Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh nguồn năng lượng truyền thống như than đá, dầu mỏ ngày càng cạn kiệt và gây ra nhiều tác động tiêu cực đến môi trường, việc phát triển các nguồn năng lượng tái tạo trở thành nhiệm vụ cấp bách toàn cầu. Theo báo cáo của Cơ quan Thông tin Năng lượng Hoa Kỳ (EIA), dự kiến đến năm 2050, năng lượng tái tạo sẽ chiếm gần 50% sản lượng điện toàn cầu, trong đó năng lượng mặt trời có tốc độ tăng trưởng nhanh nhất. Tại Việt Nam, tiềm năng năng lượng mặt trời rất lớn với tổng số giờ nắng trên 2.500 giờ/năm và lượng bức xạ trung bình hàng năm khoảng 230-250 kcal/cm², tạo điều kiện thuận lợi cho phát triển các công nghệ khai thác năng lượng sạch này.

Tuy nhiên, nguồn điện từ năng lượng mặt trời là dòng điện một chiều (DC), trong khi hầu hết các thiết bị điện dân dụng sử dụng điện xoay chiều (AC). Do đó, việc thiết kế bộ chuyển đổi inverter để biến đổi nguồn DC thành AC là rất cần thiết, đặc biệt trong các hệ thống năng lượng mặt trời dùng làm nguồn dự phòng cho các khu vực vùng sâu, vùng xa, nơi chưa có điện lưới quốc gia. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là ứng dụng vi điều khiển AVR để thiết kế và chế tạo bộ inverter điều biến độ rộng xung (PWM) trong hệ thống năng lượng mặt trời, nhằm cung cấp nguồn điện xoay chiều ổn định, hiệu quả và tin cậy.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào thiết kế mạch inverter công suất trung bình sử dụng vi điều khiển ATmega16, linh kiện MOSFET IRF3205 làm khóa chuyển mạch, và biến áp xung để nâng điện áp từ 12V lên 310V. Thời gian thực hiện nghiên cứu từ tháng 5 đến tháng 11 năm 2019 tại Trường Đại học Sao Đỏ, Hải Dương. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ inverter phục vụ năng lượng tái tạo, góp phần nâng cao an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình kỹ thuật điện tử liên quan đến:

  • Inverter điều biến độ rộng xung (PWM): Là phương pháp điều khiển điện áp đầu ra của inverter bằng cách thay đổi độ rộng xung tín hiệu điều khiển, giúp tạo ra dạng sóng điện áp gần với sóng sin, giảm thành phần sóng hài và tăng hiệu suất chuyển đổi.

  • Mạch cầu H sử dụng MOSFET: Mạch cầu H gồm bốn linh kiện bán dẫn (MOSFET IRF3205) được điều khiển đóng mở luân phiên để tạo điện áp xoay chiều từ nguồn một chiều. MOSFET được chọn vì có tốc độ chuyển mạch cao, tổn hao thấp và khả năng làm việc ở tần số cao.

  • Vi điều khiển AVR ATmega16: Vi điều khiển 8 bit với kiến trúc RISC, bộ nhớ Flash 16KB, hỗ trợ nhiều tính năng ngoại vi như timer/counter, ADC, giao tiếp USART, giúp lập trình điều khiển chính xác tần số và độ rộng xung PWM.

Các khái niệm chính bao gồm: tần số chuyển mạch, góc mở xung PWM, điện áp đầu ra, dòng điện tải, và hiệu suất chuyển đổi.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các tài liệu kỹ thuật, báo cáo ngành năng lượng, và thực nghiệm mô hình inverter do tác giả thiết kế. Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

  • Thiết kế mạch điện tử: Tính toán lựa chọn linh kiện như biến áp xung, MOSFET, IC ổn áp (LA7805), opto cách ly (PC817), và IC tạo xung (TL494).

  • Lập trình vi điều khiển: Sử dụng ngôn ngữ C để lập trình ATmega16 tạo tín hiệu PWM điều khiển đóng mở MOSFET.

  • Thực nghiệm mô hình: Lắp ráp mạch inverter, đo đạc điện áp, dòng điện đầu ra, kiểm tra dạng sóng và hiệu suất hoạt động.

  • Phân tích kết quả: So sánh điện áp đầu ra với yêu cầu, đánh giá độ ổn định, hiệu suất và khả năng ứng dụng thực tế.

Cỡ mẫu nghiên cứu là một mô hình inverter công suất trung bình, phù hợp với nhu cầu sử dụng điện dự phòng tại hộ gia đình hoặc các thiết bị nhỏ. Phương pháp chọn mẫu là thiết kế theo tiêu chuẩn kỹ thuật và khả năng thực hiện trong điều kiện phòng thí nghiệm của trường đại học. Timeline nghiên cứu kéo dài 6 tháng, từ tháng 5 đến tháng 11 năm 2019.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả chuyển đổi điện áp: Mạch inverter sử dụng MOSFET IRF3205 và biến áp xung đã chuyển đổi thành công điện áp 12V DC từ pin mặt trời lên 310V AC với tần số 20kHz. Điện áp đầu ra ổn định trong khoảng ±5% so với giá trị thiết kế, đáp ứng yêu cầu sử dụng.

  2. Dạng sóng đầu ra gần sin: Sử dụng phương pháp điều biến độ rộng xung PWM, dạng sóng điện áp đầu ra có thành phần sóng hài bậc cao được giảm tối thiểu, giúp tăng hiệu suất và giảm tổn hao cho tải. So với inverter dạng sóng chữ nhật truyền thống, sóng PWM cải thiện chất lượng điện áp lên đến 30%.

  3. Tính ổn định và tin cậy: Vi điều khiển ATmega16 hoạt động ổn định với tần số xung PWM chính xác, mạch điều khiển có khả năng tự động chuyển đổi nguồn khi mất điện lưới, đảm bảo cung cấp điện liên tục. Thời gian chết giữa các xung được thiết kế hợp lý, tránh hiện tượng ngắn mạch pha.

  4. Tổn hao và làm mát: MOSFET IRF3205 có tổn hao chuyển mạch thấp, nhiệt độ hoạt động trong giới hạn cho phép (dưới 75°C) khi sử dụng tản nhiệt phù hợp. So với BJT truyền thống, MOSFET giảm tổn hao khoảng 20-25%, giúp tăng tuổi thọ thiết bị.

Thảo luận kết quả

Kết quả thực nghiệm cho thấy việc ứng dụng vi điều khiển AVR trong thiết kế inverter PWM là phù hợp và hiệu quả. Dữ liệu đo đạc có thể được trình bày qua biểu đồ dạng sóng điện áp đầu ra so sánh giữa inverter PWM và inverter truyền thống, cũng như bảng thống kê hiệu suất chuyển đổi và tổn hao nhiệt.

So với các nghiên cứu trước đây về inverter sử dụng BJT hoặc các phương pháp điều khiển khác, giải pháp sử dụng MOSFET IRF3205 và vi điều khiển ATmega16 cho phép đạt tần số chuyển mạch cao hơn (20kHz so với khoảng 10kHz), giảm nhiễu và tăng độ chính xác điều khiển. Điều này phù hợp với xu hướng phát triển công nghệ inverter hiện đại.

Ngoài ra, việc lựa chọn biến áp xung có công suất 750W và tần số 20kHz giúp giảm kích thước và trọng lượng thiết bị, thuận tiện cho ứng dụng thực tế tại các hộ gia đình hoặc các khu vực khó tiếp cận điện lưới. Tuy nhiên, nhược điểm của hệ thống là chi phí đầu tư ban đầu còn cao và yêu cầu kỹ thuật lắp đặt, bảo trì tương đối phức tạp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường nghiên cứu và phát triển phần mềm điều khiển: Cải tiến thuật toán điều khiển PWM trên vi điều khiển AVR để tối ưu hóa hiệu suất và giảm tổn hao năng lượng, hướng tới tích hợp các chức năng giám sát và tự động điều chỉnh theo tải.

  2. Ứng dụng công nghệ MOSFET thế hệ mới: Sử dụng các MOSFET có điện áp chịu đựng và dòng điện lớn hơn, tổn hao thấp hơn để nâng cao công suất và độ bền của inverter, đồng thời giảm kích thước tản nhiệt.

  3. Phát triển mô hình inverter đa pha và công suất lớn: Mở rộng nghiên cứu sang inverter ba pha hoặc công suất lớn hơn để phục vụ các ứng dụng công nghiệp và lưới điện thông minh.

  4. 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, lắp đặt và bảo trì inverter sử dụng vi điều khiển AVR, nhằm nâng cao năng lực ứng dụng công nghệ trong thực tế.

Các giải pháp trên nên được thực hiện trong vòng 1-2 năm tới, phối hợp giữa các trường đại học, viện nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực năng lượng tái tạo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành kỹ thuật điện tử, điện công nghiệp: Nghiên cứu sâu về thiết kế mạch inverter, ứng dụng vi điều khiển và công nghệ MOSFET trong hệ thống năng lượng tái tạo.

  2. Kỹ sư thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời và UPS: Áp dụng kiến thức thiết kế inverter PWM để phát triển các sản phẩm nguồn dự phòng hiệu quả, tiết kiệm chi phí.

  3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện tử công suất: Tham khảo để cải tiến sản phẩm inverter, nâng cao chất lượng và tính cạnh tranh trên thị trường.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Hiểu rõ công nghệ inverter trong hệ thống năng lượng mặt trời, từ đó xây dựng các chính sách hỗ trợ phát triển năng lượng tái tạo bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vi điều khiển AVR có ưu điểm gì trong thiết kế inverter?
    Vi điều khiển AVR như ATmega16 có kiến trúc RISC, tốc độ xử lý nhanh, bộ nhớ Flash lớn, hỗ trợ nhiều ngoại vi như timer, ADC, giúp tạo tín hiệu PWM chính xác và linh hoạt, từ đó nâng cao hiệu suất inverter.

  2. Tại sao chọn MOSFET IRF3205 làm linh kiện đóng cắt?
    MOSFET IRF3205 có điện áp chịu đựng 55V, dòng chịu đựng 110A, tổn hao thấp, tốc độ chuyển mạch cao, phù hợp cho inverter công suất trung bình, giúp giảm tổn hao và làm mát dễ dàng.

  3. Điều biến độ rộng xung (PWM) giúp gì cho inverter?
    PWM giúp điều chỉnh điện áp đầu ra gần với dạng sóng sin, giảm thành phần sóng hài, tăng hiệu suất chuyển đổi và giảm tổn hao nhiệt, cải thiện chất lượng nguồn điện cho tải.

  4. Biến áp xung có vai trò gì trong mạch inverter?
    Biến áp xung nâng điện áp từ 12V DC lên 310V AC, hoạt động ở tần số cao (20kHz), giúp giảm kích thước và trọng lượng so với biến áp truyền thống, tăng hiệu suất và ổn định điện áp đầu ra.

  5. Làm thế nào để đảm bảo mạch inverter hoạt động ổn định khi mất điện lưới?
    Mạch điều khiển được lập trình để tự động chuyển đổi nguồn từ điện lưới sang ắc quy khi mất điện, đảm bảo cung cấp điện liên tục cho tải, đồng thời có cơ chế bảo vệ và cách ly an toàn.

Kết luận

  • Luận văn đã thiết kế và chế tạo thành công bộ inverter điều biến độ rộng xung sử dụng vi điều khiển AVR ATmega16 và MOSFET IRF3205, đáp ứng yêu cầu chuyển đổi nguồn điện mặt trời thành điện xoay chiều ổn định.
  • Kết quả thực nghiệm cho thấy điện áp đầu ra đạt 310V AC với dạng sóng gần sin, hiệu suất chuyển đổi cao và tổn hao thấp.
  • Nghiên cứu góp phần phát triển công nghệ inverter phục vụ năng lượng tái tạo, đặc biệt cho các khu vực chưa có điện lưới.
  • Đề xuất mở rộng nghiên cứu về phần mềm điều khiển, công nghệ linh kiện và ứng dụng công suất lớn trong 1-2 năm tới.
  • Khuyến khích các đối tượng liên quan như sinh viên, kỹ sư, doanh nghiệp và cơ quan quản lý tham khảo để ứng dụng và phát triển công nghệ.

Hành động tiếp theo là triển khai các giải pháp đề xuất, đồng thời tổ chức đào tạo và chuyển giao công nghệ để nâng cao hiệu quả ứng dụng inverter trong hệ thống năng lượng mặt trời tại Việt Nam.