Chương 1: Giới thiệu 1. Mục đích của đề tài Đề tài tập trung nghiên cứu các phương pháp tìm điểm làm việc cực đại của pin mặt trời. Trên các đặc tuyến của pin mặt trời, tồn tại một điểm vận hành tối ưu nơi mà công suất nhận được từ pin mặt trời là cực đại. Tuy nhiên, điểm vận hành tối ưu này không cố định mà nó thay đổi theo các điều kiện môi trường đặc biệt là bức xạ mặt trời và nhiệt độ pin.
Vì vậy tìm điểm làm việc cực đại (MPP) của pin mặt trời là một phần không thể thiếu của hệ thống pin mặt trời để đảm bảo rằng các mô đun pin mặt trời luôn vận hành trong điều kiện tối ưu. Có rất nhiều phương pháp MPPT đã được nghiên cứu và công bố. Các phương pháp khác nhau ở nhiều khía cạnh như mức độ phức tạp, thông số đo lường, số lượng cảm biến yêu cầu, tốc độ chuyển đổi và giá thành. Đề tài sẽ nghiên cứu các phương pháp MPPT.
Mục đích của nghiên cứu của đề tài là đề xuất phương pháp MPPT tối ưu với khả năng đáp ứng dưới các điều kiện môi trường như nhiệt độ, bức xạ thay đổi và chi phí thấp. Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài - Xây dựng mô hình pin mặt trời, phân tích các đặc tuyến I-V, P-V của pin mặt trời, sự phụ thuộc các đặc tính của pin mặt trời dưới các điều kiện môi trường. - Phân tích tính cần thiết của điểm làm việc cực đại của pin mặt trời. - Nghiên cứu các giải thuật MPPT của pin mặt trời, đề xuất phương pháp MPPT mới.
- Dùng phần mềm Matlab/Simulink nghiên cứu xây dựng mô hình pin mặt trời, xây dựng giải thuật dò tìm điểm làm việc cực đại. Phương pháp nghiên cứu - Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu. - Nghiên cứu các mô hình toán học của pin mặt trời. Đề nghị mô hình tính toán cụ thể.
- Xây dựng mô hình mô phỏng pin mặt trời và các giải thuật MPPT. - Phân tích các kết quả nhận được và các kiến nghị. Trương Việt Anh Trang 4 HVTH: Tạ Quang Minh Luận văn tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu - Đánh giá tổng quát toàn bộ bản luận văn. Đề nghị hướng phát triển của đề tài.
Điểm mới của luận văn Không cần điện áp hở mạch như các phương pháp truyền thống, nghĩa là năng lượng cung cấp tiên tục. Tần số đóng cắt thích hợp, dễ dàng cho thiết kế bộ lọc. Mạch công suất đơn giản, rẻ tiền. Kết hợp với phương pháp hằng số và phương pháp tựa điện áp lưới để lấy công suất pin mặt trời.
Không sử dụng mạch boots, chỉ gồm 1 tầng DC/AC 1. Giá trị thực tiễn của đề tài Đây là một trong ba giai đoạn để giải quyết vấn đề kỹ thuật trong việc ứng dụng pin năng lượng mặt trời vào cuộc sống. Đồng thời cũng giảm giá thành của nguồn năng lượng tái sinh này. Với kết quả nhận được, có thể: Giúp các nhà hoạch định về nguồn năng lượng tái sinh cụ thể là năng lượng mặt trời có thêm phương pháp ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống và nhanh chóng thị trường hóa nguồn năng lượng này.
Sử dụng làm tài liệu giảng dạy Bổ sung phương pháp mới cho việc nghiên cứu sau này 1.7 Bố cục luận văn: Chương 1: Giới thiệu Chương 2: Phương pháp tiếp cận Chương 3: Phương án đề xuất Chương 4: Kết quả mô phỏng Chương 5: Kết luận và kiến nghị GVHD: TS. Trương Việt Anh Trang 5 HVTH: Tạ Quang Minh Luận văn tốt nghiệp Chương 2: Phương pháp tiếp cận Chƣơng 2 PHƢƠNG PHÁP TIẾP CẬN 2. Mô hình pin mặt trời Một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời thành điện nhờ hiệu ứng quang điện được gọi là pin mặt trời. Mạch điện tương đương của pin mặt trời được cho như hình 2.
Mạch điện tương đương của pin mặt trời Mạch điện gồm có dòng quang điện IPH, điốt, điện trở dòng rò RSH và điện trở nối tiếp RS, đặc tuyến I-V của pin được mô tả bằng biểu thức 2.1) 𝑘𝑇 𝐶 𝐴 𝑅𝑆𝐻 Trong đó: IPH: dòng quang điện (A) IS: dòng bão hòa (A) q: điện tích của electron, q = 1,6x10-19 C k: hằng số Boltzmann’s, k =1,38x10-23 J/K TC: nhiệt độ vận hành của pin (K) GVHD: TS. Trương Việt Anh Trang 6 HVTH: Tạ Quang Minh Luận văn tốt nghiệp Chương 2: Phương pháp tiếp cận A: hệ số lý tưởng phụ thuộc vào công nghệ chế tạo pin, ví dụ công nghệ Si- mono A=1.3… Dòng quang điện IPH phụ thuộc trực tiếp vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ của pin: 𝐼𝑃𝐻 = 𝐼𝑆𝐶 + 𝐾𝐼 𝑇𝐶 − 𝑇𝑅𝑒𝑓 𝜆 (2.2) Trong đó: ISC: dòng ngắn mạch tại nhiệt độ tiêu chuẩn 25OC (A) và bức xạ 1kW/m2 KI: hệ số dòng điện phụ thuộc vào nhiệt độ (A/OC) TC: Nhiệt độ vận hành của pin mặt trời (K) TREF : Nhiệt độ tiêu chuẩn của pin mặt trời (K) λ: Bức xạ mặt trời (kW/m2) Mặt khác, dòng bão hòa IS là dòng các hạt tải điện không cơ bản được tạo ra do kích thích nhiệt. Khi nhiệt độ của pin mặt trời tăng dòng bão hòa cũng tăng theo hàm mũ [5-26]: TC 3 qE G 1 1 IS = IRS exp − (2.3) T Ref kA T Ref TC Trong đó: IRS: Dòng điện ngược bão hòa tại nhiệt độ tiêu chuẩn (A) EG: Năng lượng lỗ trống của chất bán dẫn Đối với pin mặt trời lý tưởng, điện trở dòng rò RSH = ∞, RS = 0. Khi đó mạch điện tương đương của pin mặt trời được cho bởi hình 2.
Mô hình pin mặt trời lý tưởng GVHD: TS. Trương Việt Anh Trang 7 HVTH: Tạ Quang Minh Luận văn tốt nghiệp Chương 2: Phương pháp tiếp cận Khi đó, biểu thức (2.1) có thể được mô tả như biểu thức 2.4) 𝑘𝑇 𝐶 𝐴 Và dòng bão hòa ngược tiêu chuẩn có thể được biểu diễn như biểu thức 2.5) 𝑒𝑥𝑝 −1 𝑘𝐴𝑇 𝑅𝑒𝑓 Thông thường, công suất của pin mặt trời khoảng 2 W và điện áp khoảng 0. Vì vậy, các pin mặt trời được ghép nối với nhau theo dạng nối tiếp - song song để sinh ra lượng công suất và điện áp đủ lớn. Mạch điện tương đương của mô đun pin mặt trời gồm có NP nhánh song song và NS pin nối tiếp được mô tả như hình 2.
Mô đun pin mặt trời Mạch điện hình 2.3 được miêu tả bởi biểu thức: 𝑞𝑉 𝐼 = 𝑁𝑃 𝐼𝑃𝐻 − 𝑁𝑃 𝐼𝑆 𝑒𝑥𝑝 −1 (2.6) 𝑁𝑆 𝑘𝑇 𝐶 𝐴 Pin mặt trời chuyển một phần bức xạ mặt trời trực tiếp thành năng lượng điện, nhưng một phần đó chuyển thành nhiệt cộng với pin mặt trời có màu dễ hấp thụ nhiệt nên nhiệt độ vận hành của pin có thể cao hơn nhiệt độ môi trường. Nhiệt độ của pin dưới các điều kiện khác nhau có thể được đánh giá qua nhiệt độ vận hành bình thường (NOCT). Nhiệt độ vận hành bình thường được định nghĩa là nhiệt độ GVHD: TS. Trương Việt Anh Trang 8 HVTH: Tạ Quang Minh Luận văn tốt nghiệp Chương 2: Phương pháp tiếp cận của pin dưới điều kiện môi trường 20oC, bức xạ mặt trời 0.8 kW/m2, tốc độ gió < 1 m/s.
Công thức sau được sử dụng để tính toán sự khác nhau giữa nhiệt độ môi trường (TAmb) và nhiệt độ vận hành của pin mặt trời (TC): 𝑇𝑁𝑂𝐶𝑇 −20 𝑇𝐶 = 𝑇𝐴𝑚𝑏 + 𝜆 (2.8 Đặc tuyến I-V tương ứng với từng bức xạ nhất định được mô tả như hình 2. Đặc tuyến I-V với các bức xạ khác nhau GVHD: TS. Trương Việt Anh Trang 9 HVTH: Tạ Quang Minh Luận văn tốt nghiệp Chương 2: Phương pháp tiếp cận Hình 2. Đặc tuyến P-V với các bức xạ khác nhau 2.
Bộ chuyển đổi DC/DC boost converter Bộ biến đổi DC/DC được sử dụng rộng rãi trong nguồn điện 1 chiều với mục đích chuyển đổi nguồn một chiều không ổn định thành nguồn điện một chiều có thể điều khiển được. Trong hệ thống pin mặt trời, bộ biến đổi DC/DC được kết hợp chặt chẽ với MPPT. MPPT sử dụng bộ biến đổi DC/DC để điều chỉnh nguồn điện áp vào lấy từ nguồn pin mặt trời, chuyển đổi và cung cấp điện áp lớn nhất phù hợp với tải. Mạch boost converter hay còn được gọi là mạch tăng áp.
Bộ biến đổi này phù hợp với các ứng dụng có điện áp yêu cầu lớn hơn điện áp đầu vào. Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi này dựa vào đặc tính lưu trữ và tích phóng năng lượng của cuộn dây. Trương Việt Anh Trang 10 HVTH: Tạ Quang Minh Luận văn tốt nghiệp Chương 2: Phương pháp tiếp cận Hình 2. Sơ đồ nguyên lý mạch boost Khi S đóng cho dòng qua (TON) dòng điện từ nguồn chạy qua cuộn dây, năng lượng từ trường được tích lũy trong cuộn dây.
Không có dòng điện chạy qua điốt D và dòng tải được cung cấp bởi tụ điện C. Mạch điện khi S đóng Hình 2. Dạng sóng điện áp và dòng điện trên cuộn dây L khi S đóng GVHD: TS. Trương Việt Anh Trang 11 HVTH: Tạ Quang Minh Luận văn tốt nghiệp Chương 2: Phương pháp tiếp cận Khi đó: 𝑑𝑖 𝐿 𝑣𝐿 = 𝑉𝑑 = 𝐿 (2.
Mạch điện khi S mở Hình 2. Dạng sóng điện áp và dòng điện trên L khi S mở GVHD: TS. Trương Việt Anh Trang 12 HVTH: Tạ Quang Minh Luận văn tốt nghiệp Chương 2: Phương pháp tiếp cận Khi S đóng (TOFF), dòng điện cảm ứng chạy vào tải qua điốt cũng như nạp lại cho tụ điện C.15) 𝐿 Năng lượng lưu trữ trong cuộn dây bằng 0 khi kết thúc chu kỳ. Điểm làm việc cực đại của pin mặt trời Hiện tại, pin mặt trời vẫn được xem là nguồn năng lượng đắt đỏ.
Vì vậy, cần phải khai thác công suất lớn nhất có thể từ pin mặt trời. Để đạt được điều đó, pin mặt trời cần được lắp đặt tại các vị trí thuận lợi ví dụ như hướng nam, thậm chí được điều khiển xoay theo hướng mặt trời để thu được nguồn năng lượng cực đại. Về cơ bản, trên đường đặc tuyến PV của pin mặt trời, trời tồn tại một điểm công suất cực đại ứng với dòng điện và điện áp tương ứng. Trương Việt Anh Trang 13 HVTH: Tạ Quang Minh Luận văn tốt nghiệp Chương 2: Phương pháp tiếp cận Hình 2.
Đặc tuyến I-V, P-V của pin mặt trời với điểm công suất cực đại Tuy nhiên, điểm cực đại này lại không cố định, chúng luôn thay đổi theo các điều kiện môi trường (Hình 2. Vì vậy, chúng ta cần điều khiển để điện áp hoặc dòng điện để thu được công suất cực đại từ pin mặt trời khi nhiệt độ và bức xạ thay đổi sử dụng bộ tìm điểm công suất cực đại.