện dẫn mang điện tích tự do (n) vàđiện dẫn chứa nhiều lỗ trống tự do mang điện tích dương (p) Khả năng sử dụngmặt tiếp giáp p-n là cơ sỏ để áp dụng chất bán dẫn trong kỹ thuật điện Nó đượcdùng làm chỉnh lưu công suất lớn cũng như công suất nhỏ, khuyếch đại và phátsóng

Các hệ thống bán dẫn có thể dung để biến đổi các dạng năng lượng khácthành năng lượng điện với hiệu suất tương đương Pin mặt trời và kiểu máy phátnhiệt điện là những ví dụ về sự biến đổi bán dẫn

2.3 HIỆU ỨNG QUANG ĐIỆN

2.3.1 Khái niệm

Là sự tương tác giữa ánh sáng và điện tử phân bố ở bề mặt của kim loại.Khi chiếu một chùm sáng có một bước sóng đủ ngắn vào bề mặt của một số kimloại, ánh sáng sẽ kích thích dao động của các điện tử phân bố ở bề mặt của kimloại đó làm điện tử bật ra khỏi bề mặt kim loại Kim loại được đặt trong mộttrường điện thế thì những điện tử đó sẽ chuyển động ngược chiều với chiềutrường điện thế và tạo ra dòng điện

2.3.2 Phân loại

Khi các điện tử bị bật ra khỏi bề mặt của tấm kim loại, ta có hiệu ứng quang điện ngoài (external photoelectric effect) Các điện tử không thể phát ra nếu tần số của bức xạ nhỏ hơn tần số ngưỡng bởi điện tử không được cung cấp

đủ năng lượng cần thiết để vượt ra khỏi rào thế (gọi là công thoát)

Điện tử phát xạ ra dưới tác dụng của bức xạ điện từ được gọi là quangđiện tử.Trong nhiều vật liệu, hiệu ứng quang điện ngoài không xảy ra mà chỉxảy ra hiện tượng quang điện trong (thường xảy ra với các chất bán dẫn)

Khi chiếu các bức xạ điện từ vào các chất bán dẫn, nếu năng lượng củaphoton đủ lớn (lớn hơn độ rộng vùng cấm của chất, năng lượng này sẽ giúp chođiện tử dịch chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, do đó làm thay đổi tính chấtđiện của chất bán dẫn (độ dẫn điện của chất bán dẫn tăng lên do chiếu sáng).Hoặc sự chiếu sáng cũng tạo ra các cặp điện tử - lỗ trống cũng làm thay đổi cơbản tính chất điện của bán dẫn Hiệu ứng này được sử dụng trong cácphotodiode, phototransitor, pin mặt trời

Hình 2.2: Mô hình pin thực tế

2.4 PIN MẶT TRỜI, CẤU TẠO NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CƠ BẢN

Pin mặt trời hay pin quang điện (Solar panel) bao gồm nhiều tế bào quang

Hình 2.1: Hiệu ứng quang điện

điện (solar cells) – là phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các

điốt quang p-n

Pin Mặt Trời ngày nay được sản xuất chủ yếu từ vật liệu tinh thể bán dẫnsilicon (Si) có hóa trị 4 Để có vật liệu tinh thể bán dẫn tinh khiết loại n thìngười ta pha vào tinh thể Si tạp chất là Photpho hóa trị 5 gọi là Donor, còn đểtạo ra bán dẫn loại P thì người ta pha vào Si là Bo hóa trị 3 gọi là Acceptor Đốivới pin Mặt Trời làm từ vật liệu tinh thể Si, khi được chiếu sáng thì hiệu điện thế

hở mạch giữa hai bản cực khoảng 0,55V, dòng đoản mạch của nó dưới bức xạMặt Trời 1000W/m2 khoảng 30mA/cm2

Ngoài pin làm từ vật liệu tinh thể Si, người ta còn nghiên cứu chế tạo thửnghiệm từ các loại vật liệu khác có nhiều hứa hẹn như hệ bán dẫn hợp chấtnhóm 3-5, như hợp chất đồng-cadimi sunfit (CuCdS), Galium-Arsent(GaAs),

2.5 CẤU TẠO & NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐIỐT QUANG P-N

Khi đã có được hai chất bán dẫn là p và n , nếu ghép hai chất bán dẫn theomột tiếp giáp p- n ta được một điốt, tiếp giáp p-n có đặc điểm: Tại bề mặt tiếpxúc, các điện tử dư thừa trong bán dẫn n khuyếch tán sang vùng bán dẫn p để lấpvào các lỗ trống từ đó tạo thành một lớp Ion trung hoà về điện, lớp Ion này tạothành miền cách điện giữa hai chất bán dẫn

Hình 2.3: Tiếp xúc p-n, cấu tạo điốt

Khi ánh sáng mặt trời chiếu xuống 1 điốt quang thì 1 trong 2 điều sau sẽxảy ra:

1 Photon truyền trực tiếp xuyên qua chất bán dẫn Điều này thường xảy

ra khi năng lượng của photon thấp hơn năng lượng đủ để đưa các điện tử lênmức năng lượng cao hơn.

2 Năng lượng của photon được hấp thụ bởi chất bán dẫn Điều nàythường xảy ra khi năng lượng của photon lớn hơn năng lượng để đưa các điện tửlên mức năng lượng cao hơn

Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó được truyền đến lớp màngIon trung hòa làm bật điện tích ra khỏi lỗ trống đi tới lớp p, khi đó 1 lỗ trống sẽ

dư ra và lỗ trống này tạo điều kiện cho các điện tích lân cận nó di chuyển đếnđiền vào lỗ trống cứ tiếp tục như vậy ta được dòng điện 1 chiều trong điốt bándẫn

Một photon chỉ cần có năng lượng lớn hơn năng luợng đủ để kích thíchđiện tích lớp ngoài cùng dẫn điện Tuy nhiên, tần số của mặt trời thường tươngđương 6000°K, vì thế nên phần lớn năng lượng mặt trời đều được hấp thụ bởisilic Tuy nhiên hầu hết năng lượng mặt trời chuyển đổi thành năng lượng nhiệtnhiều hơn là năng lượng điện sử dụng được

2.6 MODUN QUANG ĐIỆN

Ngày nay, quang điện vẫn là nguồn năng lượng tương đối đắt tiền Vì vậy,điều quang trọng là phải sử đụng pin mặt trời đúng cách để đạt được công suấttối ưu Để đạt được điều này, các tấm pin phải được bố trí ở 1 vị trí cố địnhnghiêng về phía nam để tối ưu hóa việc sản xuất năng lượng hàng ngày à buổitrưa Sự định hướng tấm pin cố định cần được chọn cẩn thận để nhận được nănglượn cực đại theo mùa trong năm Khi cần có thể điều chỉnh hướng đặt pin theođịnh kỳ Cơ bản, các tấm pin có 1 điểm hoạt động tối ưu gọi là điểm công suấtcực đại (MPP) Đó là điểm mà các tấm pin có thể phát công suất tối ưu từ ánhsáng mặt trời

Mạch điện gồm dòng quang điện, IPH ,điốt, điện trở dòng dò RSH và điệntrở nối tiếp Rs, đặc tính I-V của pin mô tả bằng biểu thức 2.1

I=IPH - IS[ exp(k T q

c A (V+IR) -1) - V + I R s

R SH ] (2.1)Mạch điện tương đương cho pin mặt trời

Hình 2.4: Mạch điện tương đương của pin mặt trời

Trong đó:

IPH = dòng quang điện (A)

Is = dòng bão hòa (A)

q = điện tích của electron, q=1,6x10-19 C

k = nhiệt độ vận hành của pin (K)

A = hệ số lý tưởng phụ thuộc vào công nghệ chế tạo pin, ví dụ công nghệSi-mono A=1,2, Si-Poly A=1,3…

Dòng quang điện IPH phụ thuộc trực tiếp vào bức xạ mặt trời và nhiệt độcủa pin

IPH = [ Isc + Ki (Tc - Tref)] λ (2.2)

Trong đó:

Isc = dòng ngắn mạch tại nhiệt độ tiêu chuẩn 250C (A) và bức xạ 1kW/m2

Ki = hệ số dòng điện phụ thuộc vào nhiệt độ (A/0C)

Tc = Nhiệt độ vận hành của pin mặt trời (0K)

Tref = Nhiệt độ tiêu chuẩn của pin mặt trời (0K)

λ = Bức xạ mặt trời (kW/m2)

Mặt khác, dòng bão hòa Is là dòng các hạt tải điện không cơ bản được tạo

ra do kích thích nhiệt Khi nhiệt độ của pin mặt trời tăng theo dòng bão hòa cũngtăng theo hàm mũ:

IRS = Dòng điện bão ngược bão hòa tại nhiệt dộ tiêu chuẩn (A)

EG = Năng lượng lỗ trốn của chất bán dẫn

Đối với pin mặt trời lý tường, điện trở dòng rò RSH = ∞, Rs = 0 Khi đómạch điện tương đương của pin mặt trời được cho bởi hình 2.5

Hình 2.5: Mô phỏng pin mặt trời lý tưởng

Khi đó biểu thức (2.1) có thể được mô tả như biểu thức 2.4:

I = IPH - IS[ exp( k T qV

mô đun pin mặt trời gồm có Np nhánh song song và Ns pin nối tiếp được mô tảnhư hình 2.6

Hình 2.6: Mô đun pin mặt trời

2.7 MÔ PHỎNG PIN QUANG ĐIỆN

Mạch điện hình 2.5 được miêu tả như biểu thức:

I = NpIPH - NsIs[ exp(N s qV k T c A – 1) ] (2.6)

Pin mặt trời chuyển 1 phần năng lượng mặt trời thành năng lượng điện,nhưng một phần đó chuyển thành nhiệt cộng với pin mặt trời có màu dễ hấp thụnhiệt nên nhiệt độ vận hành của pin có thể cao hơn nhiệt độ môi trường Nhiệt

độ pin dưới các điều kiện khác nhau có thể được đánh giá qua nhiệt độ vận hànhbình thường (NOCT) NOCT được định nghĩa là nhiệt độ của pin dưới điều kiệnmôi trường 200C, bức xạ mặt trời 0,8 kW/m2, tốc độ gió < 1m/s

Công thức sau được sử dụng để tính toán sự khác nhiệt độ môi trường(TAmb) và nhiệt độ vận hành pin mặt trời (Tc):

Tc = TAmb + (T NOCT−20

0,8 ¿λ (2.7)

Đặc tính I-V tương ứng với bức xạ được mô tả như hình 2.6 và hình 2.7

Hình 2.7: Đặc tuyến I-V với các bức xạ khác nhau

Hình 2.8: Đặc tuyến P-V với các bức xạ khác nhau

2.8 ĐIỂM LÀM VIỆC TỐI ƯU CỦA PIN MẶT TRỜI

Hình 2.9: Đặc tuyến I –V, P-V của pin mặt trời với điểm công suất cực đại

Về cơ bản, trên đường đặc tuyến PV của pin mặt trời tồn tại một điểmcông suất cực đại ứng với dòng điện và điện áp tương ứng

Tuy nhiên, điểm cực đại này không cố định, chúng luôn thay đổi theo điềukiện môi trường ( Hình 2.8) Vì vậy, chúng ta cần điều khiển để điện áp hoặcdòng điện để thu được công suất cực đại từ pin mặt trời khi nhiệt độ và bức xạthay đổi sử dụng bộ tìm kiếm công suất cực đại

Hình 2.10: Các điểm MPP dưới các điều kiện thay đổi

Hình 2.9 giới thiệu sơ đồ khối của hệ thống MPPT tiêu biểu Hầu hết các

bộ MPPT hiện nay gồm có ba phần cơ bản: Bộ chuyển đổi DC/DC, bộ phận đolường và bộ phận điều khiển

Khi pin mặt trời được nối tiếp với tải, điểm vận hành của pin mặt trờiđược điều khiển bởi tải Tổng trở của tải được miêu tả như sau:

RLOAD = V o

I o (2.8)

Trong đó, Vo, Io là điện áp và dòng điện phát của pin mặt trời

Tổng trở tối ưu của tải cho pin mặt trời được miêu tả như sau:

Thông thường bộ biến đổi DC/DC được phục vụ cho việc truyền côngsuất từ pin mặt trời tới tải Bộ DC/DC hoạt động như thiết bị giao tiếp giữa tảvới pin mặt trời Bằng việc thay đổi độ rộng xung, tổng trở tải nhìn từ nguồn sẽđược thay đổi bằng với tổng trở nguồn tại điểm cực đại, vì vậy công suất cực đạicung cấp cho tải

Hình 2.11: Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển MPPT tiêu biểu

Giả sử, đối với mạch giảm áp DC/DC, ta có

Vout = D.Vin (2.10)

Trong đó, Vout là điện áp đầu ra, Vin điện áp đầu vào, khi đó:

I¿

I OUT=¿ V V OUT¿ (2.14)

Hình 2.12: Bộ DC/DC giúp kéo công suất cực đại từ pin mặt trời

Tổng trở đầu vào của bộ DC/DC là:

Rin = ( 1 – D )2 Rout (2.15)

Vì vậy, tổng trở Rout được duy trì hằng số bằng việc thay đổi độ rộng xung, khi đó Rin nhìn từ phía nguồn sẽ thay đổi

bị điện tử công suất ghép nối nguồn điện PV với tải để khuyếch đại nguồn côngsuất ra khỏi nguồn pin mặt trời khi điều kiện làm việc thay đổi, và từ đó có thểnâng cao được hiệu suất làm việc của hệ MPPT được ghép nối với bộ biến đổiDC/DC và một bộ điều khiển.

Hình 3.1: Bộ điều khiển MPPT trong hệ thống pin mặt trời

Bộ điều khiển MPPT có thể là bộ điều khiển tương tự truyền thống Tuynhiên, việc sử dụng bộ điều khiển số đang ngày càng thịnh hành vì nó có nhiều

ưu điểm hơn bộ điều khiển tương tự Thứ nhất là, bộ điều khiển số có thể lậptrình được vì vậy khả năng thực hiện các thuật toán cao cấp sẽ dễ dàng hơn Nó

dễ dàng mã hoá biểu thức, ví dụ x = yxz, hơn là thiết kế một mạch điện tương tự

để thực hiện cùng một biểu thức đó Nhờ lý do này mà việc hiệu chỉnh ở bộ điềukhiển số được thực hiện dễ dàng hơn nhiều so với bộ điều khiển tương tự Mặtkhác bộ điều khiển số không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi về nhiệt độ và thờigian vì bộ này hoạt động rời rạc, bên ngoài các thành phần tuyến tính Vì vậy,

bộ điều khiển số có trạng thái ổn định lâu hơn

Không chỉ có vậy, bộ điều khiển MPPT số không phụ thuộc vào dungsai của các bộ phận khác vì nó thực hiện thuật toán ở phần mềm, nơi mà cácthông số có thể được giữ ổn định hoặc thay đổi được.

Bộ điều khiển loại này cho phép giảm số lượng thành phần vì nó chỉdùng một chíp đơn để làm nhiều nhiệm vụ khác nhau Nhiều bộ điều khiển sốđược trang bị thêm bộ biến đổi A/D nhiều lần và nguồn tạo xung PWM, vì vậy

nó có thể điều khiển được nhiều thiết bị chỉ với một bộ điều khiển đơn lẻ.Vìnhững ưu điểm của bộ điều khiển số mà đồ án sẽ chọn phương pháp điều khiển

số cho MPPT Việc thiết kế và mô phỏng MPPT sẽ được thực hiện ở chương 3với bộ vi xử lý hoặc DSP và các thuật toán thực hiện

3.2 GIỚI THIỆU CHUNG

Khi một tấm PV được mắc trực tiếp vào một tải, điểm làm việc của tấm

PV đó sẽ là giao điểm giữa đường đặc tính làm việc I – V và đường đặc tính I –

V của tải Giả sử nếu tải là thuần trở thì đường đặc tính tải là một đường thẳngtắp với độ dốc là 1/Rtải

Hình 3.2: Tấm pin mặt trời mắc trực tiếp với một tải thuần trở có thể thay đổi giá trị

Nói cách khác, trở kháng của tải bám theo điều kiện làm việc của pin Nóichung, điểm làm việc hiếm khi ở đúng tại vị trí có công suất lớn nhất, vì vậy nó

sẽ không sinh ra công suất lớn nhất Mạng nguồn pin mặt trời thường bị quá tải khi phải bù cho một lượng công suất thấp vào thời gian ánh sáng yếu kéo dài như trong mùa đông Sự không thích ứng giữa tải và các tấm pin mặt trời thường

làm cho nguồn pin mặt trời bị quá tải và gây ra tổn hao trong toàn hệ thống.

Hình 3.3: Đặc tính làm việc I-V của PV và của tải (có thể thay đổi giá trị)

Để giải quyết vấn đề này, phương pháp MPPT được sử dụng để duy trìđiểm làm việc của nguồn điện pin tại đúng điểm có công suất lớn nhất MPPT.Phương pháp MPPT có thể xác định chính xác đến 97% điểm MPPT

3.3 THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH ĐIỂM LÀM VIỆC CÓ CÔNG SUẤT TỐI ƯU MPPT

Như đã nói ở trên, điểm làm việc có công suất lớn nhất MPP định trênđường đặc tính I –V luôn thay đổi dưới điều kiện nhiệt độ và cường độ bức xạthay đổi

Hình 3.4: Đường đặc tính làm việc của pin khi cường độ bức xạ thay đổi ở cùng một mức

nhiệt độ

Chẳng hạn, hình vẽ 3.4 thể hiện đường đặc tính làm việc I – V ở những mức cường độ bức xạ khác nhau tăng dần ở cùng một giá trị nhiệt độ (25oC) và

hình 4.4 thể hiện các đường đặc tính làm việc ở cùng một mức cường độ bức xạnhưng với nhiệt độ tăng dần.

Hình 3.5: Đặc tính làm việc I – V của pin khi nhiệt độ thay đổi ở cùng một mức cường độ bức

xạ

Từ hai hình vẽ này, ta nhận thấy có sự dịch chuyển điện áp quan sátđược ở vị trí của điểm MPP Vì vậy điểm MPP cần phải dùng thuật toán để xácđịnh Thuật toán này là trung tâm của bộ điều khiển MPPT

Thuật toán MPPT được coi là một phần không thể thiếu trong hệ PV,được áp dụng với mong muốn nâng cao hiệu quả sử dụng của dãy pin mặt trời

Nó được đặt trong bộ điều khiển bộ biến đổi DC/DC Các thuật toán MPPTđiều khiển của bộ biến đổi DC/DC sử dụng nhiều tham số, thường là các tham

số như dòng PV, điện áp PV, dòng ra, điện áp ra của bộ DC/DC

Các thuật toán này được so sánh dựa theo các tiêu chí như hiệu quảđịnh điểm làm việc có công suất lớn nhất, số lượng cảm biến sử dụng, độphức tạp của hệ thống, tốc độ biến đổi…Nhìn chung có rất nhiều thuật toánMPPT đã được nghiên cứu và ứng dụng trên nhiều hệ thống Một phươngpháp đo điện áp hở mạch Voc của các pin mặt trời cứ 30 giây một lần bằngcách tách pin mặt trời ra khỏi mạch trong một khoảng thời gian ngắn Sau khinối mạch trở lại, điện áp pin được điều chỉnh lên 76% của Voc Tỷ lệ % nàyphụ thuộc vào loại pin mặt trời sử dụng Việc thực hiện phương pháp điều

khiển mạch hở này đơn giản và ít chi phí mặc dù hiệu quả MPPT là thấp (từ73% đến 91%) Phương pháp tính toán cũng có thể dự đoán vị trí của điểmMPPT, tuy nhiên trong thực tế, phương pháp này làm việc không hiệu quả vì

nó không theo được những thay đổi vật lý, tuổi thọ của tấm pin và các ảnhhưởng bên ngoài khác như bóng của các vật cản …

3.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP CỦA THUẬT TOÁN MPPT

Có một số phương pháp thông thường cho MMPT Bảy trong số đó đượcliệt kê ở đây Những phương pháp này bao gồm:

1. Phương pháp điện áp không đổi

2. Phương pháp điện áp hở mạch

3. Phương pháp ngắn mạch dòng điện

4. Phương pháp gây nhiễu và quan sát

5. Phương pháp gia tăng dẫn điện

6. Phương pháp nhiệt độ

7. Phương pháp giới hạn nhiệt độ

Trong khuôn khổ của đồ án này chỉ phân tích 3 phương pháp MPPTđược ứng dụng rộng rãi và đã trở nên phổ biến, quen thuộc và cho được một

số hiệu quả làm việc sau đây: Phương pháp nhiễu loạn và quan sát P&O,phương pháp điện dẫn gia tăng INC và phương pháp điện áp hằng số

3.4.1 Phương pháp nhiễu loạn và quan sát P&O.

Đây là một phương pháp đơn giản và được sử dụng thông dụng nhất nhờ

sự đơn giản trong thuật toán và việc thực hiện dễ dàng Thuật toán này xem xét

sự tăng, giảm điện áp theo chu kỳ để tìm được điểm làm việc có công suất lớnnhất Nếu sự biến thiên của điện áp làm công suất tăng lên thì sự biến thiên tiếptheo sẽ giữ nguyên chiều hướng tăng hoặc giảm Ngược lại, nếu sự biến thiênlàm công suất giảm xuống thì sự biến thiên tiếp theo sẽ có chiều hướng thay đổi

ngược lại Khi điểm làm việc có công suất lớn nhất được xác định trên đường

cong đặc tính thì sự biến thiên điện áp sẽ dao động xung quanh (điểm MPP)điểm làm việc có công suất lớn nhất đó.

Hình 3.6: Phương pháp tìm điểm làm việc công suất lớn nhất P&O

Sự dao động điện áp làm tổn hao công suất trong hệ quang điện, đặc biệt những khi điều kiện thời tiết thay đổi chậm hay ổn định Vấn đề này có thể giải quyết bằng cách điều chỉnh logic trong thuật toán P&O là sẽ so sánh các tham sốtrong hai chu kỳ trước

Một cách khác để giải quyết việc hao hụt công suất quanh điểm MPP là giảm bước tính biến thiên xuống, nhưng khi điều kiện thời tiết thay đổi, thuật toán này sẽ trở nên chậm chạp hơn trong việc bám theo điểm MPP và công suất

sẽ bị hao hụt nhiều hơn Như vậy, nhược điểm chính của phương pháp này là không tìm được chính xác điểm làm việc có công suất lớn nhất khi điều kiện thời tiết thay đổi Đặc điểm của phương pháp này là phương pháp có cấu trúc đơn giản nhất nhất và dễ thực hiện nhất ,trong trạng thái ổn định điểm làm việc

sẽ dao động xung quanh điểm MPP, gây hao hụt một phần năng lượng

Phương pháp này không phù hợp với điều kiện thời tiết thay đổi thườngxuyên và đột ngột

Hình 3.7: Lưu đồ thuật toán P&O điều khiển thông qua điện áp tham

chiếu Vref

3.4.2 Phương pháp điện dẫn gia tăng INC

Đây là phương pháp khắc phục những nhược điểm của phương pháp P&Otrong trường hợp điều kiện thời tiết thay đổi đột ngột Phương pháp này cơ bảndựa trên đặc điểm là: độ dốc của đường đặc tính pin bằng 0 tại điểm MPPT, độdốc này là dương khi ở bên trái điểm MPP, là âm khi ở bên phải điểm MPP

Bằng cách so sánh giá trị điện dẫn tức thời (I/V) với giá trị điện dẫn gia tăng(∆I/∆V), Thuật toán này sẽ tìm được điểm làm việc có công suất lớn nhất Tại

điểm MPP, điện áp chuẩn Vref= VMPP

Hình 3.8: Phương pháp điện dẫn gia tăng

Mỗi khi điểm MPP được tìm ra, hoạt động của pin lại được duy trì ởđiểm làm việc này trừ khi có sự thay đổi về dòng điện ∆I, sự thay đổi của dòngđiện ∆I thể hiện sự thay đổi của điều kiện thời tiết và của điểm MPP

Độ lớn của điện dẫn gia tăng sẽ quyết định độ nhanh chậm trong việc tìm

ra điểm MPP Tuy nhiên khi điện dẫn gia tăng lớn quá sẽ làm cho hệ thống hoạtđộng không chính xác tại điểm MPP và sẽ bị dao động

Ưu điểm chính của phương pháp này là cho kết quả tốt nhất khi thời tiếtthay đổi nhanh Phương pháp này cũng cho dao động nhỏ nhất quanh điểm MPPhơn phương pháp P&O Nhược điểm của phương pháp này là mạch điều khiểnphức tạp Nó sử dụng 2 cảm biến để đo giá trị dòng điện và điện áp, nên chi phílắp đặt cao Tuy nhiên ngày nay với sự xuất hiện của nhiều phần mềm hay các

bộ xử lý đã làm giá thành của hệ này giảm đi rất nhiều

Hình 3.9: Lưu đồ thuật toán INC điều khiển thông qua điện áp tham chiếu Vref

công suất Ngoài ra khi bức xạ mặt trời thay đổi dẫn đến sai số lớn vì việc xácđịnh VMPP không liên tục Hơn nữa đây cũng chỉ là phương pháp gần đúng nênkết quả sẽ không có độ chính xác cao.Để khắc phục điều này, có nhiều giải phápđược đề xuất, chẳng hạn như PV mẫu để đo Voc, PV này không dùng để phátđiện mà chỉ dùng để xác định các thông số của PV như Voc PV mẫu phải đượcchọn lọc kỹ càng và lắp đặt chung với modun PV để đảm bảo điều kiện môtrường Tuy nhiên việc dùng thêm PV mẫu có thể làm cho giá thành của hệthống tăng cao.Mặc dù vậy, đây vẫn là một phương pháp đơn giản bởi vì nókhông yêu cầu một phần cứng phức tạp.

Hình 3.10: Giải thuật MPPT dựa trên các điện áp hằng số

CHƯƠNG 4

BỘ CHUYỂN ĐỔI DC/DC BUCK CONVERTER

4.1 TỔNG QUAN

4 1.1 Phương pháp điều khiển

Sử dụng phương pháp PWM (pusle width modulation): là phương phápthay đổi độ rộng xung vuông, tức là thay đổi độ rộng sườn dương hay âm củaxung mà không thay đổi tần số xung

Dùng PWM để điểu khiển việc đóng, ngắt các khóa (van) trong bộ biếnđổi Việc thay đổi độ rộng sườn dương (âm) của xung điều khiển dẫn đên thayđổi thời gian đóng (ngắt) của các van Do đó làm thay đổi điện áp đầu ra của bộbiến đổi

4.1.2 Bộ biến đổi Buck

Mục đích của bộ biến đổi DC-DC là tạo ra điện áp một chiều được điềuchỉnh để cung cấp cho các phụ tải biến đổi Bộ biến đổi DC-DC thường đượcsửa dụng trong các yêu cầu điều chỉnh được công suất nguồn một chiều

Hình 4.1: Bộ biến đổi buck cơ bản

Bộ buck tạo ra điện áp DC đầu ra nhỏ hơn điện áp đầu vào Việc điềukhiển các khóa chuyển mạch bằng cách đóng và mở các khóa theo chu kỳ, kếtquả là tạo ra điện áp DC đầu ra nhỏ hơn đầu vào Bộ buck converter thôngthường để điều chỉnh điện áp nguồn cung cấp chất lượng cao như mạch nguồn