CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Trong các nguồn năng lượng tái tạo hiện nay, tiềm năng lớn nhất là năng lượng mặt trời với tổng năng lượng lớn nhất và có sẵn ở mọi nơi trên thế giới. Trong hệ thống điện mặt trời, nhiều tế bào quang điện ghép lại với nhau, vừa nối tiếp vừa song song, chúng tạo thành một module. Các module trong hệ thống cũng được ghép nối tiếp với nhau tạo thành một chuỗi (string). Nhiều chuỗi ghép song song với nhau được gọi là một mảng (array).
Trong một vài trường hợp, các tế bào hay các tấm pin trong chuỗi không nhận được cường độ bức xạ đều nhau, nguyên nhân có thể do bóng cố định từ cây cối hoặc các công trình gần đó hay bóng di động trong những ngày nhiều mây, các tấm pin có bức xạ thấp trở thành tải tiêu thụ công suất theo định luật Kirchoff 1. Do việc này có thể làm tấm pin trở nên quá nhiệt, mỗi tấm pin được gắn 1 diode bypass để khi bị bóng che không có dòng điện làm nóng tấm pin. Đặc tuyến I – V và đặc tuyến P – V của tấm pin cũng bị thay đổi khi có hiện tượng bóng che bởi dòng điện bị giới hạn bằng dòng điện của tấm có bức xạ thấp (Hình 1. Cho nên, đặc tuyến P – V lúc này không chỉ có một cực trị như trường hợp bức xạ đồng nhất.
Số lượng cực trị bằng với số mức bức xạ khác nhau áp lên các tấm pin.1: Đặc tuyến I - V và P - V của chuỗi pin mặt trời khi có bóng che 1 Hiện tượng này gây khó khăn cho việc điều khiển công suất của tấm pin mặt trời ở chế độ MPPT do các phương pháp tìm kiếm điểm cực đại hiện tại chỉ có thể tìm được một điểm cực trị duy nhất [1], vì thế điểm làm việc cực đại dò ra được có khả năng cao là một cực trị địa phương (Local Maximum Power Point –LMPP). Để giải quyết bài toán MPPT có xét đến hiện tượng bóng che, đã có nhiều giải pháp được đưa ra. Một hướng đi mới trong việc dò MPPT bằng các thuật toán meta heuristic đã được đề cập trong [2], [3]. Tuy nhiên tính đến nay dù các giải thuật có thể dò được điểm LMPP với độ chính xác cao nhưng chúng lại có thời gian xác lập lâu hơn và chất lượng điện năng thấp hơn do sự dao động lớn.
Giải pháp tái cấu hình hệ thống pin bằng cách đặt các khóa điện điều khiển nhóm các tấm pin mặt trời có cùng bức xạ được đề xuất trong [4]. Khi xuất hiện bóng che, các tấm pin có bức xạ giống nhau sẽ được kết nối chung vào một chuỗi. Tuy nhiên, phương pháp này tỏ ra không phù hợp nếu hệ thống quá lớn cần có rất nhiều thiết bị đóng cắt. Các kết quả kiểm tra cho thấy trong cùng một điều kiện bóng che, cấu hình song song có thể phát được nhiều công suất hơn cấu hình nối tiếp.
Đồng thời, xác suất bị bẫy vào cực trị địa phương của hệ thống thấp hơn khi số tấm pin mắc nối tiếp giảm đi. Tuy nhiên, với cấu hình này hệ thống phải hoạt động ở điện áp thấp hơn và dòng điện cao hơn. Áp lực đặt lên các bộ biến đổi tập trung vì thế lớn hơn so với khi sử dụng cấu hình nối tiếp. Bài báo [6], [7], [8] tổng hợp các phương pháp xây dựng cấu hình các bộ giảm áp DC – DC tỉ số cao hiện nay.
Nhược điểm lớn nhất của phương pháp này là dòng điện đầu vào lớn dẫn đến giới hạn về công suất. Trong [9], các bộ MPPT nhỏ được tích hợp vào từng tấm pin rồi nối tiếp với nhau. Ở bài báo số [10] đề xuất một cấu hình mạch tăng áp DC tỉ số cao có khả năng điều khiển điện áp trong một dải rộng. Như vậy đặc tuyến P – V trên mỗi bộ DC – DC chỉ có một cực trị duy nhất giúp đơn giản hóa phần mềm vừa thu được công suất tương đương với cấu hình mắc song song.
2 Tuy nhiên, phương án này đòi hỏi chi phí đầu tư cao hơn và phát sinh thêm vấn đề về độ phức tạp của hệ thống. Nhu cầu năng lượng trên toàn cầu đang ngày một tăng cao, trong khi đó các nguồn năng lượng hóa thạch đang gần đạt đến giới hạn khai thác. Trước tình hình đó, nhiều phương án năng lượng thay thế, trong đó có năng lượng tái tạo đã được đưa ra. Trong số các nguồn năng lượng tái tạo phổ biến, năng lượng mặt trời được đánh giá có trữ lượng lớn nhất.
Các thiết bị điện tử công suất hiện nay đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Đặc biệt trong ứng dụng pin mặt trời, nơi có nhu cầu chuyển đổi cao giữa các dạng điện năng khác nhau (AC – DC, DC – DC, DC – AC) các bộ chuyển đổi công suất có vai trò quan trọng. Tuy nhiên nguồn công suất đầu vào của các nguồn năng lượng tái tạo thường không điều khiển được do chúng phụ thuộc vào yếu tố thời tiết. Vì vậy các bộ biến đổi công suất thường phải đi kèm với giải thuật dò điểm công suất cực đại (MPPT) nhằm tận dụng tối đa công suất thu được.
Trong một hệ thống pin mặt trời điển hình, các tấm pin mặt trời được ưu tiên mắc nối tiếp với nhau để có dòng điện hoạt động bé nhất, giảm chi phí dây dẫn. Tuy nhiên việc sử dụng cấu hình nối tiếp cho công suất thấp hơn cấu hình song song khi cường độ bức xạ đặt lên các tấm pin không đồng đều nhau. Có 2 giải pháp được đưa ra để khắc phục hiện tượng trên: giảm số lượng pin mặt trời nối tiếp với nhau trong chuỗi hoặc tích hợp các bộ MPPT vào từng tấm pin. Trong đó việc sử dụng mạch tích hợp đòi hỏi chi phí đầu tư cao hơn và không phù hợp với các hệ thống quy mô vừa và nhỏ.
Do đó, luận văn nghiên cứu một cấu hình mạch biến đổi DC – DC có tỉ số cao ứng dụng cho các hệ thống PV cỡ vừa và nhỏ, dựa trên cấu hình đề xuất của bài báo số [10]. Mạch đề xuất sử dụng kỹ thuật ghép xen kẽ kết hợp với giảm điện áp bằng tụ và giảm dòng bằng cuộn cảm để đạt được độ gợn dòng điện thấp hơn và độ lợi điện áp ổn định hơn phù hợp với ứng dụng công suất lớn so với một mạch 3 giảm áp cơ bản. Các kết quả thí nghiệm được phân tích dựa trên phần mềm mô phỏng điện tử công suất PSIM.2 Đối tượng nghiên cứu Các hệ thống điện mặt trời công suất vừa và nhỏ với công suất từ vài kW đến vài chục kW ở nước ta hiện nay vẫn còn rất nhiều tiềm năng để khai thác. Đối với những hệ thống này, nếu sử dụng các giải thuật mới sẽ không đảm bảo về mức độ ổn định, trong khi áp dụng micro DC - DC có chi phí quá lớn so với quy mô của hệ thống.
Do đó, phương pháp xây dựng các bộ biến đổi DC - DC có tỉ số cao có tính kinh tế cao hơn trong trường hợp này.3 Mục tiêu nghiên cứu Sau khi đọc và nghiên cứu các tài liệu tổng quan, luận văn đề ra các mục tiêu sau: - Xác định mô hình toán của hệ thống (mô hình lý tưởng và thực tế). - Thiết lập sơ đồ nguyên lý mạch giảm áp và phương án điều khiển. - Đề xuất một cấu hình mạch biến đổi DC – DC tỉ số cao từ 400V xuống 25 V. - Áp dụng mạch giảm áp DC-DC vào các ứng dụng quang điện và các phương pháp điều khiển khác nhau cho mạch giảm áp DC-DC.
- So sánh và cải tiến hiệu suất của mạch.4 Phạm vi nghiên cứu Từ các mục tiêu đã nêu, luận văn cần phải hoàn thành các nhiệm vụ cụ thể như sau: - Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động và mô hình toán của pin mặt trời. - Tìm hiểu các bộ biến đổi công suất cơ bản và các phương pháp nâng tỉ số biến áp DC hiện nay. - Xác định cấu hình đề xuất theo mục tiêu và hiệu suất của mạch.5 Phương pháp nghiên cứu - Thu thập các tài liệu liên quan về pin quang điện và các bộ biến đổi DC-DC cơ bản (tăng áp, giảm áp). 4 - Thiết lập sơ đồ nguyên lý mạch giảm áp và phương án điều khiển - Xác định mô hình toán của hệ thống (mô hình lý tưởng và thực tế).
- Xác định cấu hình đề xuất theo mục tiêu và hiệu suất của mạch. 5 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan về pin quang điện (PV) 2.1 Nguyên lý hoạt động Công đoạn biến đổi từ năng lượng photon trong bức xạ mặt trời thành điện năng được thực hiện bởi các tấm pin quang điện (PV). Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào các tấm pin quang điện, các photon được chia thành 3 phần: một phần trong chúng phản xạ ngược lại, một phần đi xuyên qua tấm pin và phần còn lại bị hấp thu. Các photon bị hấp thu kích thích các nguyên tử tạo ra các cặp điện tử tự do dạt về hai bản cực của lớp chuyển tiếp P – N.
Sự tập trung các điện tích tại hai đầu của vật liệu sinh ra một hiệu điện thế và khi được nối với tải bên ngoài sẽ có dòng chạy qua nó. Quá trình này được mô tả lại trong hình 2.1: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin quang điện 2.2 Phân loại Dựa vào công nghệ sản xuất, các tấm pin quang điện được chia thành các loại sau: 6 • Đơn tinh thể (Monocrystalline): có hiệu suất lớn nhất trong các loại pin (13 – 17%) nhưng vật liệu chế tạo đắt tiền. • Đa tinh thể (Monocrystalline): hiệu suất thấp hơn loại đơn tinh thể (10 – 14%), bù lại giá thành rẻ hơn. • Dải silic (Bar crystalline silicon): có chi phí sản xuất thấp nhất tuy nhiên hiệu suất chỉ đạt 11%.
• Màng mỏng (Thin film): cho phép chế tạo được các tấm pin với kích thước mỏng nhưng do mới phát triển nên hiệu suất thấp, trong tầm 5 – 13%. • Ngoài ra công nghệ pin hữu cơ là công nghệ mới nhất hiện nay.2 Mô hình toán pin PV 2.1 Mô hình lý tưởng Mô hình đặc trưng cho một tế bào quang điện là một nguồn dòng song song với diode [2]. Mô hình lý tưởng xem như diode không có nội trở (hình 2. Theo định luật Kirchhoff 1 dòng điện tại đầu ra của tấm pin là hiệu của dòng điện do ánh sáng tạo ra trừ dòng điện chạy qua diode.