đặt vấn đề cho chƣơng 3 tiếp sau. Chương 3: Xây dựng cấu trúc bộ biến đổi tăng áp DC-DC nguồn pin mặt trời Chƣơng này, Luận án đề xuất thiết kế cấu trúc một mạch tăng áp DC-DC mới có hiệu suất cao, hệ số biến đổi điện áp lớn. Để kiểm chứng, Luận án sẽ tiến hành mô phỏng kiểm chứng và đánh giá hiệu quả của mạch tăng áp này giữa hiệu suất mạch với độ rộng xung và tần số đóng cắt mạch thông qua mô hình thực nghiệm. 4 Chƣơng 4: Xây dựng cấu trúc liên kết các bộ biến đổi tăng áp DC-DC nguồn pin mặt trời Chƣơng này tập trung đề xuất một giải thuật tối ƣu có cải tiến áp dụng cho hệ liên kết các bộ biến đổi DC-DC.
Giải thuật này đề xuất sử dụng sử dụng giá trị dòng điện nhƣ một tham số điều khiển nhằm ổn định thông số đầu ra của mạch DC-DC và gia tăng tốc độ hội tụ. Điều này khiến cho hệ thống khi bị bóng che một phần nó cũng không ỏ qua những module nhận đƣợc ít năng lƣợng nhất. Qua đó góp phần giảm bớt tổn thất công suất và gia tăng hiệu quả sinh điện của toàn bộ hệ thống. 5 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Khái quát chung về nguồn Pin mặt trời[1], [2], [11]–[16], [3]–[10] Pin Mặt trời (PV) ao gồm nhiều tế ào quang điện (solar cells) - là phần tử án dẫn có chứa trên ề mặt một số lƣợng lớn các cảm iến ánh sáng là điốt quang, thực hiện iến năng lƣợng của ánh sáng trực tiếp thành điện năng ằng hiệu ứng quang điện, là một hiện tƣợng vật lý và hóa học.
Nó là một dạng tế ào quang điện, các tế ào quang điện này có thể hoạt động đƣợc dƣới cả ánh sáng nhân tạo và ánh sáng tự nhiên đƣợc định nghĩa là một thiết ị có các đặc tính điện, nhƣ dòng điện, điện áp hoặc điện trở, thay đổi khi tiếp xúc với ánh sáng. Modul các thiết ị pin mặt trời riêng lẻ đƣợc kết nối với nhau thƣờng là các khối tạo thành các modul quang điện, thông thƣờng đƣợc gọi là các tấm pin mặt trời. Cƣờng độ dòng điện, hiệu điện thế hoặc điện trở của pin mặt trời thay đổi phụ thuộc ởi lƣợng ánh sáng chiếu lên chúng. Cấu tạo một tấm pin mặt trời cơ ản gồm các thành phần nhƣ hình 1.
Cấu tạo của pin Hình 1. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời năng lƣợng mặt trời Khi ề mặt tấm pin mặt trời đƣợc chiếu sáng, sẽ xuất hiện hiện tƣợng ức xạ mặt trời thẩm thấu vào tế ào quang điện, mang theo nguồn năng lƣợng proton. Nguồn năng lƣợng này đƣợc tích trữ ngày một nhiều, đến khi đạt giới hạn chúng sẽ gây nên hiện tƣợng các electron ị ức ra khỏi cấu tạo nguyên tử, hình thành các electron tự do mang điện âm, các lỗ hổng mang điện dƣơng. Chúng kết hợp với từ trƣờng của 2 hai lớp silic P và N di chuyển thành một dòng, mà chúng ta hay vẫn 6 gọi là dòng điện một chiều (hình 1.
Mối quan hệ giữa dòng điện của Pin mặt trời (IPV) và điện áp (VPV) phát ra từ các tấm Pin là một mối quan hệ phi tuyến phức tạp, trong đó công suất phát ra tại mỗi thời điểm phụ thuộc vào nhiệt độ T của lớp tiếp giáp P-N, công suất của ức xạ mặt trời (G) và công suất của phụ tải. Đồng thời, quá trình chuyển từ trạng thái vận hành này sang trạng thái vận hành khác là tức thời và không ị ảnh hƣởng ởi các yếu tố liên quan đến quán tính. Một điểm quan trọng khác là: các tấm Pin mặt trời luôn tồn tại một trạng thái vận hành mà công suất phát ra là lớn nhất tƣơng ứng với mỗi cặp giá trị về nhiệt độ ề mặt tấm Pin mặt trời và cƣờng độ ức xạ mặt trời. Khai thác đƣợc trạng thái vận hành này sẽ giúp khắc phục đƣợc nhƣợc điểm hiệu suất thấp, giá thành cao của dạng nguồn này.
Điều này có thể đạt đƣợc nhờ điều chỉnh tải tiêu thụ tƣơng ứng với công suất tại điểm công suất cực đại [22]. Đặc tính của Pin mặt trời Tại bức xạ mặt trời nhất định, tế ào quang điện cho ra giá trị các đại lƣợng điện áp V (V), dòng điện I (A) và công suất P (W) tƣơng ứng - hình 1. Các giá trị của V, I và P giúp xác định các đặc tuyến của một tế ào quang điện đó là mối tƣơng quan giữa I- V (dòng điện - điện áp) và P-V (công suất - điện áp). Ở đây ISC là dòng điện ngắn mạch, VOC là điện áp hở mạch, MPP (Maximum Power Point) ở hình 1.3 là điểm có công suất cực đại, IMP và VMP là dòng điện và điện áp tƣơng ứng tại MPP [2].
Dò C ng ôn điệ g n su (A) ất ( W ) Điện áp (V) Điện áp (V) Hình 1. Các đƣờng đặc tính cơ ản của một module PV Một điểm quan trọng khác là: tại VOC thì giá trị của ISC bằng không và tƣơng tự tại điểm của ISC giá trị của VOC bằng không. Hiệu suất của tế ào quang điện phụ thuộc vào các yếu tố nhƣ vật liệu sản xuất, nhiệt độ môi trƣờng, cƣờng độ bức xạ 7 mặt trời, góc nghiêng đối với mặt trời và sự khác nhau của bức xạ giữa các tế bào. Các yếu tố quan trọng nhất ảnh hƣởng đến tế ào quang điện là: cƣờng độ bức xạ và nhiệt độ, nơi mà ức xạ càng lớn thì giá trị đầu ra càng lớn (I và V) [24]–[28], nhƣng mặt khác, nhiệt độ của tế ào quang điện càng cao, điện áp đầu ra càng thấp.
Thời tiết mùa đông và độ cao cũng có thể dẫn đến bức xạ thấp và nhƣ ất kỳ thiết bị điện tử nào khác, Pin mặt trời hoạt động tốt hơn khi đƣợc làm mát [26]. Đặc tính I- V và P-V tƣơng ứng với từng bức xạ nhất định đƣợc mô tả nhƣ hình 1. Đặc tính I-V theo ức xạ Hình 1. Đặc tính P-V theo ức xạ Hình 1.
Đặc tính I-V theo nhiệt độ Hình 1. Đặc tính P-V theo nhiệt độ Nhận thấy rằng: ngoài việc thay đổi đƣờng đặc tính I-V và P-V theo cƣờng độ bức xạ thì đƣờng đặc tính này cũng thay đổi theo nhiệt độ của pin. Mối tƣơng quan giữa nhiệt độ và đặc tính I-V và P-V đƣợc thể hiện bởi các hình 1. Nhƣ vậy, vị trí của điểm MPP trên đƣờng đặc tính là không biết trƣớc và nó luôn thay đổi phụ thuộc vào điều kiện bức xạ và nhiệt độ.
Do đó, cần có một thuật toán để dò điểm MPP, thuật toán này chính là trái tim của bộ điều khiển MPPT. Ảnh hƣởng của điều kiện môi trƣờng đến đặc tính của Pin mặt trời Bóng che một phần (Partial Shading Condition - PSC) là điều kiện mà tại đó ánh sáng mặt trời không chiếu sáng đồng đều trên tất cả các tấm Pin mặt trời. Điều này dẫn đến hiện tƣợng bất ổn và các đặc tính I-V, P-V trở nên phức tạp hơn [3, 4]. Bóng che một phần xảy ra trên một phần tấm pin mặt trời hoặc cả tấm bị che khuất khỏi ánh sáng mặt trời.
Hiện tƣợng bóng che một phần xảy ra do cây cối, mây, tòa nhà cao tầng, bụi, lá cây, nƣớc,… và độ nghiêng của tấm pin mặt trời. Bóng che hoàn toàn cũng tạo ra những vấn đề tƣơng tự cho các hệ thống nguồn Pin mặt trời nhƣng không đƣợc thảo luận nhiều nhƣ óng che một phần vì lƣợng bức xạ chiếu xuống các tấm Pin mặt trời là nhƣ nhau [27]. Minh họa hiện tƣợng óng che một phần Một số lý do khác cũng ảnh hƣởng đến hiệu suất của hệ thống Pin mặt trời bao gồm: nhiệt độ, điều kiện thời tiết và mức độ cách ly khác nhau.9 cho biết cấu hình một mảng Pin mặt trời thực tế, trong đó có hai loại diode (đƣờng vòng và chặn) đƣợc nối vào. Do thực tế là điện áp và mức công suất của một tế bào PV khá thấp; các tế ào PV đƣợc mắc nối tiếp hoặc song song.
Mắc nối tiếp làm tăng điện áp của hệ thống trong khi mắc song song làm tăng dòng điện. Bằng cách kết hợp mắc nối tiếp và song song, hệ thống nguồn Pin mặt trời có thể đáp ứng yêu cầu về mức điện áp và công suất định mức [28]. Vai trò diode ảo vệ trong dãy PV Thông thƣờng, khối PV cơ ản đƣợc tạo thành từ module PV bao gồm các tế bào PV mắc nối tiếp nhau. Mắc nối tiếp các tế bào PV dễ gây ra tổn thất lớn nếu các đặc tính điện do các tế bào PV không giống nhau hoặc các tế bào không hoạt động trong điều kiện bức xạ giống nhau nhƣ trƣờng hợp bóng che một phần.
Nếu mắc nối tiếp bị bóng che một phần, các tế bào PV nhận mức bức xạ thấp nhất là các tế bào có dòng điện ngắn mạch thấp nhất; khi dòng điện của PV khác cao hơn dòng ngắn mạch của các tế bào bị bóng che, thì tế ào đó sẽ hoạt động nhƣ một tải trong chuỗi nối tiếp. Do đó một phần công suất tạo ra bởi các tế bào khác bị tiêu tán làm nóng module dẫn đến tổn thất công suất, tăng nhiệt độ tế bào và gây ra những thiệt hại đáng kể, hiện tƣợng này đƣợc gọi là điểm nóng. Vấn đề này có thể hạn chế đƣợc bằng cách sử dụng diode mắc song song với các module PV. Tuy nhiên, các diode này không cho phép mảng PV tạo ra công suất tối đa dƣới điều kiện bóng che một phần.
Ngoài ra, chúng còn làm tăng độ phức tạp của MPPT do đã tạo ra nhiều cực trị địa phƣơng trong đặc tính P-V của mảng [29], [30].9 (a) cho thấy rằng mảng PV nhận đƣợc một bức xạ đồng đều, các diode bypass của mỗi chuỗi đều có xu hƣớng phân cực ngƣợc. Do đó, dòng điện trong PV chảy qua module PV và kết quả đƣờng cong P-V biểu diễn một MPP duy nhất. Tuy nhiên, trong điều kiện bóng che từng phần thể hiện trong hình 1.9 (b), chuỗi S1 nhận đƣợc mức bức xạ đồng đều, nhƣng chuỗi S2 có module bị bóng che. Có sự 10 khác biệt về điện áp giữa hai module của chuỗi S2, do đó dòng điện chạy qua diode bypass bỏ qua module bị bóng che của chuỗi S2.
Kết quả là đƣờng cong P-V cho S2 đƣợc đặc trƣng ởi hai điểm cực trị địa phƣơng. Có thể khẳng định rằng trong suốt quá trình bị bóng che một phần, việc kích hoạt các diode ypass đã iến đổi đƣờng cong P-V thành đƣờng cong phức tạp hơn - đặc trƣng ởi nhiều cực trị địa phƣơng. Đồ thị mối tƣơng quan P-V khi có hiện tƣợng óng che Các hình 1.