Đồ án: Thiết kế bộ điều khiển sạc pin năng lượng mặt trời nối lưới

Tổng quan về bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời. Khám phá nguyên lý, các bước tính toán, thiết kế và mô phỏng mạch sạc trong hệ thống.

• Tác giả: Nguyễn Tiến Minh
• Người hướng dẫn: Ts. Nguyễn Hoàng Mai
• Trường học: Đại học Đà Nẵng, Trường Đại học Bách khoa
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa
• Đề tài: Điều khiển nguồn một chiều kỹ thuật số trong hệ thống lai nguồn mặt trời nối lưới
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Đà Nẵng

Tóm tắt

I. Khái Niệm và Tầm Quan Trọng của Bộ Điều Khiển Sạc Năng Lượng Mặt Trời

Bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời (Solar Charge Controller) là thiết bị quan trọng trong hệ thống điện năng lượng mặt trời, đặc biệt trong các hệ thống lai nối lưới. Bộ điều khiển này có nhiệm vụ điều chỉnh dòng điện và điện áp từ tấm pin mặt trời để sạc pin acquy một cách an toàn và hiệu quả. Công nghệ điều khiển kỹ thuật số cho phép tối ưu hóa hiệu suất năng lượng, bảo vệ pin acquy khỏi quá sạc, và kéo dài tuổi thọ của các thiết bị điện. Với việc ứng dụng các thuật toán điều khiển tiên tiến như P&O (Perturb and Observe), bộ điều khiển sạc mặt trời có thể tự động tìm kiếm điểm công suất cực đại (MPPT), giúp tăng hiệu suất toàn hệ thống lên 95-98%.

1.1. Vai Trò của Bộ Điều Khiển trong Hệ Thống Lai Nối Lưới

Bộ điều khiển sạc kỹ thuật số trong hệ thống lai nối lưới đóng vai trò cầu nối giữa tấm pin mặt trời và pin acquy. Nó không chỉ điều chỉnh công suất sạc mà còn quản lý toàn bộ luồng điện năng trong hệ thống. Công nghệ điều khiển hiện đại cho phép tối ưu hóa năng lượng được sử dụng từ các nguồn khác nhau, đảm bảo hiệu suất cao nhất.

1.2. Ứng Dụng Thực Tế của Bộ Điều Khiển Sạc Mặt Trời

Bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống điện mặt trời độc lập, hệ thống lai, và các tòa nhà xanh. Từ các ứng dụng nhỏ như sạc pin acquy 12V trong hệ thống 25W cho đến các hệ thống công suất cao, bộ điều khiển này luôn đảm bảo hiệu suất tối đa và bảo vệ thiết bị.

II. Nguyên Lý Hoạt Động của Bộ Điều Khiển Sạc Năng Lượng Mặt Trời

Nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển sạc dựa trên các phương pháp điều khiển công suất bằng kỹ thuật PWM (Pulse Width Modulation) hoặc MPPT. Bộ điều khiển liên tục theo dõi điện áp và dòng điện từ tấm pin mặt trời, sau đó điều chỉnh chu kỳ công việc (duty cycle) của các công tắc điện tử để tối ưu hóa công suất truyền tải. Thuật toán P&O được sử dụng để tìm kiếm điểm công suất cực đại bằng cách thay đổi nhỏ điện áp tham chiếu và quan sát sự thay đổi công suất. Nếu công suất tăng, bộ điều khiển tiếp tục thay đổi theo hướng đó; nếu công suất giảm, nó sẽ đảo ngược hướng thay đổi.

2.1. Thuật Toán Điều Khiển MPPT Maximum Power Point Tracking

Thuật toán MPPT là nền tảng của bộ điều khiển sạc hiện đại. Phương pháp P&O được áp dụng để tìm kiếm điểm công suất cực đại bằng cách liên tục thay đổi điện áp. Điều khiển kỹ thuật số cho phép xử lý nhanh chóng các dữ liệu từ cảm biến, giúp bộ điều khiển phản ứng nhanh với sự thay đổi của nguồn năng lượng mặt trời.

2.2. Kỹ Thuật PWM trong Điều Khiển Sạc

PWM (Pulse Width Modulation) là kỹ thuật điều khiển công suất bằng cách thay đổi tỷ lệ thời gian bật/tắt của công tắc điện tử. Bộ điều khiển kỹ thuật số sử dụng vi điều khiển để tính toán chu kỳ công việc tối ưu, đảm bảo dòng sạc pin acquy được điều chỉnh chính xác và an toàn.

III. Thiết Kế Bộ Điều Khiển Sạc Năng Lượng Mặt Trời

Quá trình thiết kế bộ điều khiển sạc bao gồm nhiều bước quan trọng: lựa chọn linh kiện phù hợp, tính toán thông số mạch, và xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển. Đối với hệ thống sạc pin acquy 12V với pin mặt trời 25W, việc lựa chọn vi điều khiển với khả năng xử lý nhanh, MOSFET có định mức dòng và điện áp phù hợp, và các linh kiện bảo vệ là điều bắt buộc. Mạch điều khiển kỹ thuật số được thiết kế để đạt hiệu suất cao, bảo vệ pin acquy khỏi quá sạc, quá xả, và tích hợp các chức năng giám sát trạng thái hệ thống.

3.1. Lựa Chọn Linh Kiện và Tính Toán Thông Số

Lựa chọn linh kiện là bước quan trọng trong thiết kế bộ điều khiển sạc. Vi điều khiển phải có khả năng xử lý các tín hiệu ADC từ cảm biến, MOSFET phải chịu được dòng sạc tối đa, và các tụ điện phải đủ để lọc nhiễu. Tính toán thông số mạch bao gồm xác định tần số PWM, dải điều chỉnh điện áp, và độ chính xác của các mạch đo lường.

3.2. Xây Dựng Lưu Đồ Thuật Toán Điều Khiển

Lưu đồ thuật toán điều khiển được thiết kế để tối ưu hóa quá trình sạc pin acquy. Bộ điều khiển liên tục đọc điện áp và dòng điện, tính toán công suất, áp dụng thuật toán P&O để tìm MPPT, và điều chỉnh chu kỳ PWM. Điều khiển kỹ thuật số cho phép lập trình linh hoạt, dễ dàng thay đổi tham số và nâng cấp chức năng mà không cần thay đổi phần cứng.

IV. Mô Phỏng Lắp Đặt và Kết Quả Thực Nghiệm

Sau khi hoàn thành thiết kế, bộ điều khiển sạc được mô phỏng bằng Matlab/Simulink để kiểm chứng tính đúng đắn của thuật toán trước khi lắp đặt mạch thực tế. Mô phỏng giúp dự báo hiệu suất hệ thống, phát hiện các lỗi tiềm ẩn, và tối ưu hóa các thông số điều khiển. Sau đó, mạch PCB được thiết kế và thi công sử dụng Proteus, các linh kiện được lắp ráp và kiểm tra. Mô hình thực tế được xây dựng để kiểm chứng hiệu suất sạc pin acquy 12V. Kết quả thực nghiệm cho thấy bộ điều khiển kỹ thuật số đạt hiệu suất 95-98%, bảo vệ pin acquy hiệu quả, và hoạt động ổn định trong các điều kiện thời tiết khác nhau.

4.1. Mô Phỏng Hệ Thống bằng Matlab Simulink

Mô phỏng hệ thống sử dụng Matlab/Simulink cho phép kiểm chứng thuật toán MPPT và hiệu suất sạc trước khi lắp đặt thực tế. Mô phỏng bao gồm mô hình tấm pin mặt trời, mạch điều khiển, pin acquy, và tải. Bộ điều khiển sạc kỹ thuật số được kiểm tra trong nhiều tình huống khác nhau để đảm bảo hoạt động ổn định.

4.2. Kết Quả Thực Nghiệm và Đánh Giá Hiệu Suất

Kết quả thực nghiệm cho thấy bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời hoạt động đạt hiệu suất cao, bảo vệ pin acquy khỏi quá sạc và quá xả. Điều khiển kỹ thuật số cho phép tối ưu hóa năng lượng từ pin mặt trời, đảm bảo dòng sạc ổn định và an toàn. Hệ thống hoạt động ổn định với các thay đổi điều kiện ánh sáng và tải.

Trích đoạn nội dung tài liệu

đặt vấn đề, các hệ thống năng lượng mặt trời, giải quyết vấn đề, ý nghĩa thực tiễn của đề tài, kết luận chương. Lịch sử phát triển của năng lượng mặt trời. Thế kỷ thứ 7 trước công nguyên, thời Ai Cập cổ đại , các ngôi nhà được xây dựng để các bức xạ mặt trời có thể được thu thập vào ban ngày và được sử dụng vào ban đêm. Thế kỷ thứ 5 trước công nguyên người Hy Lạp định hướng nhà của họ để có thể nhận được năng lượng mặt trời vào mùa đông để sưởi ấm.

Thế kỷ thứ 3 trước công nguyên: Archimedes đã sử dụng những tấm gương để hội tụ và phản chiếu ánh sáng mặt trời đốt cháy các chiến thuyền của người La Mã.Lomonossov đề nghị sử dụng các thấu kính để tập trung bức xạ mặt trời. Cùng năm đó ở Thụy Sĩ, Horace de Sausure khám phá ra sự khuếch đại và tăng hiệu suất nhiệt trong các hộp kính 5 nếp gấp loại Matjoshka. Năm 1883 một pin năng lượng đầu tiên được tạo thành, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối, thiết bị chỉ có hiệu suất 1%. Đến năm 1888, nhà vật lý học người Nga Aleksandr Stoletov tạo ra tấm pin đầu tiên dựa vào hiệu ứng quang điện được phát hiện bởi Heinrich Hertz trước đó vào năm 1887.

Tấm pin mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện) được sản xuất lần đầu tiên vào khoảng năm 1950 và trong suốt trong những năm 1960 được sử dụng chủ yếu cho vệ tinh quay quanh Trái Đất. SVTH: Nguyễn Tiến Minh GVHD: TS. Nguyễn Hoàng Mai 2 Điều khiển nguồn một chiều kỹ thuật số trong hệ thống lai nguồn mặt trời nối lưới Vào những năm 1970 sự cải tiến sản xuất, thiết kế và chất lượng của pin mặt trời (PMT) giúp cho việc giảm giá thành và mở ra cơ hội mới cho các ứng dụng trên mặt đất như sạc pin cho việc định hướng tin hiệu, thiết bị viễn thông và các nhu cầu cần năng lượng thấp. Trong những năm 1980, PMT trở nên phổ biến cho các thiết bị điện tử bao gồm máy tính, đồng hồ, các ứng dụng sạc pin nhỏ.

Trong suốt các thập kỷ tiếp theo, các ứng dụng cho hệ thống PMT ngày càng được mở rộng cả về chất lượng lẫn quy mô. Năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt, dân số tăng vọt, kinh tế phát triển như vũ bão… đã dẫn đến yêu cầu bức thiết phải có những phương cách mới trong việc cung ứng và sử dụng năng lượng. Ước tính nguồn năng lượng tự nhiên hiện nay của chúng ta sẽ cạn kiệt trong thời gian tới, trong đó dự báo nguồn dầu mỏ thương mại trên thế giới còn dùng khoảng 60 năm, khí tự nhiên 80 năm, than 150-200 năm. Trước thực trạng trên, đòi hỏi chúng ta phải tìm ra những nguồn năng lượng thay thế.

Một trong những giải pháp chủ yếu là tìm kiếm những nguồn năng lượng tái tạo được, những dạng năng lượng mà khi khai thác cũng như tiêu thụ tác động ít nhất đến môi trường như: năng lượng gió, năng lượng sóng biển, năng lượng mặt trời. Trong đó, năng lượng mặt trời được xem là nguồn năng lượng tái tạo sạch nhất và ít gây ảnh hưởng đến môi trường nhất, có khắp trên bề mặt của trái đất. 1: Ruộng PMT trên một cánh đồng SVTH: Nguyễn Tiến Minh GVHD: TS. Nguyễn Hoàng Mai 3 Điều khiển nguồn một chiều kỹ thuật số trong hệ thống lai nguồn mặt trời nối lưới Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch, thân thiện với môi trường và đây gần như là nguồn tài nguyên vô tận.

Ngày nay, bên cạnh các dự án khai thác điện mặt trời khổng lồ, con người còn chú trọng nghiên cứu và ưng dụng công nghệ để sử dụng dạng năng lượng này một cách hiệu quả nhất. Những tấm PMT tạo ra nguồn điện một chiều. Với nguồn điện này ta có thể lưu trữ dùng cho các mục địch sau khác hoặc nghịch lưu trực tiếp thành nguồn xoay chiều để cấp cho các thiết bị dân dụng. Các hệ thống năng lượng mặt trời.

Hệ thống điện năng lượng mặt trời độc lập. Hệ thống năng lượng mặt trời độc lập được thiết kế để cung cấp nguồn cho một số tải một chiều hoặc xoay chiều độc lập với lưới, cách đơn giản nhất là sử dụng trực tiếp năng lượng tạo ra từ pin mặt trời như (hình 1. Đối với hê thống nối trực tiếp này thì tải chỉ hoạt động lúc trời nắng thích hợp với các ứng dụng như quạt thông gió, bơm nước và máy bơm tuần hoàn nhỏ cho hệ thống nước nóng Hình 1. 2: PMT kết nối trực tiếp với tải Đối với các ứng dụng rộng hơn, hệ thống PMT với ánh sáng được chuyển đổi thành điện năng, tạo ra dòng điện một chiều (DC).

Dòng điện này được truyền dẫn tới bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời (Solar Charger Controller) là một thiết bị điện tử có chức năng điều khiển tự động quá trình nạp điện vào ắc quy và phóng điện từ ắc quy ra các thiết bị một chiều. SVTH: Nguyễn Tiến Minh GVHD: TS. Nguyễn Hoàng Mai 4 Điều khiển nguồn một chiều kỹ thuật số trong hệ thống lai nguồn mặt trời nối lưới Hình 1. 3: Hệ thống điện mặt trời độc lập.

Trường hợp công suất hệ thống pin mặt trời và điện được tích trữ trong các ắc quy đủ lớn, trong hệ thống sẽ có thêm bộ kích điện (Inverter) để biến đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều (AC) 220V, có thể sử dụng cho hầu hết các thiết bị gia đình (đèn, quạt, máy tính, TV…). Ưu điểm: − Không sử dụng bất cứ nguồn nhiên liệu hóa thạch nào. Mặt trời có thể xem là nguồn nhiên liệu miễn phí nên không chịu ảnh hưởng của giá cả như xăng dầu, than đá,. − Năng lượng mặt trời là năng lượng sạch và tái tạo.

Không giống như than đá, xăng dầu,. nó không gây ôi nhiễm môi trường xung quanh. − Hệ thống năng lượng mặt trời có tuổi thọ khá cao, công việc bảo trì- bão dưỡng đơn giản với chi phí thấp. Nhược điểm: − Chi phí đầu tư xây dựng và lắp đặt ban đầu khá lớn.

− Hiệu quả của hệ thống phụ thuộc vào cường độ chiếu sáng của mặt trời. Để đạt hiệu suất cao nhất, tấm pin mặt trời cần một vùng rộng lớn, độ chiếu rọi lớn, không bị che khuất hoặc ít bị che khuất. − Không có khả năng giám sát tất cả các phụ tải thông qua các bộ đo. SVTH: Nguyễn Tiến Minh GVHD: TS.

Nguyễn Hoàng Mai 5 Điều khiển nguồn một chiều kỹ thuật số trong hệ thống lai nguồn mặt trời nối lưới − Thi công đấu nối phức tạp phải làm hai hệ thống điện riêng cho gia đình. − Xuất hiện dư sẽ lưu trữ vào ắc quy hoặc bỏ phí. Hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới. Hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới là hệ thống điện hoạt động kết hợp giữa điện năng mặt trời và điện lưới quốc gia.

Mô hình này được chia thành hai loại: hệ thống có lưu trữ và hệ thống không lưu trữ. Mô hình này đang được sử dụng rộng rãi ở các hộ gia đình, văn phòng, toàn nhà, nhà xưởng, trường học, bệnh viện,… Hệ thống được lắp đặt trên mái nhà nên còn được gọi với tên điện mặt trời áp mái. Hệ thông PMT hòa lưới bao gồm: pin năng lượng mặt trời, bộ hòa lưới (Inverter), tủ bảo vệ & phân phối DC/AC. Nguyên lý hoạt động như sau: − Pin thu ánh sáng tạo ra điện 1 chiều DC.

− Điện 1 chiều đi qua bộ hòa lưới (Inverter) thành điện xoay chiều (AC) cùng pha, cùng tần số với điện lưới. − Dòng xoay chiều đi đến tủ điện để cung cấp cho các thiết bị điện. − Khi sản lượng điện tạo ra nhiều hơn điện tiêu thụ, điện dư sẽ đưa lên hòa chung với lưới điện quốc gia. Hệ thống này không lưu trữ, không cần dùng ắc quy.

Đối với hệ thống lưu trữ, sẽ cần thêm ắc quy dự trữ, điện thu được sẽ nạp đầy cho ắc quy rồi tự động chuyển sang chế độ hoà lưới. Khi mất điện hệ thống sẽ hoạt động như một hệ thống độc lập. 4: Hệ thống hòa lưới có dự trữ. SVTH: Nguyễn Tiến Minh GVHD: TS.

Nguyễn Hoàng Mai 6 Điều khiển nguồn một chiều kỹ thuật số trong hệ thống lai nguồn mặt trời nối lưới Ưu điểm: − Đơn giản , ít tốn kém cả đầu tư ban đầu và kiểm tra bảo dưỡng. − Độ bền cao, có thể lên đến 30 năm không cần thay thiết bị. − Có thể sử dụng cả khi không có ánh sáng mặt trời (ban đêm, ngày mưa, nhiều mây…) − Thời gian hoàn vốn ngắn (khoảng 4-5 năm), sau đó dùng điện hoàn toàn miễn phí và có nguồn thu từ bán điện dư, mang lại lợi ích kinh tế − Giảm tải cho điện lưới vào mùa khô hoặc giờ cao điểm ban ngày, bổ sung cho điện lưới quốc gia, hạn chế nguy cơ thiếu điện. Nhược điểm: − Chi phí lắp đặt ban đầu khá cao.

− Không sử dụng điện nếu mất điện lưới quốc gia. Điều này để đảm bảo cho các nhân viên điện lực. Tuy nhiên nếu có bị tràn ắc quy dự trữ, có thể sử dụng điện như một hệ thống độc lập. Giải quyết vấn đề.

Vấn đề được đặt ra ở trên, cùng với sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Hoàng Mai, cuối cũng nhóm tôi đã chọn đề tài: “ Điều khiển bộ nguồn kỹ thuật số trong hệ thống lai nguồn mặt trời nối lưới”. Với mục đích góp phần bảo vệ môi trường và giải quyết nhu cầu năng lượng ở những nơi vùng sâu vùng xa không có khả năng tiếp cận với điện lưới quốc gia. Trong chương nãy đã nêu ra các vấn đề về năng lượng đặc biệt là năng lượng điện trong đời sống hiện nay và các giải quyết. Qua đó chúng ta có cách nhìn cụ thể hơn về đề tài : “Điều khiển nguồn kỹ thuật số trong hệ thống lai nguồn mặt trời nối lưới” cũng như những lợi ích thiết thực mà nó mang lại.

SVTH: Nguyễn Tiến Minh GVHD: TS. Nguyễn Hoàng Mai 7 Điều khiển nguồn một chiều kỹ thuật số trong hệ thống lai nguồn mặt trời nối lưới CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Tổng quan pin năng lượng mặt trời. Sơ lược lịch sử phát triển.

Vào năm 1939, nhà vật lí người Pháp, Alexandre – Edmund Becquerel, phát hiện ra hiệu ứng quang điện khi đang làm việc trong phòng thí nghiệm của cha mình, khi đó ông mới 19 tuổi. Russell Ohl được xem là người tạo ra pin năng lượng mặt trời đầu tiên năm 1946. Năm 1958, vệ tinh Vanguard I là vệ tinh đầu tiên sử dụng những tấm pin mặt trời để hoạt động trong không gian.