CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu Các nguồn năng lượng lớn chủ yếu có nguồn gốc năng lượng hóa thạch luôn có xu hướng gây ô nhiễm môi trường, hiện nay đang cạn kiệt dần và làm cho trái đất ấm dần lên và làm ảnh hưởng đến môi trường sinh thái. Việc tìm ra nguồn năng lượng sạch, vô tận luôn là ưu tiên hàng đầu. Năng lượng mặt trời, năng lượng gió đã thỏa mãn được những yêu cầu trên, nhưng có công suất không lớn và giá thành còn quá đắt [1]. Việc nghiên cứu và sử dụng năng lượng mặt trời là một trong những hướng phát triển được nhiều sự chú ý vì tính ưu việt của nó như: luôn có sẵn, siêu sạch và gần như vô tận, tuy nhiên sử dụng nó một cách hiệu quả vẫn là vấn đề luôn được quan tâm, vì vậy trong những năm gần đây hoạt động nghiên cứu năng lượng tái tạo nói chung và năng lượng mặt trời nói riêng ở nước ta đã được triển khá mạnh mẽ và rộng khắp.
Bên cạnh đó có nhiều thách thức liên quan đến sử dụng năng lượng mặt trời, đặc biệt là quan tâm đến giá thành và hiệu suất chuyển đổi năng lượng của pin mặt trời, chi phí đầu tư pin năng lượng mặt trời. Tuy nhiên vì nhu cầu và điều kiện về vị trí địa lý (đặc biệt như là vùng hải đảo ở Kiên Giang) nên hiện nay nguồn năng lượng mặt trời vẫn đang được sử dụng rất nhiều, cho nên rất cần thiết cải thiện hiệu suất phương pháp sử dụng pin năng lượng mặt trời thông qua việc dò công suất cực đại để đảm bảo pin năng lượng mặt trời luôn vận hành ở điều kiện tối ưu và công suất pin đạt được giá trị cực đại đó cũng chính là nội dung tác giả đề tài này nghiên cứu. Pin năng lượng mặt trời hay Pin mặt trời hay pin quang điện là phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các cảm biến ánh sáng là điốt quang, thực hiện biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện. Sự chuyển đổi này thực hiện theo hiệu ứng quang điện [1].
1 Các pin năng lượng mặt trời có nhiều ứng dụng trong thực tế. Do giá thành còn đắt, chúng đặc biệt thích hợp cho các vùng mà điện lưới khó vươn tới như núi cao, ngoài đảo xa, hoặc phục vụ các hoạt động trên không gian; cụ thể như các vệ tinh quay xung quanh quỹ đạo trái đất, máy tính xách tay, các máy điện thoại cầm tay từ xa, thiết bị bơm nước. Các Pin năng lượng mặt trời được thiết kế như những modul thành phần, được ghép lại với nhau tạo thành các tấm năng lượng mặt trời có diện tích lớn, thường được đặt trên nóc các tòa nhà nơi chúng có thể có thể đó ánh sáng nhiều nhất, và kết nối với bộ chuyển đổi của mạng lưới điện. Các tấm pin mặt Trời lớn ngày nay được lắp thêm bộ phận tự động điều khiển để có thể xoay theo hướng ánh sáng, giống như cây xanh hướng về ánh sáng mặt trời.
Bộ ắc-quy Là thiết bị lưu trữ điện để sử dụng vào ban đêm hoặc lúc trời ít hoặc không còn ánh nắng. Ắc-quy có nhiều loại, kích thước và dung lượng khác nhau, tùy thuộc vào công suất và đặc điểm của hệ thống pin mặt trời. Hệ thống có công suất càng lớn thì cần sử dụng Ăc-quy có dung lượng lớn hoặc dùng nhiều bình Ắc-quy kết nối lại với nhau dùng trong hệ thống năng lượng mặt trời thường dùng Ắc-quy khô chuyên dụng hoặc Ắc-quy viễn thông [4]. Đề tài này cho ta cái nhìn tổng quan về năng lượng mặt trời và phương pháp thu được năng lượng mặt trời cực đại nhất dùng bộ điều khiển PID, đồng thời khảo sát các thiết bị để sử dụng năng lượng mặt trời cho hộ gia đình.
Thông qua đề tài này cho ta những lựa chọn hợp lý để tìm được điểm cực đại của Pin năng lượng mặt trời đưa điện mặt trời vào cuộc sống của hộ gia đình. Đã có nhiều phương pháp điều khiển khác nhau để dò tìm điểm cực đại của hệ thống Pin mặt trời, nhưng điểm khác nhau giữa các phương pháp là hiệu suất và giá thành, mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và hạn chế riêng. Ở đề tài này tác giả thử nghiệm sử dụng bộ PID dò tìm điểm công suất cực đại của Pin mặt trời và cái nhìn tổng quan về hệ MPPT lên hệ thống năng lượng mặt trời làm việc độc lập [4]. Giải thuật PID là giải thuật cơ bản bao gồm một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (bộ điều khiển PID- Proportional Integral Derivative) theo cơ chế phản hồi, được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp – Bộ điều khiển 2 PID sẽ tính toán giá trị "sai số" là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn, sử dụng bộ điều khiển PID ta có thể điều chỉnh nguồn năng lượng thu được khi thay đổi cường độ ánh sáng [20-21].
Giải thuật PID cũng khắc phục được nhược điểm của giải thuật P&O truyền thống, và tỏ ra có một số ưu điểm so với P&O cải tiến theo phương pháp hồi tiếp và điều chỉnh giá trị điều khiển. Giải thuật tính toán bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng biệt, do đó đôi khi nó còn được gọi là điều khiển ba khâu: các giá trị tỉ lệ, tích phân và đạo hàm, viết tắt là P, I, và D. Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại, giá trị tích phân xác định tác động của tổng các sai số quá khứ, và giá trị vi phân xác định tác động của tốc độ biến đổi sai số. Nhờ vậy, những giá trị này có thể làm sáng tỏ về quan hệ thời gian: P phụ thuộc vào sai số hiện tại, I phụ thuộc vào tích lũy các sai số quá khứ, và D dự đoán các sai số tương lai, dựa vào tốc độ thay đổi hiện tại.
Bằng cách điều chỉnh 3 hằng số trong giải thuật của bộ điều khiển PID, bộ điều khiển có thể dùng trong những thiết kế có yêu cầu đặc biệt. Việc xác định các thông số của bộ điều khiển PID bằng các phương pháp thực nghiệm có ưu điểm là đơn giản và trực quan, yêu cầu chỉ cần biết một ít thông tin về hàm truyền đạt của qúa trình và kết qủa đạt được có thể chấp nhận. Tuy nhiên đối với những ứng dụng đòi hỏi chất lượng cao hơn thì các thông số của bộ điều khiển PID sau khi được xác định phải được thay đổi để đạt chất lượng như mong muốn. So với nhiều phương pháp thực nghiệm việc xác định các thông số cho bộ điều khiển PID mất nhiều thời gian hơn.
Khi thực hiện bộ điều khiển PID có 3 kỹ thuật thích nghi chính: - Điều khiển thích nghi: Một bộ điều khiển mà các thông số cửa nó sẽ được điều chỉnh liên tục để đáp ứng với các thay đổi trong quá độ và ảnh hưởng của nhiễu. - Tự chỉnh ( Self tuning) ; Tự chỉnh trong đó bộ điều khiển được điều chỉnh tự động theo yêu cầu của người sử dụng thông qua phương pháp tính toán các thông số của bộ điều khiển PID thường dùng. Tự chỉnh gồm có 3 bước: Tạo nhiễu quá trình; Đánh giá đáp ứng nhiễu; Tính toán các thông số của bộ điều khiển. 3 - Quy trình điều khiển: Xây dựng một bảng danh mục các điều kiện vận hành, dựa vào bảng này mà có thể cho phép thay đổi nhanh chóng các thông số của bộ điều khiển trong các điều kiện vận hành khác nhau.2 Các kết quả nghiên cứu có liên quan Trên thế giới và trong nước đã có nhiều nghiên cứu về hệ thống pin mặt trời, chủ yếu trong các lĩnh vực sau: * Mô phỏng theo dõi điểm công suất tối đa của hệ thống PV dựa trên điều khiển Fuzzy Logic[7].
Bài viết này trình bày một cách tìm điểm công suất tối đa (MPPT) sử dụng lý thuyết Fuzzy Logic cho một hệ thống PV. Công việc được tập trung vào quan sát (P & O) và thuật toán được so sánh với một bộ điều khiển logic mờ, các công việc mô phỏng đối phó với bộ điều khiển MPPT; một bộ chuyển đổi DC / DC Cuk sử dụng cho một tải trọng là đạt được. Kết quả cho thấy rằng đề xuất Fuzzy Logic MPPT trong hệ thống PV là hợp lệ. * Toán học Mô hình hóa và mô phỏng kỹ thuật số của PV Solar Panel sử dụng phần mềm MATLAB – MBOUMBOUE [21].
Bài báo khoa học này đề cập đến phương pháp đơn giản của mô hình hóa và mô phỏng các tấm quang điện sử dụng gói phần mềm MATLAB. Phương pháp này được sử dụng để xác định các đặc trưng của PV panel và để nghiên cứu ảnh hưởng của các giá trị khác nhau của bức xạ mặt trời ở nhiệt độ khác nhau liên quan đến hiệu suất của tế bào quang điện. * Advanced Fuzzy MPPT Controller for a stand-alone PV system [22]. Trong bài báo này, một phương pháp thông minh theo dõi quan điểm cực đại (MPPT) sử dụng điều khiển logic mờ cho hệ thống quang điện (PV).
Các hệ thống PV gồm PV mảng năng lượng mặt trời, buck DC-DC chuyển đổi, và điều khiển MPPT. Fuzzy điều khiển logic (FLC) dễ dàng để thực hiện. Kết quả mô phỏng so với những người thu được bởi sự nhiễu loạn thông thường và quan sát (P&O) kỹ thuật cho thấy tính hiệu quả của bộ điều khiển logic mờ trong điều kiện thời tiết khác nhau trạng thái ổn định. 4 * Các phương pháp điều khiển công suất tác dụng, công suất phản kháng và dòng điện bơm vào lưới của hệ thống pin mặt trời nối lưới [10].
* Comparison of photovoltaic array maximum power point tracking techniques, 2006, Trishan Esram, Patrik L. Bài báo khoa học này đề cập đến nhiều giải thuật như: P&O, Incremental conductance, Fractional open circuit voltage, … Tuy nhiên chúng ta chỉ giới hạn xem xét giải thuật P&O - P&O còn gọi là phương pháp “leo đồi”, nội dung là điều khiển tăng hoặc giảm điện áp sao cho công suất thu được là cực đại. Đặc tính công suất phụ thuộc vào điện áp đầu ra Hình 1.1: Đặc tính công suất phụ thuộc vào điện áp đầu ra Thuyết minh giải thuật P&O: Nếu tăng điện áp, công suất thu được tăng, thì chu kỳ sau tiếp tục tăng điện áp Nếu tăng điện áp, công suất thu được giảm, thì chu kỳ sau giảm điện áp Nếu giảm điện áp, công suất thu được tăng, thì chu kỳ sau tiếp tục giảm điện áp Nếu giảm điện áp, công suất thu được giảm, thì chu kỳ sau tăng điện áp.