Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu năng lượng toàn cầu đang tăng trưởng nhanh chóng, trong khi các nguồn năng lượng hóa thạch truyền thống đang dần cạn kiệt. Theo ước tính, năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời, được xem là nguồn năng lượng có trữ lượng lớn nhất và tiềm năng phát triển bền vững. Hệ thống pin mặt trời công suất vừa và nhỏ, với công suất từ vài kW đến vài chục kW, đang được ứng dụng rộng rãi tại nhiều địa phương nhằm đáp ứng nhu cầu điện năng sạch và giảm phát thải khí nhà kính.

Tuy nhiên, nguồn công suất đầu vào của các hệ thống năng lượng mặt trời thường không ổn định do phụ thuộc vào điều kiện thời tiết như cường độ bức xạ và nhiệt độ. Điều này gây khó khăn trong việc khai thác tối đa công suất từ các tấm pin mặt trời. Do đó, việc nghiên cứu và phát triển các bộ biến đổi DC-DC có tỉ số biến áp cao, kết hợp với thuật toán dò điểm công suất cực đại (MPPT), là rất cần thiết để nâng cao hiệu suất và tính ổn định của hệ thống.

Mục tiêu chính của luận văn là đề xuất một cấu hình mạch biến đổi DC-DC tỉ số cao, phù hợp cho các hệ thống pin mặt trời công suất vừa và nhỏ, nhằm tối ưu hóa hiệu suất chuyển đổi điện năng và giảm thiểu tổn thất. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn từ 2018 đến 2020 tại thành phố Hồ Chí Minh, với phạm vi tập trung vào thiết kế, mô phỏng và thực nghiệm mạch biến đổi điện áp.

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 tại Việt Nam, đặc biệt trong các hệ thống điện mặt trời áp mái quy mô vừa và nhỏ.

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 nội trở, mô tả đặc tuyến dòng điện - điện áp (I-V) và công suất - điện áp (P-V) của tấm pin dưới các điều kiện bức xạ và nhiệt độ khác nhau.

  • Bài toán dò điểm công suất cực đại (MPPT): Các thuật toán phổ biến như phương pháp điện áp hằng số, P&O (Perturb and Observe), và INC (Incremental Conductance) được áp dụng để xác định điểm làm việc tối ưu của hệ thống PV nhằm khai thác tối đa công suất.

  • Các bộ biến đổi DC-DC cơ bản: Mạch tăng áp (Boost), giảm áp (Buck), và các kỹ thuật nâng cao như tế bào nhân áp (Voltage Multiplier Cell - VMC), ghép từ, và mạch ghép tầng được nghiên cứu để thiết kế bộ biến đổi có tỉ số biến áp cao, giảm gợn dòng và tăng hiệu suất.

Ba khái niệm chính được tập trung gồm: đặc tuyến PV, thuật toán MPPT, và cấu trúc mạch biến đổi DC-DC tỉ số cao.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm tài liệu chuyên ngành, các bài báo khoa học, và dữ liệu thực nghiệm từ mô phỏng và thử nghiệm thực tế.

Phương pháp nghiên cứu gồm:

  • Thu thập và phân tích tài liệu: Tổng hợp các nghiên cứu trước đây về biến đổi DC-DC và MPPT trong hệ thống pin mặt trời.

  • Thiết kế mạch và mô hình toán: Xây dựng sơ đồ nguyên lý mạch biến đổi DC-DC tỉ số cao, phân tích lý thuyết hoạt động và tính toán tổn thất dựa trên các thông số linh kiện.

  • Mô phỏng: Sử dụng phần mềm PSIM để mô phỏng hoạt động mạch, đánh giá hiệu suất, điện áp, dòng điện và gợn sóng.

  • Thực nghiệm: Thi công mạch thực tế với công suất thử nghiệm 250W, 500W và 1000W, đo đạc các thông số vận hành và so sánh với kết quả mô phỏng.

Cỡ mẫu nghiên cứu là các hệ thống pin mặt trời công suất vừa và nhỏ, với lựa chọn phương pháp phân tích dựa trên tính khả thi và độ chính xác cao trong mô phỏng và thực nghiệm. Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 10/2018 đến tháng 4/2020.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu suất mạch biến đổi DC-DC tỉ số cao: Kết quả thực nghiệm cho thấy hiệu suất đạt khoảng 90% ở công suất 1000W, cao hơn 5-7% so với mạch tăng áp cơ bản. Mạch đề xuất sử dụng kỹ thuật ghép xen kẽ kết hợp với tế bào cộng điện áp giúp giảm gợn dòng điện và tăng điện áp đầu ra lên đến 400V từ nguồn 50V.

  2. Giảm gợn dòng điện: Mạch ghép xen kẽ làm giảm gợn dòng điện đầu vào xuống dưới 10%, thấp hơn đáng kể so với mạch boost truyền thống có gợn dòng trên 20%. Điều này giúp tăng tuổi thọ linh kiện và giảm nhiễu điện từ.

  3. Khả năng điều khiển điện áp rộng: Mạch có thể điều chỉnh điện áp đầu ra trong dải rộng từ 200V đến 400V, phù hợp với các hệ thống pin mặt trời có số lượng tấm pin nối tiếp khác nhau, giúp tối ưu hóa công suất thu được.

  4. So sánh cấu hình nối tiếp và song song: Cấu hình nối tiếp giảm dòng điện hoạt động, tiết kiệm chi phí dây dẫn nhưng dễ bị ảnh hưởng bởi hiện tượng bóng che, trong khi cấu hình song song cho công suất cao hơn trong điều kiện bức xạ không đồng đều nhưng yêu cầu bộ biến đổi công suất phức tạp hơn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân hiệu suất cao và giảm gợn dòng của mạch đề xuất là do kỹ thuật ghép xen kẽ giúp chia sẻ dòng điện giữa các pha, giảm tổn thất chuyển mạch và dòng xung. Việc kết hợp tế bào cộng điện áp làm tăng điện áp đầu ra mà không cần tăng tỉ số chu kỳ PWM quá cao, tránh hiện tượng tổn thất hồi phục ngược của diode.

So với các nghiên cứu trước đây, mạch đề xuất có ưu điểm chi phí thấp hơn so với giải pháp tích hợp MPPT cho từng tấm pin, đồng thời phù hợp với quy mô vừa và nhỏ, nơi yêu cầu đầu tư hợp lý và hiệu quả vận hành cao.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hiệu suất theo công suất tải, biểu đồ gợn dòng điện so sánh giữa mạch đề xuất và mạch boost cơ bản, cũng như bảng so sánh các thông số vận hành ở các mức công suất khác nhau.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai ứng dụng mạch biến đổi DC-DC tỉ số cao trong hệ thống pin mặt trời áp mái: Động từ hành động là "ứng dụng", mục tiêu tăng hiệu suất chuyển đổi điện năng lên trên 90%, thời gian thực hiện trong vòng 12 tháng, chủ thể thực hiện là các doanh nghiệp và nhà đầu tư năng lượng tái tạo.

  2. Phát triển phần mềm điều khiển MPPT tích hợp với mạch biến đổi: Động từ "phát triển", nhằm tối ưu hóa điểm công suất cực đại trong điều kiện bức xạ không đồng đều, thời gian 6 tháng, chủ thể là các nhóm nghiên cứu và công ty công nghệ.

  3. Nâng cao chất lượng linh kiện và thiết kế mạch để giảm tổn thất và tăng độ bền: Động từ "cải tiến", mục tiêu giảm tổn thất điện năng ít nhất 5%, thời gian 9 tháng, chủ thể là nhà sản xuất linh kiện và kỹ sư thiết kế.

  4. Tổ chức đào tạo và chuyển giao công nghệ cho kỹ thuật viên vận hành hệ thống: Động từ "đào tạo", nhằm nâng cao năng lực vận hành và bảo trì hệ thống, thời gian 3 tháng, chủ thể là các trung tâm đào tạo và công ty lắp đặt.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện, điện tử: Giúp hiểu sâu về thiết kế mạch biến đổi DC-DC tỉ số cao và ứng dụng trong hệ thống năng lượng mặt trời.

  2. Doanh nghiệp sản xuất và cung cấp thiết bị điện tử công suất: Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển sản phẩm biến đổi điện áp hiệu suất cao, giảm chi phí và tăng tính cạnh tranh.

  3. Nhà đầu tư và quản lý dự án năng lượng tái tạo: Nắm bắt các giải pháp kỹ thuật tối ưu cho hệ thống pin mặt trời công suất vừa và nhỏ, từ đó đưa ra quyết định đầu tư hiệu quả.

  4. Kỹ thuật viên và nhân viên vận hành hệ thống điện mặt trời: Áp dụng kiến thức về cấu hình mạch và thuật toán MPPT để vận hành, bảo trì và tối ưu hóa hệ thống.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần sử dụng bộ biến đổi DC-DC tỉ số cao trong hệ thống pin mặt trời?
    Bộ biến đổi DC-DC tỉ số cao giúp nâng điện áp đầu ra từ mức thấp của tấm pin lên mức phù hợp với tải hoặc lưới điện, đồng thời tối ưu hóa công suất thu được nhờ khả năng điều chỉnh điện áp linh hoạt và giảm tổn thất.

  2. Thuật toán MPPT nào được áp dụng phổ biến nhất trong nghiên cứu này?
    Thuật toán P&O (Perturb and Observe) được sử dụng do tính đơn giản, hiệu quả và dễ dàng tích hợp trong hệ thống điều khiển mạch biến đổi.

  3. Mạch ghép xen kẽ có ưu điểm gì so với mạch tăng áp truyền thống?
    Mạch ghép xen kẽ giảm gợn dòng điện, tăng mật độ công suất và hiệu suất, đồng thời giảm tổn thất chuyển mạch và tăng độ bền cho linh kiện.

  4. Giải pháp nào được đề xuất để khắc phục hiện tượng bóng che trên tấm pin mặt trời?
    Giảm số lượng tấm pin nối tiếp trong chuỗi hoặc tích hợp bộ MPPT riêng cho từng tấm pin là hai giải pháp chính, tuy nhiên giải pháp tích hợp MPPT đòi hỏi chi phí cao hơn và không phù hợp với hệ thống quy mô vừa và nhỏ.

  5. Kết quả thực nghiệm có phù hợp với mô phỏng trên phần mềm PSIM không?
    Kết quả thực nghiệm cho thấy sự tương đồng cao với mô phỏng PSIM, khẳng định tính chính xác của mô hình và hiệu quả của mạch đề xuất trong thực tế.

Kết luận

  • Đã đề xuất thành công cấu hình mạch biến đổi DC-DC tỉ số cao, phù hợp cho hệ thống pin mặt trời công suất vừa và nhỏ, với điện áp đầu vào 50V và đầu ra lên đến 400V.
  • Mạch sử dụng kỹ thuật ghép xen kẽ kết hợp tế bào cộng điện áp giúp giảm gợn dòng điện và tăng hiệu suất lên khoảng 90%.
  • Thuật toán MPPT P&O được tích hợp hiệu quả, giúp khai thác tối đa công suất trong điều kiện bức xạ không đồng đều.
  • Kết quả mô phỏng và thực nghiệm tương đồng, chứng minh tính khả thi và hiệu quả của giải pháp.
  • Đề xuất các bước tiếp theo gồm phát triển phần mềm điều khiển, nâng cao chất lượng linh kiện và đào tạo nhân lực để ứng dụng rộng rãi trong thực tế.

Mời quý độc giả và các nhà nghiên cứu tiếp tục theo dõi và áp dụng các giải pháp trong luận văn nhằm thúc đẩy phát triển năng lượng tái tạo bền vững tại Việt Nam.