Chương 1: Tổng quan. Chương 2: Cơ sở lý thuyết năng lượng mặt trời và các bộ biến đổi năng lượng Chương 3: Bộ điều khiển PID Chương 4: Mô phỏng hệ thống Pin năng lượng sử dụng bộ điều khiển PID. Chương 5: Tính toán thực nghiệm hệ thống Pin năng lượng mặt trời. Chương 6: Kết luận và hướng phát triển.
7 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG 2.1 Công nghệ điện mặt trời Công nghệ nhiệt mặt trời biến đổi năng lượng bức xạ mặt trời thành nhiệt năng. Người ta sử dụng bộ thu hội tụ đi kèm bộ dõi theo mặt trời, để hội tụ các tia mặt trời đúng diện tích cần thiết kế. Đối với các bộ thu không yêu cầu độ hội tụ cao thì sự định hướng bộ thu có thể chỉ cần điều chỉnh vài ba lần trong một ngày và có thể thực hiện bằng tay. Nhưng với các bộ thu yêu cầu độ hội tụ cao thì cần phải điều chỉnh sự định hướng bộ thu một cách liên tục.
Đa số các bộ hội tụ này là các bộ hội tụ máng parabol, các tia sáng mặt trời được hội tụ lại trên đường tiêu điểm hội tụ.1 Công nghệ nhiệt mặt trời nhiệt độ thấp Công nghệ mặt trời nhiệt độ thấp dựa trên hiện tượng hiệu ứng nhà kính. Kính dùng trong hiệu ứng nhà kính có tính chất sau: - Cho ánh sáng có bước sóng λ < 0,8 μm qua dễ dàng, ngăn không cho ánh sáng có λ > 0,8 μm. - Khoảng hơn 70% năng lượng mặt trời tập trung ở vùng phổ λ < 0,8 μm. Hộp thu năng lượng mặt trời hiệu ứng nhà kính.1:Hộp thu năng lượng mặt trời hiệu ứng nhà kính 8 Các tia bức xạ mặt trời có λ < 0,8 μm xuyên qua tấm kính đậy.
Các tia mặt trời tới tấm hấp thụ bị hấp thụ và chuyển thành nhiệt. Tấm hấp thụ nóng lên và phát ra các tia sóng dài, λ > 0,8 μm, nên bị kính ngăn lại [17]. Kết quả: năng lượng mặt trời đi vào hộp, không ra được, lúc này hộp có vai trò giống như là “bẫy nhiệt”. Năng lượng mặt trời tích tụ lại trong hộp, làm tấm hấp thụ và không khí trong hộp nóng lên hàng trăm độ.
Đây chính là hiện tượng hiệu ứng nhà kính.2 Công nghệ nhiệt mặt trời nhiệt độ cao Nguyên lý: Sử dụng các thiết bị hội tụ bức xạ mặt trời trong một diện tích lớn vào một khu vực có diện tích nhỏ, do đó tăng mật độ năng lượng làm tăng nhiệt độ (hàng trăm hay hàng nghìn độ C) Các thiết bị hội tụ: - Gương cầu, gương parabol - Máng parabol - Các gương phẳng phản xạ hội tụ Hình 2.2 :Nhà máy nhiệt điện mặt trời sử dụng đĩa parapol 9 Hình 2.3: Nhà máy nhiệt điện mặt trời sử máng parapol 2.2 Hệ thống pin mặt trời Hệ pin mặt trời (hệ PV – Photovoltaic System) hiện nay gồm có: hệ PV làm việc độc lập và hệ PV làm việc nối lưới. Nhưng trong phạm vi nghiên cứu của đề tài này ta chỉ nghiên cứu hệ PV làm việc độc lập [18]. Hệ PV độc lập thường được sử dụng ở những vùng sâu, vùng xa hay nơi mà lưới điện không kéo đến được. Sơ đồ khối của hệ này như sau: Hình 2.4: Sơ đồ khối hệ quang điện làm việc độc lập Hệ PV làm việc độc lập gồm có 2 thành phần chính là: Thành phần lưu giữ năng lượng và các bộ biến đổi bán dẫn.1 Thành phần lưu trữ năng lượng Hệ quang điện làm việc độc lập cần phải có khâu lưu giữ điện năng để có thể phục vụ cho tải trong những thời gian thiếu nắng, ánh sáng yếu hay vào ban đêm.
Có nhiều phương pháp lưu trữ năng lượng trong hệ PV. Phổ biến nhất vẫn là sử 10 dụng Ắc - quy để lưu trữ năng lượng. Ắc quy cần phải có một bộ điều khiển nạp để bảo vệ và đảm bảo cho tuổi thọ của Ắc - quy.2 Các bộ biến đổi bán dẫn trong hệ thống Pin mặt trời làm việc độc lập Bộ điều khiển nạp Ắc- qui năng lượng mặt trời (charge battery) là một thiết bị trung gian giữa hệ các tấm pin mặt trời và hệ các bình Ắc - quy lưu trữ. Nhiệm vụ chính của nó là "điều khiển" việc sạc bình Ắc - quy từ nguồn điện sinh ra từ pin mặt trời.
Cụ thể là các nhiệm vụ sau: - Bảo vệ bình Ắc - quy. Khi bình đầy (VD 23.8V - 24V đối với Ắc - quy 24V) thì bộ điều khiển ngăn không cho nguồn điện tiếp tục nạp vào Ắc - quy có thể gây sôi bình và làm ảnh hưởng đến tuổi thọ của bình. Khi bình gần cạn đến ngưỡng phải ngắt để bảo vệ bình (VD 18.5V đối với Ắc - quy 24V), bộ điều khiển sẽ ngắt không cho sử dụng tải để bảo vệ bình không bị "kiệt". - Bảo vệ tấm pin mặt trời.
Nguyên lý của dòng điện là chảy từ nơi điện áp cao đến nơi điện áp thấp. Ban ngày trời nắng thì điện áp tấm pin loại 24V sẽ từ khoảng 25 đến hơn 30V, cao hơn điện áp Ắc - quy nên dòng điện sẽ đi từ pin xuống Ắc - quy. Nhưng ban đêm khi không có ánh nắng, điện áp của pin sẽ thấp hơn điện áp của Ắc - quy và dòng điện sẽ đi từ Ắc - quy lên ngược tấm pin và "đốt" tấm pin, làm giảm hiệu suất tấm pin dần dần và có thể hỏng tấm pin. Vậy nên bộ điều khiển sẽ ngăn một cách triệt để không để cho dòng điện có thể đi ngược lên tấm pin để tránh hiện tượng trên.
- Giúp chúng ta đạt hiệu suất cao nhất từ tấm pin mặt trời. Có chức năng này thì thiết bi này mới có tên gọi là "điều khiển", nghĩa là thiết bị này điều khiển làm sao để công suất sạc đạt cực đại Pmax, nâng cao hiệu suất sử dụng của tấm pin mặt trời. Các bộ điều khiển sạc kiểu cũ đơn giản thì chỉ điều khiển đóng cắt khi bình đầy hoặc bình cạn và bảo vệ không cho điện trào lên pin, hiện đại hơn là sử dụng phương pháp điều khiển điều rộng xung PWM (Pulse - Width - Modulation) sử dụng mạch Transitor đóng cắt liên tục để ổn áp sạc cho Ắc - quy, phương pháp này có nhược điểm lớn là làm hao phí khoảng trên dưới 20% lượng điện sạc từ pin mặt trời.5: Biểu đồ so sánh bộ điều khiển sạc thông thường và bộ điều khiển sạc điều khiển MPP Các bộ điều khiển sạc hiện đại sử dụng phương pháp điều rộng xung không hao phí, có bộ vi xử lý và thiết bị đo chọn được điểm có công suất cực đại MPP (Max Power Point) Pmax để sạc cho Ắc - quy. Công suất cực đại minh họa trong hình dưới đây là diện tích hình chữ nhật màu xám.
- Phương pháp sạc xung: các bộ điều khiển sạc xung sẽ kéo dài tốt hơn tuổi thọ của Ắc - quy. Phương pháp sạc xung hiện nay được ứng dụng trong việc sạc laptop, sạc điện thoại và được đánh giá là phương pháp sạc ưu việt nâng cao tuổi thọ của pin hay Ắc - quy. - Một số chức năng khác như: hiển thị mức điện còn trong hệ bình Ắc - quy, bảo vệ quá tải, chập mạch trong hệ thống, các chức năng bổ sung như tự động bật tắt thiết bị, tạo dòng 5V để sạc điện thoại. Về cơ bản ta có 4 phương pháp xử lý công suất thông dụng như sau: - Chỉnh lưu AC-DC (AC-DC rectification): Có thể điều khiển điện áp DC, dòng điện AC.
- Nghịch lưu DC-AC (DC-AC inversion): Tạo nguồn điện hình sin; điều khiển độ lớn và tần số. 12 - Bộ chuyển đổi AC-AC (AC-AC cycloconversion): Thay đổi độ lớn; điều khiển điện áp và tần số Sơ đồ khối bộ chuyển đổi Hình 2.6: Sơ đồ khối bộ xử lý công suất 2.3 Bộ biến đổi DC/DC Bộ biến đổi DC/DC được sử dụng rộng rãi trong nguồn điện 1 chiều với mục đích chuyển đổi nguồn một chiều không ổn định thành nguồn điện một chiều có thể điều khiển được. Trong hệ thống pin mặt trời, bộ biến đổi DC/DC được kết hợp chặt chẽ với MPPT. MPPT sử dụng bộ biến đổi DC/DC để điều chỉnh nguồn điện áp vào lấy từ nguồn pin mặt trời, chuyển đổi và cung cấp điện áp lớn nhất phù hợp với tải.
Nhìn chung bộ biến đổi DC/DC thường bao gồm các phần tử cơ bản là một khoá điện tử, một cuộn cảm để giữ năng lượng, và một điôt dẫn dòng [17-18]. Các bộ biến đổi DC/DC thường được chia làm 2 loại có cách ly và loại không cách ly. Loại cách ly sử dụng máy biến áp cách ly về điện tần số cao kích thước nhỏ để cách ly nguồn điện một chiều đầu vào với nguồn một chiều ra và tăng hay giảm áp bằng cách điều chỉnh hệ số biến áp. Loại này thường được sử dụng cho các nguồn cấp một chiều sử dụng khoá điện tử.
Phổ biến nhất vẫn là mạch dạng cầu, nửa cầu và flyback. Trong nhiều thiết bị quang điện, hệ thống làm việc với lưới thường dùng loại có cách ly về điện vì nhiều lý do an toàn. Loại DC/DC không cách ly không sử dụng máy biến áp cách ly. Chúng luôn được dùng trong các bộ điều khiển động cơ một chiều.
Các loại bộ biến đổi DC/DC thường dùng trong hệ PV: - Bộ giảm áp (buck) - Bộ tăng áp (boost) 13 - Bộ đảo dấu điện áp (buck – boost). - Bộ biến đổi tăng – giảm áp Cúk Việc chọn lựa loại DC/DC nào để sử dụng trong hệ PV còn tuỳ thuộc vào yêu cầu của Ắc - quy và tải đối với điện áp ra của dãy panel mặt trời. Bộ giảm áp buck có thể định được điểm làm việc có công suất tối ưu mỗi khi điện áp vào vượt quá điện áp ra của bộ biến đổi, trường hợp này ít thực hiện được khi cường độ bức xạ của ánh sáng xuống thấp. Bộ tăng áp boost có thể định điểm làm việc tối ưu ngay cả với cường độ ánh sáng yếu.
Hệ thống làm việc với lưới dùng bộ Boost để tăng điện áp ra cấp cho tải trước khi đưa vào bộ biến đổi DC/AC. Bộ Buck – boost vừa có thể tăng, vừa có thể giảm áp.1 Mạch Buck 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: Ton (2.fdãng c¾ t T L K V1 V2 C1 Đ C2 Hình 2.