Đồ Án: Thiết Kế Bộ Sạc Ắc Quy NLMT Cho Đèn Đường LED - Bách Khoa HN

Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế bộ sạc ắc quy năng lượng mặt trời cho đèn đường LED. Giải pháp năng lượng sạch, hiệu quả và bền vững. Tìm hiểu ngay!

• Tác giả: Lê Tất Thắng
• Người hướng dẫn: GS. Tạ Cao Minh
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Tự Động Hoá Xí Nghiệp Công Nghiệp
• Đề tài: Thiết kế bộ sạc ắc quy sử dụng năng lượng mặt trời và ứng dụng cho tải đèn đường sử dụng LED
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỤC LỤC
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
• 1.1. Lịch sử
• 1.2. Phân loại hệ thống năng lượng mặt trời
• 1.2.1. Hệ thống năng lượng mặt trời độc lập
• 1.2.2. Hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới
• 1.3. Hệ thống sạc ắc quy sử dụng năng lượng mặt trời và ứng dụng cho tải đèn đường
• 1.4. Kết luận
• 2. CHƯƠNG 2: PIN MẶT TRỜI
• 2.1. Khái niệm về pin mặt trời
• 2.1.1. Định nghĩa
• 2.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
• 2.2.1. Cấu tạo
• 3. ẮC QUY AXIT CHÌ
• 4. ỨNG DỤNG CHO TẢI ĐÈN LED
• 5. LỰA CHỌN, TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI
• 6. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM
• KẾT LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Hướng dẫn sạc ắc quy năng lượng mặt trời cho đèn LED

Hệ thống sạc ắc quy năng lượng mặt trời cho đèn LED là một giải pháp chiếu sáng bền vững, đặc biệt hiệu quả cho các khu vực không có lưới điện hoặc cần tiết kiệm năng lượng. Đây là một dạng hệ thống điện mặt trời độc lập, hoạt động bằng cách chuyển đổi quang năng từ mặt trời thành điện năng, lưu trữ vào ắc quy và cung cấp cho đèn LED khi cần thiết. Nguyên lý cốt lõi của hệ thống dựa trên ba thành phần chính: tấm pin năng lượng mặt trời (PMT) để thu năng lượng, pin lưu trữ điện mặt trời (thường là ắc quy 12V) để dự trữ, và một bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời để quản lý quá trình sạc và xả. Theo nghiên cứu "Thiết kế bộ sạc ắc quy sử dụng năng lượng mặt trời và ứng dụng cho tải đèn đường sử dụng LED" của Đại học Bách Khoa Hà Nội, việc thiết kế một hệ thống hiệu quả đòi hỏi sự đồng bộ giữa các thành phần để tối ưu hóa việc khai thác năng lượng, bảo vệ ắc quy và đảm bảo tuổi thọ cho đèn LED. Hệ thống này không chỉ cung cấp nguồn sáng ổn định cho đèn đường năng lượng mặt trời hay đèn sân vườn solar mà còn góp phần giảm tải cho lưới điện quốc gia và bảo vệ môi trường nhờ sử dụng năng lượng sạch.

1.1. Nguyên lý hoạt động cơ bản của hệ thống điện mặt trời

Nguyên lý hoạt động của hệ thống bắt đầu từ tấm pin năng lượng mặt trời. Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào, các tế bào quang điện (solar cells) trong tấm pin sẽ tạo ra dòng điện một chiều (DC). Dòng điện này sau đó được dẫn đến bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời. Thiết bị này đóng vai trò trung tâm, điều chỉnh dòng điện và điện áp từ tấm pin để sạc cho pin lưu trữ điện mặt trời một cách an toàn và hiệu quả nhất. Bộ điều khiển sẽ ngăn chặn các sự cố như sạc quá đầy hoặc xả quá sâu, giúp kéo dài tuổi thọ của ắc quy. Vào ban ngày, hệ thống ưu tiên sạc đầy ắc quy. Khi trời tối, cảm biến ánh sáng trong bộ điều khiển sẽ kích hoạt, tự động ngắt chế độ sạc và chuyển sang cấp điện từ ắc quy cho đèn LED. Quá trình này đảm bảo đèn chiếu sáng suốt đêm và hệ thống sẵn sàng cho chu trình sạc mới vào ngày hôm sau.

1.2. Các thành phần chính trong một bộ sạc solar cho LED

Một bộ sạc ắc quy solar hoàn chỉnh cho đèn LED bao gồm bốn thành phần không thể thiếu. Thứ nhất là tấm pin năng lượng mặt trời, có nhiệm vụ hấp thụ bức xạ mặt trời và chuyển hóa thành điện năng. Công suất tấm pin cần được lựa chọn phù hợp với nhu cầu chiếu sáng và dung lượng ắc quy (Ah). Thứ hai là bộ điều khiển sạc, có thể là loại bộ điều khiển sạc PWM (giá thành hợp lý) hoặc bộ điều khiển sạc MPPT (hiệu suất cao hơn). Thứ ba là hệ thống lưu trữ, phổ biến nhất là ắc quy khô cho solar hoặc pin lithium cho năng lượng mặt trời, dùng để tích trữ năng lượng sử dụng vào ban đêm. Cuối cùng là tải tiêu thụ, chính là các loại đèn LED như đèn đường năng lượng mặt trời. Các thành phần này được kết nối với nhau thông qua hệ thống dây dẫn và các thiết bị bảo vệ để tạo thành một hệ thống điện mặt trời độc lập hoàn chỉnh.

II. Cách tối ưu sạc ắc quy năng lượng mặt trời tăng tuổi thọ

Việc thiết kế một hệ thống sạc ắc quy năng lượng mặt trời không chỉ dừng lại ở việc kết nối các thành phần. Thách thức lớn nhất nằm ở việc tối ưu hóa hiệu suất chuyển đổi năng lượng và bảo vệ tuổi thọ của ắc quy. Công suất tạo ra từ tấm pin năng lượng mặt trời thay đổi liên tục tùy thuộc vào cường độ bức xạ và nhiệt độ môi trường. Nếu không có một cơ chế điều khiển thông minh, hệ thống sẽ không thể khai thác được điểm công suất cực đại (MPP) của tấm pin, gây lãng phí năng lượng. Đồng thời, ắc quy là thành phần nhạy cảm và đắt tiền nhất. Việc sạc không đúng cách, như quá nạp (over-charge) hay xả quá sâu (deep-discharge), sẽ làm giảm dung lượng ắc quy (Ah) và rút ngắn vòng đời của nó. Đồ án của ĐHBK Hà Nội nhấn mạnh: "Các chế độ sạc tiêu chuẩn để đảm bảo tuổi thọ của ắc quy" là một trong những mục tiêu quan trọng. Do đó, một mạch sạc pin mặt trời hiện đại phải tích hợp các thuật toán tối ưu công suất và quy trình sạc đa giai đoạn để giải quyết triệt để những thách thức này, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và bền bỉ.

2.1. Tối ưu hóa công suất từ tấm pin năng lượng mặt trời

Để khai thác tối đa năng lượng, các hệ thống tiên tiến sử dụng bộ điều khiển sạc MPPT (Maximum Power Point Tracking). Thuật toán này liên tục dò tìm điểm mà tại đó tấm pin năng lượng mặt trời có thể tạo ra công suất lớn nhất. Như tài liệu tham khảo chỉ ra, đặc tính công suất của pin mặt trời là một đường cong phi tuyến và điểm MPP này thay đổi theo điều kiện thời tiết. Một bộ điều khiển sạc MPPT sẽ điều chỉnh điện áp và dòng điện đầu vào để hệ thống luôn hoạt động gần điểm MPP nhất, giúp tăng hiệu suất chuyển đổi lên đến 30% so với các bộ điều khiển thông thường như PWM. Việc này đặc biệt quan trọng vào những ngày ít nắng hoặc nhiều mây, khi mỗi watt năng lượng thu được đều quý giá.

2.2. Bí quyết bảo vệ và kéo dài tuổi thọ pin lưu trữ điện

Tuổi thọ của pin lưu trữ điện mặt trời phụ thuộc rất nhiều vào quy trình sạc và xả. Một bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời chất lượng cao phải có các tính năng bảo vệ toàn diện. Tính năng quan trọng nhất là tự động ngắt khi đầy, ngăn ngừa hiện tượng quá nạp gây phồng rộp, chai pin. Ngược lại, tính năng bảo vệ xả sâu (Low Voltage Disconnect) sẽ ngắt tải khi điện áp sạc của ắc quy xuống dưới ngưỡng an toàn, tránh làm hỏng cấu trúc hóa học bên trong. Ngoài ra, các tính năng như chống ngược cực, bảo vệ quá dòng, và bù nhiệt độ khi sạc cũng góp phần quan trọng trong việc duy trì hiệu suất và kéo dài tuổi thọ cho ắc quy 12V.

III. Phương pháp sạc ắc quy năng lượng mặt trời hiệu quả nhất

Để giải quyết bài toán tối ưu năng lượng, phương pháp sử dụng bộ điều khiển sạc MPPT được xem là hiệu quả nhất hiện nay. Không giống như bộ điều khiển sạc PWM chỉ hoạt động như một công tắc điện tử, bộ điều khiển MPPT là một bộ biến đổi DC-DC thông minh. Nó có khả năng "biến đổi" điện áp cao từ tấm pin thành điện áp thấp hơn phù hợp để sạc ắc quy, đồng thời tăng dòng sạc để bù lại, đảm bảo công suất được bảo toàn. Nghiên cứu của ĐHBK Hà Nội đã đi sâu vào việc "Sử dụng thuật toán P&O để điều khiển bám công suất cực đại". Thuật toán P&O (Perturb and Observe - Nhiễu loạn và Quan sát) là một trong những thuật toán MPPT phổ biến nhất nhờ tính đơn giản và hiệu quả. Bằng cách liên tục tạo ra một thay đổi nhỏ (nhiễu loạn) ở điện áp hoạt động và quan sát sự thay đổi của công suất, bộ điều khiển có thể "leo" lên đỉnh của đường cong công suất, đảm bảo tấm pin năng lượng mặt trời luôn cung cấp năng lượng tối đa có thể trong mọi điều kiện thời tiết.

3.1. Tìm hiểu thuật toán P O trong bộ điều khiển sạc MPPT

Thuật toán P&O hoạt động theo một logic đơn giản. Bộ điều khiển đo điện áp (V) và dòng điện (I) hiện tại để tính công suất (P = V * I). Sau đó, nó thay đổi một chút điện áp hoạt động (V) và đo lại công suất mới. Nếu công suất tăng lên, nó sẽ tiếp tục thay đổi điện áp theo cùng hướng đó. Nếu công suất giảm, nó sẽ đảo ngược hướng thay đổi. Quá trình này được lặp lại liên tục, giúp điểm hoạt động của hệ thống luôn dao động quanh điểm công suất cực đại (MPP). Mặc dù có nhược điểm là công suất bị dao động nhẹ quanh điểm tối ưu, nhưng P&O vẫn là một giải pháp mạnh mẽ và được ứng dụng rộng rãi trong các bộ điều khiển sạc MPPT nhờ cấu trúc dễ thực hiện và không đòi hỏi các cảm biến phức tạp.

3.2. So sánh bộ điều khiển sạc PWM và MPPT trong thực tế

Trong thực tế, việc lựa chọn giữa bộ điều khiển sạc PWM và MPPT phụ thuộc vào quy mô hệ thống và ngân sách. Bộ điều khiển PWM (Pulse Width Modulation) phù hợp cho các hệ thống điện mặt trời độc lập nhỏ, nơi điện áp danh định của tấm pin gần bằng điện áp của ắc quy (ví dụ tấm pin 36 cell cho ắc quy 12V). Nó hoạt động bằng cách giảm dần độ rộng xung để hạn chế dòng điện khi ắc quy gần đầy. Ngược lại, bộ điều khiển sạc MPPT mang lại hiệu quả vượt trội cho các hệ thống lớn hơn, đặc biệt khi điện áp tấm pin cao hơn đáng kể so với điện áp ắc quy. MPPT có thể khai thác thêm từ 10% đến 30% năng lượng so với PWM, đặc biệt hiệu quả trong điều kiện thời tiết lạnh và ít nắng.

IV. Hướng dẫn sạc ắc quy solar cho đèn LED an toàn đúng cách

Sạc ắc quy đúng cách là yếu tố then chốt để đảm bảo tuổi thọ và hiệu suất của hệ thống. Đối với ắc quy axit-chì, loại phổ biến trong các ứng dụng năng lượng mặt trời, một quy trình sạc tiêu chuẩn gồm nhiều giai đoạn là bắt buộc. Theo nghiên cứu, "phương pháp nạp kết hợp dòng và áp" được xem là tối ưu nhất, khắc phục nhược điểm của các phương pháp sạc riêng lẻ. Mạch sạc pin mặt trời hiện đại sẽ tự động thực hiện quy trình này. Quá trình bắt đầu với giai đoạn sạc dòng lớn (Bulk), nơi ắc quy được nạp nhanh chóng khoảng 80% dung lượng. Khi điện áp sạc đạt đến một ngưỡng nhất định, bộ điều khiển chuyển sang giai đoạn hấp thụ (Absorption), giữ điện áp không đổi và giảm dần dòng sạc để nạp đầy 20% dung lượng còn lại và cân bằng các cell pin. Cuối cùng, giai đoạn sạc duy trì (Float) cung cấp một dòng điện rất nhỏ để bù lại lượng tự xả của ắc quy. Việc tuân thủ quy trình này giúp ắc quy khô cho solar đạt được tuổi thọ thiết kế.

4.1. Quy trình sạc 3 giai đoạn tiêu chuẩn cho ắc quy axit chì

Quy trình sạc 3 giai đoạn là tiêu chuẩn vàng cho ắc quy khô cho solar và các loại ắc quy axit-chì khác. Giai đoạn 1 (Bulk Charge): Bộ điều khiển cho phép toàn bộ dòng điện từ tấm pin đi vào ắc quy cho đến khi điện áp sạc đạt mức khoảng 14.4V - 14.8V (đối với ắc quy 12V). Giai đoạn 2 (Absorption Charge): Điện áp được giữ ổn định ở mức trên, trong khi dòng sạc giảm dần khi ắc quy gần đầy. Giai đoạn này đảm bảo ắc quy được nạp no hoàn toàn. Giai đoạn 3 (Float Charge): Khi dòng sạc giảm xuống một mức rất thấp, bộ điều khiển giảm điện áp xuống khoảng 13.5V - 13.8V. Mức điện áp này đủ để giữ ắc quy đầy mà không gây ra hiện tượng quá nạp hay sôi dung dịch.

4.2. Tích hợp mạch sạc pin mặt trời với các tính năng bảo vệ

Một mạch sạc pin mặt trời an toàn không chỉ thực hiện quy trình sạc 3 giai đoạn mà còn phải tích hợp nhiều lớp bảo vệ. Tính năng chống ngược cực là cực kỳ quan trọng, ngăn ngừa hư hỏng khi người dùng vô tình kết nối sai cực của tấm pin hoặc ắc quy. Bảo vệ quá tải và ngắn mạch ở đầu ra cho tải (đèn LED) giúp bảo vệ cả bộ điều khiển và thiết bị. Bảo vệ quá nhiệt sẽ tự động giảm dòng sạc nếu nhiệt độ của bộ điều khiển tăng quá cao. Tất cả các tính năng này phối hợp với nhau để tạo ra một bộ sạc ắc quy solar đáng tin cậy, đảm bảo hệ thống vận hành an toàn và ổn định trong thời gian dài.

V. Kết quả ứng dụng bộ sạc ắc quy solar cho đèn đường

Ứng dụng thực tiễn của hệ thống sạc ắc quy năng lượng mặt trời cho đèn đường năng lượng mặt trời đã chứng minh được tính hiệu quả và khả thi. Dựa trên các kết quả mô phỏng và thực nghiệm được trình bày trong đồ án của ĐHBK Hà Nội, hệ thống được thiết kế đã đáp ứng tốt các mục tiêu đề ra. Sơ đồ sạc ắc quy năng lượng mặt trời được xây dựng dựa trên bộ biến đổi tăng áp (Boost converter), cho phép sử dụng tấm pin có điện áp thấp để sạc cho hệ ắc quy có điện áp cao hơn. Kết quả mô phỏng trên phần mềm PSIM cho thấy thuật toán MPPT P&O đã bám thành công điểm công suất cực đại, và quy trình sạc 3 giai đoạn được thực hiện chính xác. Dữ liệu thực nghiệm được thu thập vào ngày 24/5/2015 đã xác nhận rằng hệ thống hoạt động ổn định trong điều kiện thực tế, dòng điện và điện áp sạc tuân thủ đúng các chế độ đã thiết kế. Những kết quả này khẳng định tiềm năng to lớn của việc ứng dụng các bộ sạc ắc quy solar thông minh để cung cấp năng lượng cho các ứng dụng chiếu sáng công cộng và dân dụng.

5.1. Sơ đồ sạc ắc quy năng lượng mặt trời cho đèn LED

Theo mô hình trong tài liệu nghiên cứu (Hình 1.5), sơ đồ sạc ắc quy năng lượng mặt trời điển hình bao gồm: tấm pin năng lượng mặt trời kết nối với đầu vào của một bộ biến đổi DC-DC (hoạt động như bộ sạc MPPT). Đầu ra của bộ biến đổi này được nối với ắc quy 12V để lưu trữ năng lượng. Đồng thời, ắc quy cũng là nguồn cung cấp cho một bộ biến đổi DC-DC khác, có nhiệm vụ ổn định dòng điện cấp cho tải là đèn LED. Toàn bộ hệ thống được điều khiển bởi một vi điều khiển trung tâm, có nhiệm vụ thực thi thuật toán MPPT, quản lý quy trình sạc ắc quy, và điều khiển bật/tắt đèn dựa trên tín hiệu từ cảm biến ánh sáng. Cấu trúc này đảm bảo hiệu suất chuyển đổi cao và hoạt động tự động hoàn toàn.

5.2. Phân tích hiệu suất chuyển đổi của hệ thống thực nghiệm

Kết quả thực nghiệm đã chứng minh hiệu suất chuyển đổi cao của hệ thống. Quá trình "dò tìm điểm công suất cực đại của pin mặt trời" cho thấy bộ điều khiển MPPT đã nhanh chóng xác định và duy trì hoạt động tại điểm làm việc tối ưu (Hình 6.14, 6.15 trong tài liệu). Dòng điện sạc ắc quy và điện áp trên các cực ắc quy biến thiên đúng theo các giai đoạn sạc đã được lập trình, từ chế độ MPPT (tương đương sạc dòng lớn) chuyển sang chế độ ổn áp (hấp thụ và duy trì). Đối với tải, bộ nguồn cấp cho LED đã duy trì được dòng điện đầu ra ổn định, đảm bảo đèn hoạt động với độ sáng đồng đều. Những kết quả này là minh chứng rõ ràng cho việc một bộ sạc ắc quy solar được thiết kế tốt có thể khai thác hiệu quả năng lượng mặt trời cho các ứng dụng chiếu sáng.

VI. Tương lai hệ thống điện mặt trời độc lập cho chiếu sáng

Hệ thống sạc ắc quy năng lượng mặt trời cho đèn LED đang và sẽ tiếp tục là một xu hướng quan trọng trong lĩnh vực năng lượng tái tạo. Những ưu điểm vượt trội như khả năng tự chủ năng lượng, chi phí vận hành thấp, thân thiện với môi trường và dễ dàng lắp đặt ở những vùng sâu vùng xa làm cho nó trở thành giải pháp lý tưởng cho chiếu sáng công cộng và dân dụng. Trong tương lai, hệ thống điện mặt trời độc lập sẽ ngày càng thông minh và hiệu quả hơn nhờ vào sự phát triển của công nghệ. Sự chuyển dịch từ ắc quy axit-chì truyền thống sang các loại pin lithium cho năng lượng mặt trời sẽ giúp hệ thống nhỏ gọn hơn, có tuổi thọ cao hơn và hiệu suất lưu trữ tốt hơn. Bên cạnh đó, việc tích hợp công nghệ Internet of Things (IoT) sẽ cho phép điều khiển, giám sát và quản lý hệ thống từ xa, tối ưu hóa hoạt động và phát hiện sớm các sự cố. Những cải tiến này hứa hẹn sẽ mở rộng hơn nữa phạm vi ứng dụng của đèn sân vườn solar và đèn đường năng lượng mặt trời.

6.1. Tóm tắt ưu điểm của hệ thống sạc solar cho đèn LED

Hệ thống sạc solar cho đèn LED mang lại nhiều lợi ích thiết thực. Đầu tiên là tiết kiệm chi phí tiền điện hàng tháng và giảm sự phụ thuộc vào lưới điện quốc gia. Thứ hai, đây là giải pháp năng lượng xanh, không phát thải khí nhà kính, góp phần bảo vệ môi trường. Thứ ba, hệ thống có khả năng hoạt động tự động và độ tin cậy cao, ít cần bảo trì. Cuối cùng, nó cung cấp giải pháp chiếu sáng hiệu quả cho các khu vực chưa có điện lưới, giúp cải thiện an ninh và chất lượng cuộc sống. Những ưu điểm này làm cho việc đầu tư vào một hệ thống điện mặt trời độc lập trở nên hấp dẫn và bền vững về lâu dài.

6.2. Xu hướng công nghệ Pin lithium và điều khiển thông minh

Công nghệ lưu trữ năng lượng đang có những bước tiến vượt bậc, và pin lithium cho năng lượng mặt trời (như LiFePO4) đang dần thay thế ắc quy axit-chì. Pin lithium có mật độ năng lượng cao hơn, trọng lượng nhẹ hơn, vòng đời sạc xả dài hơn (lên đến hàng nghìn lần) và hiệu suất sạc/xả cao hơn. Mặc dù chi phí ban đầu cao hơn, nhưng tổng chi phí sở hữu trong suốt vòng đời (TCO) lại thấp hơn. Kết hợp với các bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời thông minh có khả năng kết nối không dây, người dùng có thể theo dõi trạng thái hệ thống qua điện thoại, điều chỉnh lịch chiếu sáng và nhận cảnh báo khi có sự cố, đưa hệ thống điện mặt trời độc lập lên một tầm cao mới về hiệu quả và tiện ích.

Trích đoạn nội dung tài liệu

chương 1 đưa ra rõ mục tiêu, nhiệm vụ thiết kế, cấu trúc hệ thống sạc ắc quy và cấp nguồn cho tải đèn đường với những thông số về PMT và ắc quy đã nêu trong Bảng 1. 9 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Chương 2. Pin mặt trời CHƯƠNG 2 PIN MẶT TRỜI 2.1 Khái niệm về pin mặt trời 2.1 Định nghĩa Pin năng lượng mặt trời là phần tử bán dẫn quang có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các linh kiện cảm biến ánh sáng là các dạng diode p-n, dùng để biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện. Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động a) Cấu tạo Pin mặt trời (PMT) có cấu tạo bao gồm các lớp: lớp bán dẫn p-n, lớp điện cực, lớp chống phản xạ và lớp bảo vệ.1 mô tả cấu tạo của PMT.1: Cấu tạo pin mặt trời [1].

• Lớp bán dẫn p-n: là bán dẫn tinh thể Silic pha tạp chất nguyên tử nguyên tố khác như Photpho (bán dẫn loại n), Bo (bán dẫn loại p). • Điện cực: để dẫn dòng điện ra phụ tải thì trên mỗi mặt ghép p-n phải có các điện cực. 10 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Chương 2. Pin mặt trời Vật liệu làm điện cực phải vừa có độ dẫn điện tốt, vừa có độ bám dính tốt vào chất bán dẫn.

Điện cực thường được chế tạo gồm ba lớp: Titan, Paladi và bạc. • Lớp chống phản xạ: sự phản xạ ánh sáng sẽ làm giảm hiệu suất của PMT. Vì vậy, để chống phản xạ cho PMT thì phải phủ một hoặc hai lớp SiO2 hay TiO2 ở ngoài. • Lớp bảo vệ: vì PMT phải làm việc ngoài trời nên để bảo vệ và tăng tuổi thọ thì mặt trên của các tấm PMT phải được phủ một lớp chất dẻo trong suốt.

b) Nguyên lý hoạt động Khi 2 lớp bán dẫn p và n tiếp xúc nhau, do sự chênh lệch về mật độ các hạt dẫn nên các điện tử sẽ khuếch tán từ bán dẫn n sang p, lỗ trống khuếch tán ngược lại từ bán dẫn p sang n. Sự khuếch tán này làm cho pần bán dẫn n sát lớp tiếp xúc lúc này hình thành điện trường hướng từ bán dẫn n sang p. Khi chiếu sáng lớp tiếp xúc p-n, cặp điện tử-lỗ trống được tạo thành, bị tách ra dưới tác dụng của điện trường tiếp xúc và bị gia tốc về phía đối diện tạo thành một sức điện động quang điện. sức điện động quang điện phụ thuộc vào bản chất bán dẫn, nhiệt độ lớp tiếp xúc, bước sóng và cường độ ánh sáng tới.2 Đặc tính làm việc của pin mặt trời Đặc tính của pin mặt trời phụ thuộc vào các yếu tố cường độ bức xạ mặt trời(BXMT), nhiệt độ, áp suất khí quyển, độ ẩm.

Trong đó có 2 yếu tố ảnh hưởng lớn nhất tới hoạt động của PMT là nhiệt độ và cường độ bức xạ mặt trời.2(a) thể hiện rõ cường độ dòng điện thay đổi theo chiều thuận với cường độ bức xạ mặt trời.2: Ảnh hưởng bức xạ mặt trời (a) và nhiệt độ (b) tới đặc tính của PMT [2]. 11 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Chương 2. Pin mặt trời Khi thay đổi nhiệt độ từ 00 C đến 600 C và cường độ bức xạ được giữ nguyên thì điện áp pin mặt trời giảm dần còn cường độ dòng điện hầu như không thay đổi (Hình 2.3 thể hiện đường đặc tính P −V ứng với 3 trạng thái điều kiện thời tiết khác khau.3: Đường đặc tính PV khi thay đổi nhiệt độ và bức xạ mặt trời [2].3 Mô hình hóa pin mặt trời Pin mặt trời là thiết bị có đặc tính I − V phi tuyến.4 biểu diễn mô hình tương đương của một pin mặt trời và (2.1) thể hiện mối quan hệ giữa các thông số của pin.4: Đặc tính I −V của pin mặt trời [9]. 12 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Chương 2.

Pin mặt trời Hình 2.5: Mô hình tương đương của pin mặt trời [9].1) Trong đó: • I p h là dòng quang điện (tỷ lệ thuận với bức xạ mặt trời). • I0 là dòng điện bão hòa ngược. • Vt = AkT q là điện áp nhiệt. • A là hệ số diode lý tưởng • k=1, 380.10−23 JK −1 là hệ số Boltzmann.

• T [K] là nhiệt độ lớp tiếp giáp p − n.10−19C là điện tích điện tử.6: Sơ đồ mạch tương đương tuyến tính [9]. Mô hình pin mặt trời cần được tuyến tính hóa bằng cách sử dụng đạo hàm đường cong phi tuyến tại điểm cần tuyến tính hóa [5]. Mô hình tuyến tính được mô tả bởi đường tiếp tuyến với đường cong I −V (Hình 2.4) tại điểm công suất cực đại. dI I0 Vmp +Imp .2) V =Vmp ,I=Imp Vt 13 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Chương 2.

Pin mặt trời I = (−g.6 mô tả mạch tương đương tuyến tính của pin mặt trời. Giá trị điện áp Vg và điện trở Rg tương đương được tính toán theo (2.6) bằng việc thay thế I = 0 à V = 0 tương ứng Imp Vg = Vmp − (2.5) g Hệ thống hoạt động tại điểm công suất cực đại. Tuy nhiên, pin mặt trời vẫn có thể hoạt động tại các vùng nguồn dòng và vùng nguồn áp. Trạng thái động học của toàn hệ thống sẽ phụ thuộc vào điểm hoạt động của pin mặt trời.

Để thiết kế các vòng điều khiển và đảm bảo tính ổn định của bộ biến đổi trong mọi điều kiện hoạt động, pin mặt trời cần được tuyến tính hóa tại các vùng nguồn dòng và vùng nguồn áp sử dụng (2.4 Thuật toán điều khiển bám công suất cực đại 2.1 Tổng quan Hình 2.7: Pin mặt trời mắc trực tiếp với tải [6]. Ứng với mỗi điều kiện thời tiết nhất định sẽ có một đường đặc tính về công suất khác nhau và trong đường đặc tính ấy sẽ có một điểm công suất lớn nhất. Như vậy nhiệm vụ là cần phải tìm ra điểm này và giữ hệ thống làm việc tại đó. Bộ điều khiển bám công suất cực 14 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Chương 2.

Pin mặt trời đại (MPPT) sẽ thực hiện nhiệm vụ đó thông qua việc điều khiển đóng mở van đóng cắt của bộ biến đổi DC/DC. Giả sử tấm PMT được mắc trực tiếp vào một tải thuần trở có thể thay đổi giá trị như Hình 2. Khi đó điểm làm việc của PMT là giao điểm giữa đường đặc tính I–V của PMT và đường đặc tính I–V của tải. Xét tải thuần trở nên đường đặc tính tải là một đường thẳng với độ dốc là 1/R.

Giả sử có 3 giá trị của tải là R1 , R2 , R3 thì 3 đường đặc tính I-V tương ứng sẽ có độ dốc lần lượt là 1/R1 , 1/R2 , 1/R3. Trong số đó chỉ có đường đặc tính tải tương ứng R2 là cắt đường đặc tính I-V của PMT tại điểm MPP như Hình 2.8: Đặc tính làm việc của pin mặt trời và của tải [6]. Như vậy ứng với tải có giá trị R2 thì PMT sẽ làm việc tại điểm có công suất cực đại MPP, tuy nhiên điều này chỉ xảy ra một cách hết sức ngẫu nhiên. Khi điều kiện thời tiết thay đổi hoặc tải biến động, để pin mặt trời vẫn hoạt động ở điểm MPP ta cần bộ MPPT hoạt động theo nguyên lý dung hợp tải.2 Nguyên lý dung hợp tải Như đã nói ở trên, khi PMT được mắc trực tiếp với một tải, điểm làm việc của PMT sẽ do đặc tính tải xác định.

Điện trở tải được xác định như sau: Rt = V0 /I0 (2.6) Trong đó: V0 là điện áp ra, I0 là dòng điện ra. Tải ứng điểm làm việc lớn nhất của PMT được xác định như sau: Ropt = V (MPP)/I(MPP) (2.7) Trong đó: V(MPP) và I(MPP) là điện áp và dòng điện tại điểm có công suất cực đại. 15 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Chương 2. Pin mặt trời Khi giá trị của tải lớn nhất khớp với giá trị Ropt thì công suất truyền từ PMT đến tải sẽ là công suất lớn nhất.

Tuy nhiên, điều này thường độc lập và hiếm khi khớp với thực tế. Mục đích của MPPT là phối hợp trở kháng của tải với trở kháng lớn nhất của PMT đây cũng chính là nguyên lý dung hợp tải.9: Pin mặt trời kết nối với tải qua bộ biến đổi DC/DC [6]. Từ hình vẽ 2.9 trở kháng do PMT tạo ra là trở kháng vào Rt cho bộ biến đổi. Bằng cách điều chỉnh tỉ lệ làm việc D, giá trị của Rt được điều chỉnh giá trị phù hợp với Ropt.

Vì vậy, trở kháng của tải không cần phải quan tâm nhiều miễn là tỉ lệ làm việc của khoá điện tử trong bộ biến đổi được điều chỉnh đúng quy tắc hợp lý. Có nhiều thuật toán MPPT đã được tìm ra trong đó có 2 thuật toán thông dụng nhất là thuật toán: gây nhiễu loạn và quan sát (P&O), điện dẫn gia tăng (INC). Đồ án này chỉ tập trung vào phương pháp gây nhiễu loạn và quan sát.3 Thuật toán nhiễu loạn và quan sát (P&O) Phương pháp thực hiện nhiễu loạn và quan sát (P&O) cũng giống như cái tên của nó, thuật toán dựa vào việc quan sát công suất đầu ra và dịch chuyển công suất dựa vào tăng hoặc giảm điện áp hay dòng điện tham chiếu. Việc tăng hay giảm tín hiệu tham chiếu phụ thuộc vào công suất trích mẫu trước đó.10 mô tả cấu trúc bộ điều khiển MPPT với thuật toán P&O.

Trong đó tín hiệu dòng điện, điện áp ra của PMT được xử lý nhờ thuật toán P&O, sau khi tính toán, thuật toán dưa ra tín hiệu điện áp tham chiếu Vre f. Đây là điện áp cần bám để có thể dò điểm công suất cực đại. Hệ thống cần thêm bộ điều khiển để việc bám này thực hiện đạt hiệu quả cao. 16 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Chương 2.

Pin mặt trời Hình 2.10: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển MPPT với thuật toán P&O. Từ đồ thị đặc tính P-V (Hình 2.11) dưới đây, ta thấy rằng: Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang di chuyển theo hướng 1 tức ∆P > 0 và ∆V > 0 thì tăng điện áp để kéo điểm hoạt động về điểm công suất cực đại MPP. Nếu điểm hoạt động đang di chuyển theo hướng 2 tức ∆P < 0 và ∆V < 0 thì tăng điện áp để kéo điểm hoạt động ngược trở về điểm công suất cực đại MPP. Nếu điểm hoạt động đang di chuyển theo hướng 3 tức ∆P > 0 và ∆V < 0 cần giảm điện áp để kéo điểm hoạt động về điểm công suất cực đại MPP.

Cuối cùng điểm hoạt động của hệ thống đang di chuyển theo hướng 4 tức ∆P < 0 và ∆V > 0 thì cần giảm điện áp để kéo điểm hoạt động trở về điểm công suất cực đại MPP.