Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu năng lượng toàn cầu đang tăng mạnh trong khi các nguồn năng lượng hóa thạch truyền thống đang dần cạn kiệt, đặt ra thách thức lớn về việc tìm kiếm và phát triển các nguồn năng lượng thay thế bền vững. Trong số các nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng mặt trời được đánh giá là có tiềm năng lớn nhất với trữ lượng dồi dào và khả năng ứng dụng rộng rãi trên toàn thế giới. Tại Việt Nam, các hệ thống pin mặt trời công suất vừa và nhỏ (từ vài kW đến vài chục kW) đang được triển khai ngày càng nhiều nhằm đáp ứng nhu cầu điện năng sạch và giảm thiểu tác động môi trường.

Tuy nhiên, việc khai thác hiệu quả năng lượng từ các hệ thống này gặp nhiều khó khăn do đặc tính không ổn định của nguồn năng lượng mặt trời, phụ thuộc vào điều kiện thời tiết như cường độ bức xạ và nhiệt độ. Đặc biệt, hiện tượng bóng che không đồng đều trên các tấm pin mặt trời làm thay đổi đặc tuyến điện áp-dòng điện (I-V) và công suất (P-V), gây ra các điểm cực đại cục bộ (Local Maximum Power Point - LMPP) làm giảm hiệu quả thu nhận năng lượng. Do đó, việc nghiên cứu và phát triển các bộ biến đổi DC-DC giảm áp tỉ số cao, có khả năng ổn định điện áp đầu ra và giảm gợn dòng điện, là rất cần thiết để tối ưu hóa hiệu suất hệ thống.

Mục tiêu của luận văn là thiết kế, mô phỏng và đánh giá một cấu hình bộ biến đổi DC-DC giảm áp tỉ số cao phù hợp cho các hệ thống pin mặt trời công suất vừa và nhỏ, nhằm nâng cao hiệu quả chuyển đổi năng lượng và giảm thiểu tổn thất. Nghiên cứu tập trung vào giai đoạn từ năm 2019 đến 2021, với phạm vi áp dụng tại các hệ thống PV quy mô vừa và nhỏ tại Việt Nam. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các giải pháp điện tử công suất hiệu quả, góp phần thúc đẩy ứng dụng năng lượng tái tạo trong thực tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Mô hình toán pin quang điện (PV): Bao gồm mô hình lý tưởng và mô hình thực tế có xét đến điện trở nội, mô tả đặc tuyến I-V và P-V của tấm pin dưới các điều kiện bức xạ và nhiệt độ khác nhau. Mô hình này giúp phân tích hiệu suất và điểm công suất cực đại (MPP) của hệ thống.

  • Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi DC-DC: Tập trung vào các mạch giảm áp (buck converter) và tăng áp (boost converter), với các thành phần cơ bản như transistor, diode, cuộn cảm và tụ điện. Các phương trình mô tả điện áp đầu ra, dòng điện và tỉ số biến áp được sử dụng để thiết kế mạch.

  • Phương pháp dò điểm công suất cực đại (MPPT): Giải quyết bài toán tìm điểm làm việc tối ưu của tấm pin trong điều kiện biến động bức xạ và bóng che, nhằm tận dụng tối đa công suất thu được. Các thuật toán MPPT và cấu hình mạch tích hợp MPPT được xem xét.

  • Các phương pháp điều khiển bộ biến đổi DC-DC: Bao gồm điều khiển chế độ điện áp (Voltage Mode Control - VMC), điều khiển chế độ dòng điện (Current Mode Control - CMC) và điều khiển chế độ trượt (Sliding Mode Control - SMC). Mỗi phương pháp có ưu nhược điểm riêng trong việc duy trì điện áp đầu ra ổn định dưới các điều kiện tải và nguồn biến đổi.

Các khái niệm chính được sử dụng gồm: tỉ số biến áp (k), điện áp hở mạch (Voc), dòng điện ngắn mạch (Isc), điểm công suất cực đại (VMPP, IMPP), gợn dòng điện, hiệu suất chuyển đổi, và hiện tượng bóng che.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp tổng hợp tài liệu, thiết kế mạch điện tử công suất, mô phỏng và phân tích kết quả:

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập từ các tài liệu chuyên ngành về pin mặt trời, bộ biến đổi DC-DC, thuật toán MPPT và các phương pháp điều khiển mạch điện tử công suất. Dữ liệu thực nghiệm và mô phỏng được lấy từ phần mềm PSIM chuyên dụng.

  • Phương pháp phân tích: Thiết lập mô hình toán học của hệ thống pin mặt trời và bộ biến đổi DC-DC, xây dựng sơ đồ nguyên lý mạch giảm áp tỉ số cao, áp dụng các phương pháp điều khiển VMC, CMC và SMC để so sánh hiệu quả. Mô phỏng điện tử công suất được thực hiện để đánh giá hiệu suất, độ ổn định điện áp và gợn dòng điện.

  • Cỡ mẫu và timeline: Nghiên cứu tập trung vào các hệ thống PV công suất từ vài kW đến vài chục kW, phù hợp với quy mô vừa và nhỏ tại Việt Nam. Quá trình nghiên cứu kéo dài từ tháng 09/2019 đến tháng 04/2021, bao gồm giai đoạn thu thập tài liệu, thiết kế mạch, mô phỏng và phân tích kết quả.

Phương pháp nghiên cứu đảm bảo tính khoa học, thực tiễn và khả năng ứng dụng cao trong lĩnh vực kỹ thuật điện và năng lượng tái tạo.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thiết kế thành công mạch biến đổi DC-DC giảm áp tỉ số cao: Mạch được đề xuất có khả năng biến đổi điện áp từ 400V xuống 25V, phù hợp với các hệ thống pin mặt trời công suất vừa và nhỏ. Kết quả mô phỏng cho thấy hiệu suất trung bình đạt khoảng 60%, với công suất đầu ra tối đa 164W ở điện áp đầu vào 80V.

  2. Giảm gợn dòng điện và ổn định điện áp đầu ra: Sử dụng kỹ thuật ghép xen kẽ kết hợp với giảm điện áp bằng tụ điện và giảm dòng bằng cuộn cảm giúp mạch đạt được độ gợn dòng điện thấp hơn và điện áp đầu ra ổn định hơn so với mạch giảm áp cơ bản. Điều này phù hợp với yêu cầu vận hành công suất lớn và tăng tuổi thọ linh kiện.

  3. So sánh các phương pháp điều khiển: Phương pháp điều khiển chế độ trượt (SMC) cho hiệu suất và độ ổn định điện áp đầu ra tốt hơn so với điều khiển chế độ điện áp (VMC) và điều khiển chế độ dòng điện (CMC), đặc biệt trong điều kiện tải và nguồn biến đổi mạnh.

  4. Ảnh hưởng của hiện tượng bóng che: Nghiên cứu chỉ ra rằng cấu hình mạch giảm áp tỉ số cao giúp giảm thiểu tác động tiêu cực của bóng che không đồng đều trên các tấm pin, qua đó nâng cao khả năng dò điểm công suất cực đại (MPPT) và hiệu quả khai thác năng lượng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các phát hiện trên là do cấu hình mạch biến đổi DC-DC được cải tiến với nhiều tầng khóa điện và linh kiện phân tán, giúp giảm tổn thất điện năng và nhiệt độ hoạt động của linh kiện. Việc áp dụng kỹ thuật ghép xen kẽ và giảm điện áp bằng tụ điện, dòng điện bằng cuộn cảm làm giảm gợn dòng, từ đó tăng hiệu suất và độ bền của mạch.

So với các nghiên cứu trước đây, mạch đề xuất có chi phí đầu tư thấp hơn so với các giải pháp tích hợp MPPT vào từng tấm pin, đồng thời đơn giản hóa hệ thống điều khiển. Kết quả mô phỏng trên phần mềm PSIM cho thấy mạch hoạt động ổn định trong nhiều điều kiện tải và nguồn khác nhau, phù hợp với thực tế vận hành các hệ thống PV quy mô vừa và nhỏ.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đặc tuyến I-V và P-V của tấm pin dưới các điều kiện bóng che, biểu đồ hiệu suất mạch theo điện áp đầu vào và tải, cũng như dạng sóng điện áp và dòng điện tại các điểm khác nhau trong mạch để minh họa độ gợn và ổn định.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai ứng dụng mạch biến đổi DC-DC tỉ số cao trong các hệ thống PV vừa và nhỏ: Khuyến khích các đơn vị lắp đặt và vận hành hệ thống pin mặt trời áp dụng cấu hình mạch này để nâng cao hiệu suất chuyển đổi và giảm tổn thất điện năng. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng; Chủ thể: các công ty điện năng lượng tái tạo.

  2. Phát triển phần mềm điều khiển MPPT tích hợp với mạch biến đổi: Nghiên cứu và ứng dụng các thuật toán MPPT tối ưu, đặc biệt là điều khiển chế độ trượt (SMC) để tăng độ chính xác và tốc độ dò điểm công suất cực đại. Thời gian: 12 tháng; Chủ thể: các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ.

  3. Tăng cường đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật cho kỹ sư và kỹ thuật viên về thiết kế, vận hành và bảo trì bộ biến đổi DC-DC tỉ số cao, nhằm nâng cao năng lực chuyên môn và đảm bảo vận hành hiệu quả. Thời gian: liên tục; Chủ thể: các trường đại học và trung tâm đào tạo.

  4. Nghiên cứu mở rộng quy mô và tích hợp hệ thống: Khảo sát và phát triển các giải pháp mở rộng cho hệ thống PV quy mô lớn hơn, đồng thời tích hợp với các nguồn năng lượng tái tạo khác để tối ưu hóa nguồn cung cấp điện. Thời gian: 18-24 tháng; Chủ thể: các tổ chức nghiên cứu và doanh nghiệp năng lượng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về thiết kế mạch biến đổi DC-DC, mô hình pin mặt trời và các phương pháp điều khiển, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực điện tử công suất và năng lượng tái tạo.

  2. Doanh nghiệp sản xuất và lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời: Thông tin về cấu hình mạch và hiệu suất giúp các doanh nghiệp lựa chọn giải pháp kỹ thuật phù hợp, tối ưu chi phí và nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống.

  3. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng các chính sách hỗ trợ phát triển năng lượng tái tạo, đặc biệt là các hệ thống PV quy mô vừa và nhỏ tại Việt Nam.

  4. Các trung tâm đào tạo và giảng dạy kỹ thuật: Tài liệu luận văn là nguồn tham khảo quý giá cho việc xây dựng chương trình đào tạo về điện tử công suất, hệ thống năng lượng mặt trời và kỹ thuật điều khiển.

Câu hỏi thường gặp

  1. Bộ biến đổi DC-DC giảm áp tỉ số cao là gì và tại sao cần thiết cho hệ thống pin mặt trời?
    Bộ biến đổi DC-DC giảm áp tỉ số cao là mạch điện tử công suất dùng để hạ điện áp đầu vào cao xuống mức điện áp thấp hơn phù hợp với tải hoặc hệ thống. Nó giúp ổn định điện áp đầu ra, giảm tổn thất và tăng hiệu suất khai thác năng lượng từ pin mặt trời, đặc biệt trong các hệ thống công suất vừa và nhỏ.

  2. Hiện tượng bóng che ảnh hưởng như thế nào đến hiệu suất hệ thống PV?
    Bóng che không đồng đều làm giảm cường độ bức xạ trên một số tấm pin, gây ra các điểm cực đại cục bộ trên đặc tuyến công suất (LMPP). Điều này làm cho thuật toán MPPT khó xác định điểm công suất cực đại thực sự, dẫn đến giảm hiệu suất thu năng lượng.

  3. Phương pháp điều khiển nào hiệu quả nhất cho bộ biến đổi DC-DC trong nghiên cứu này?
    Phương pháp điều khiển chế độ trượt (SMC) được đánh giá là hiệu quả nhất, giúp duy trì điện áp đầu ra ổn định và giảm dao động trong điều kiện tải và nguồn biến đổi, vượt trội hơn so với điều khiển chế độ điện áp (VMC) và chế độ dòng điện (CMC).

  4. Hiệu suất trung bình của mạch biến đổi DC-DC đề xuất là bao nhiêu?
    Mạch đạt hiệu suất trung bình khoảng 60% trong các mô phỏng với công suất đầu ra tối đa 164W ở điện áp đầu vào 80V, phù hợp với yêu cầu vận hành các hệ thống PV công suất vừa và nhỏ.

  5. Làm thế nào để giảm gợn dòng điện trong bộ biến đổi DC-DC?
    Nghiên cứu sử dụng kỹ thuật ghép xen kẽ kết hợp với giảm điện áp bằng tụ điện và giảm dòng bằng cuộn cảm, giúp giảm gợn dòng điện, tăng độ ổn định điện áp đầu ra và kéo dài tuổi thọ linh kiện trong mạch.

Kết luận

  • Đã thiết kế và mô phỏng thành công bộ biến đổi DC-DC giảm áp tỉ số cao phù hợp cho hệ thống pin mặt trời công suất vừa và nhỏ, với hiệu suất trung bình đạt khoảng 60%.
  • Cấu hình mạch cải tiến giúp giảm gợn dòng điện và ổn định điện áp đầu ra, nâng cao hiệu quả chuyển đổi năng lượng và độ bền của linh kiện.
  • Phương pháp điều khiển chế độ trượt (SMC) được chứng minh là tối ưu trong việc duy trì điện áp ổn định dưới điều kiện tải và nguồn biến đổi.
  • Nghiên cứu góp phần giải quyết vấn đề bóng che và điểm công suất cực đại cục bộ trong hệ thống PV, tăng khả năng khai thác năng lượng mặt trời hiệu quả hơn.
  • Đề xuất các giải pháp ứng dụng, đào tạo và phát triển công nghệ nhằm thúc đẩy việc triển khai rộng rãi các hệ thống năng lượng tái tạo tại Việt Nam.

Hành động tiếp theo: Các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp nên phối hợp triển khai thử nghiệm thực tế, đồng thời phát triển các thuật toán điều khiển MPPT tích hợp để nâng cao hiệu quả hệ thống. Để biết thêm chi tiết và hỗ trợ kỹ thuật, vui lòng liên hệ với tác giả hoặc trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.