I. Tổng quan
Nghiên cứu này tập trung vào việc nghiên cứu và điều khiển bộ biến đổi DC-DC tăng áp ứng dụng cho pin năng lượng mặt trời. Hệ thống năng lượng tái tạo đang trở thành xu hướng toàn cầu, đặc biệt là năng lượng mặt trời do tính thân thiện với môi trường và khả năng tái tạo vô hạn. Bộ biến đổi DC-DC đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất năng lượng của hệ thống. Mục tiêu chính là cải thiện hiệu suất chuyển đổi năng lượng thông qua bộ điều khiển và giải thuật MPPT.
1.1. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu nhằm khảo sát và tính toán bộ biến đổi DC-DC tăng áp phù hợp với pin năng lượng mặt trời. Đồng thời, áp dụng giải thuật P&O để điều khiển bộ biến đổi DC-DC, giúp dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT). Mô phỏng trên phần mềm Matlab-Simulink để so sánh hiệu quả giữa hệ thống sử dụng và không sử dụng MPTT.
1.2. Đối tượng và giới hạn
Nghiên cứu giới hạn trong hệ thống công suất nhỏ 800W, tập trung vào mạch điện và bộ biến đổi DC-DC. Kết quả được kiểm chứng qua mô phỏng, chưa áp dụng thực nghiệm. Pin năng lượng mặt trời và bộ điều khiển là hai thành phần chính được phân tích.
II. Pin năng lượng mặt trời
Pin năng lượng mặt trời là thiết bị chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng thông qua hiệu ứng quang điện. Công nghệ năng lượng này được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống năng lượng tái tạo. Pin mặt trời có cấu tạo từ các lớp bán dẫn P-N, hoạt động dựa trên nguyên lý hấp thụ photon và tạo ra dòng điện.
2.1. Cấu tạo và nguyên lý
Pin năng lượng mặt trời gồm các tế bào quang điện được kết nối với nhau. Mỗi tế bào chứa lớp bán dẫn P-N, khi ánh sáng chiếu vào, các electron được giải phóng tạo ra dòng điện. Hiệu suất năng lượng của pin phụ thuộc vào cường độ ánh sáng và nhiệt độ môi trường.
2.2. Đặc tính làm việc
Đặc tính làm việc của pin năng lượng mặt trời được thể hiện qua đường cong I-V và P-V. Điểm công suất cực đại (MPP) là điểm mà pin đạt hiệu suất cao nhất. Bộ điều khiển MPPT được sử dụng để duy trì hoạt động của pin tại điểm này, đảm bảo hiệu suất năng lượng tối ưu.
III. Bộ biến đổi DC DC và giải thuật điều khiển
Bộ biến đổi DC-DC là thành phần quan trọng trong hệ thống năng lượng mặt trời, giúp chuyển đổi điện áp đầu ra của pin phù hợp với tải. Bộ biến đổi tăng áp (Boost) được lựa chọn để nâng cao điện áp đầu ra. Giải thuật MPPT được tích hợp vào bộ điều khiển để tối ưu hóa hiệu suất hệ thống.
3.1. Cấu trúc và nguyên lý
Bộ biến đổi Boost gồm cuộn cảm, diode, transistor và tụ điện. Nguyên lý hoạt động dựa trên việc đóng mở transistor để điều chỉnh điện áp đầu ra. Mạch điện này được thiết kế để đảm bảo hiệu suất năng lượng cao nhất.
3.2. Giải thuật MPPT
Giải thuật P&O là phương pháp phổ biến để dò tìm điểm công suất cực đại. Thuật toán này dựa trên nguyên tắc nhiễu loạn và quan sát sự thay đổi công suất để điều chỉnh chu kỳ đóng mở transistor. Bộ điều khiển tích hợp MPPT giúp hệ thống hoạt động ổn định trong mọi điều kiện.
IV. Mô phỏng và kết quả
Mô phỏng trên phần mềm Matlab-Simulink được thực hiện để đánh giá hiệu quả của bộ biến đổi DC-DC và giải thuật MPPT. Kết quả cho thấy hệ thống sử dụng MPPT đạt hiệu suất năng lượng cao hơn so với hệ thống không sử dụng.
4.1. Mô phỏng hệ thống
Mô hình mô phỏng bao gồm pin năng lượng mặt trời, bộ biến đổi Boost và bộ điều khiển MPPT. Các thông số đầu vào và đầu ra được ghi lại để phân tích. Hiệu suất năng lượng được tính toán dựa trên công suất đầu ra và đầu vào.
4.2. So sánh kết quả
Kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống sử dụng MPPT đạt hiệu suất năng lượng cao hơn 15-20% so với hệ thống không sử dụng. Bộ biến đổi DC-DC và giải thuật P&O đã chứng minh tính hiệu quả trong việc tối ưu hóa hệ thống năng lượng mặt trời.
