Các bộ biến đổi bán dẫn trong hệ thống pin mặt trời làm việc độc lậpcác bộ biến đổi bán dẫn trong hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập

Lời nói đầu Lời nói đầu Ngày với tình hình dân số công nghiệp phát triển không ngừng, lợng thể rõ vai trò quan trọng trở thành yếu tố thiếu sống Tuy nhiên nhu cầu sử dụng lợng ngày gia tăng nguồn lợng truyền thống đợc khai thác sử dụng hàng ngày dần cạn kiệt trở nên khan Một số nguồn lợng đợc sử dụng nh nguồn nguyên liệu hoá thạch (dầu mỏ, than đá) cho thấy tác động xấu đến môi trờng, gây ô nhiễm bầu khí nh gây hiệu ứng nhà kính, thủng tầng ozôn, nguyên nhân làm trái đất ấm dần lên Các khí thải từ việc đốt nguyên liệu đà gây ma axit, gây hại cho môi trờng sống ngời Còn nguồn lợng thuỷ điện (vốn đợc coi loại lợng sạch) không đáp ứng đợc nhu cầu tiêu thụ điện tình trạng mức nớc hồ chứa thờng xuyên xuống dới mực nớc chết Trớc tình hình đó, vấn đề phải tìm đợc nguồn lợng để đáp ứng nhu cầu sử dụng lợng lớn mạnh hàng ngày, thay nguồn lợng có hại cho môi trờng cạn kiệt trở nên cấp thiết, đòi hỏi nhiều quan tâm So với nguồn lợng đợc khai thác sử dụng nh lợng gió, lợng hạt nhân Năng lợng mặt trời đợc coi nguồn lợng rẻ, vô tận, nguồn lợng không gây hại cho môi trờng thu hút quan tâm nhiều nhà khoa học, nhà nghiên cứu trở thành nguồn lợng tốt tơng lai Hệ thống quang điện sử dụng lợng mặt trời (Hệ pin mặt trời) có nhiều u điểm nh không cần nguyên liệu, không gây ô nhiễm môi trờng, phải bảo dỡng, không gây tiếng ồn Hiện lợng mặt trời đà đợc khai thác đa vào ứng dụng sống nh công nghiệp dới nhiều dạng hình thức khác nhau, thông thờng để cấp nhiệt điện Một hệ pin mặt trời sử dụng lợng mặt trời bao gồm loại: Hệ pin mặt trời làm việc độc lập hệ pin mặt trời làm việc với lới Tùy theo điều kiện nhu cầu sử dụng vị trí địa lý lắp đặt mà hệ đợc ứng dụng Trong khả mình, em Lời nói đầu trọng đến nghiên cứu thành phần hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập Một hệ pin mặt trời làm việc độc lập bao gồm: hệ thống hấp thụ ánh sáng l pin mặt trời nối ghép lại với nhau; Các biến đổi điện tử công suất DC/DC DC/AC Hệ thống điều tiết lu trữ lợng thiết bị điều tiết sạc, bình ắc quy Mỗi thành phần hệ pin mặt trời mang nhiệm vụ cụ thể riêng biệt mang tính định đến khả làm việc hiệu hệ quang điện Bộ biến đổi DC/DC sử dụng thuật toán điều khiển tìm điểm công suất tối u để làm tăng hiệu làm việc pin quang điện; ắc quy giúp dự trữ điện để trì hoạt động cho hệ thống vào ban đêm hay thời tiết âm u, nhiều mây ma, lúc cờng độ xạ ánh sáng yếu không đủ phát điện năng; biến đổi điện nghịch lu DC/AC chuyển đổi dòng điện chiều từ ắc quy thành điện xoay chiều (110 V, 220 V) để cung cấp cho thiết bị điện xoay chiều Đồ án trình bày bao quát hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập với đầy đủ thành phần cần thiết hệ Sau đồ án tập trung nghiên cứu sâu vào nguồn điện pin mặt trời gồm pin mặt trời, DC/DC, phơng pháp thuật toán điều khiển MPPT để thấy rõ đặc tính làm việc pin thay đổi dới tác động nhiệt độ thời tiết so sánh nguyên lý làm việc, u nhợc điểm, khả ứng dụng thuật toán điều khiển MPPT nhằm để hệ pin mặt trời đợc làm việc tối u Đồ án gåm cã ch¬ng víi néi dung tỉng quan nh sau: Chơng 1: Tổng quan hệ thống pin mặt trời Chơng 2: Các biến đổi bán dẫn hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập Chơng 3: Phơng pháp dò tìm điểm làm việc tối u MPPT Chơng 4: Bộ lu trữ lợng (ắc quy) Chơng 5: Tính toán hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập Trong trình thực đồ án tốt nghiệp, em đà củng cố đợc kiến thức đà đợc học tiếp thu thêm đợc số kiến thức kinh nghiệm pin mặt trời Trên tất em đà đợc học rèn luyện đợc phơng pháp làm việc, nghiên cứu cách chủ động hơn, linh hoạt đặc biệt phơng pháp làm việc theo nhóm Quá trình làm đồ ¸n thùc sù ®· rÊt cã Ých cho em vỊ nhiều mặt Lời nói đầu Đây kết tổng kết trình năm học tập em nhng kinh nghiệm thực tế thân cha nhiều nên khó tránh khỏi nhiều thiếu sót, cần phải có hớng dẫn, giúp đỡ thầy giáo Qua em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Trần Trọng Minh cán nghiên cứu trung tâm Hitech Bách Khoa Hà Nội đà tận tình bảo, hớng dẫn giúp đỡ em suốt trình làm đồ án tốt nghiệp Em xin cảm ơn thầy cô giáo môn Tự động hoá XNCN trờng Đại Học Bách Khoa Hà nội đà tạo điều kiện cho em hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp Hà nội, ngày tháng năm Sinh viên thực Lê Thị Th Linh Ch¬ng1 Tỉng quan vỊ hƯ thèng pin mặt trời Chơng tổng quan hệ thống pin mỈt trêi 1.1 Giíi thiƯu vỊ pin mỈt trêi 1.1.1 Định nghĩa Pin mặt trời gọi pin quang điện thiết bị ứng dụng hiệu ứng quang điện bán dẫn (thờng gọi hiệu ứng quang điện quang dẫn) để tạo dòng điện chiều từ ánh sáng mặt trời Loại pin mặt trời thông dụng loại sử dụng Silic tinh thể Tinh thể Silic tinh khiết chất bán dẫn điện điện tử bị giam giữ liên kết mạng, điện tử tự Khi bị ánh sáng hay nhiệt độ kích thích, điện tử bị bứt khỏi liên kết, điện tử tích điện âm nhảy từ vùng hoá trị lên vùng dẫn để lại lỗ trống tích điện dơng vùng hoá trị Lúc chất bán dẫn dẫn điện Có loại pin mặt trời làm từ tinh thể Silic: - Một tinh thể hay đơn tinh thể module Đơn tinh thể có hiệu suất tới 16% Loại thờng đắt tiền đợc cắt từ thỏi hình ống, đơn thể có mặt trống góc nối môdule - Đa tinh thể làm từ thỏi đúc từ Silic nung chảy, sau đợc làm nguội làm rắn Loại pin thờng rẻ loại đơn tinh thể, nhng lại có hiệu suất Tuy nhiên chúng tạo thành vuông che phủ bề mặt nhiều loại đơn tinh thể bï cho hiƯu st thÊp cđa nã - D¶i Silic tạo từ miếng phim mỏng từ Silic nóng chảy có cấu trúc đa tinh thể Loại thờng có hiệu suất thấp nhng loại rẻ loại không cần phải cắt từ thỏi Silicon Về chất pin quang điện điốt bán dẫn bao gồm hai bán dẫn loại P loại N đặt sát cạnh nhau, khác chỗ pin quang điện có diện tích bề mặt rộng có lớp N cực mỏng để ánh sáng truyền qua Trên bề mặt pin quang điện có lớp chống phản xạ chiếu ánh sáng vào pin quang điện, có phần ánh sáng bị hấp thụ truyền qua lớp N phần ánh sáng bị phản xạ ngợc lại phần ánh sáng đến đợc lớp chuyển tiếp, nơi có cặp electron lỗ trống nằm điện trờng bề mặt Chơng1 Tổng quan hệ thống pin mặt trời giới hạn Với bớc sóng thích hợp truyền cho electron lợng đủ lớn để thoát khỏi liên kết Khi thoát khỏi liên kết, dới tác dụng điện trờng, electron bị kéo phía bán dẫn loại N, lỗ trống bị kéo phía bán dẫn loại P Khi nối hai cực vào hai phần bán dẫn loại N P đo đợc hiệu điện Giá trị hiệu điện phụ thuộc vào chất chất làm bán dẫn tạp chất đợc hấp phụ 1.1.2 Đặc tính làm việc pin mặt trời Đặc tính làm việc pin mặt trời thể qua hai thông số điện áp hở mạch lớn VOC lúc dòng Dòng điện ngắn mạch ISC điện áp Công suất pin đợc tính theo công thức: P = I.U (1-1) Tại điểm làm việc U = U OC/ I = vµ U = / I = I SC , Công suất làm việc pin có giá trị IPV uMPP, iMPP ISC MPPT UPV UOC Hình 1.1 Đờng đặc tính làm việc U I pin mặt trời Rs ID I + - I I sh Rsh H×nh 1.2 Sơ đồ tơng đơng pin mặt trời Chơng1 Tổng quan hệ thống pin mặt trời Từ sơ đồ tơng đơng, ta có phơng trình đặc trng s¸ng von – ampe cđa pin nh sau: (1-2) Trong đó: Isc dòng quang điện (dòng ngắn mạch R s Rsh) (A/m2) I01 dòng bÃo hòa (A/m2) q điện tích điện tử (C) = 1,6.10-19 k lµ hƯ sè Boltzman = 1,38.10-23(J/k) T nhiệt độ (K) I, V, Rs, Rsh lần lợt dòng điện ra, điện áp ra, điện trở Rs Rsh pin mạch tơng đơng hình 1.2 * Nhận xét: - Dòng ngắn mạch Isc tỉ lệ thuận với cờng độ xạ chiếu sáng Nên đờng đặc tính V I pin mặt trời phụ thuộc vào cờng độ xạ chiếu sáng tầng xạ thu đợc điểm làm việc V = VMPP có công suất lớn thể hình vẽ sau Điểm làm việc có công suất lớn đợc thể điểm chấm đen to hình vẽ (đỉnh đờng cong đặc tính) Hình 1.3 Sự phụ thuộc đặc trng VA pin mặt trời vào cờng độ xạ Mặt trời Chơng1 Tổng quan hệ thống pin mặt trời - Điện áp hở mạch Voc phụ thuộc trực tiếp vào nhiệt độ nên đờng đặc tính VA pin mặt trời phụ thuộc vào nhiệt độ pin Hình 1.4 Sự phụ thuộc đờng đặc tính pin mặt trời vào nhiệt độ pin - Để toàn hệ PV hoạt động đợc cách hiệu đờng đặc tính tải phải phù hợp với điểm MPP Hình 1.5 Đờng đặc tính tải đặc tính pin mặt trời Trên hình vẽ 1.5 đờng OA OB đờng đặc tính tải Nếu tải đợc mắc trực tiếp với dÃy pin mặt trời tải có đờng đặc tính OA Khi đó, pin làm việc điểm A1 phát công suất P1 Công suất lớn phơi nắng thu đợc P2 Để thu đợc công suất P2, cần có điều chỉnh công suất để liên kết dÃy pin mặt trời tải Chơng1 Tổng quan vỊ hƯ thèng pin mỈt trêi 1.1.3 øng dơng Pin mặt trời đà đợc ứng dụng nhiều nơi giới Chúng đặc biệt thích hợp cho vùng lới điện không đến đợc Pin mặt trời đợc sử dụng nhiều sản xuất nh đời sống Một ứng dụng đơn giản pin mặt trời sống hàng ngày nh đồng hồ, máy tính Ngoài pin mặt trời đợc ứng dụng thiết bị vận chuyển nh ô tô, máy tính cầm tay, điện thoại di động, thiết bị bơm nớc Ngày nay, nhà có gắn lợng mặt trời đà trở thành phổ biến có xu hớng tăng dần tơng lai 1.1.4 Tấm lợng mặt trời Tấm lợng mặt trời đợc tạo thành từ nhiều pin mặt trời gồm 36 đến 72 pin mặt trời mắc nối tiếp với Qua pin mặt trời, lợng mặt trời đợc chuyển hoá thành điện Mỗi pin mặt trời cung cấp lợng nhỏ lợng, nhng nhiều pin đợc đặt trải dài diện tích lớn tạo nên nguồn lợng lớn đủ để thiết bị điện sử dụng Mỗi pin mặt trời có công suất khác nh: 30Wp, 40Wp, 45Wp, 50Wp, 75Wp, 100Wp, 125Wp, 150Wp Điện áp pin thờng 12VDC Công suất điện áp hệ thống tuỳ thuộc vào cách ghép nối pin lại với Nhiều lợng mặt trời cã thĨ ghÐp nèi tiÕp hc song song víi để tạo thành dàn pin mặt trời Để đạt đợc hiệu tốt nhất, lợng phải đợc phơi nắng hớng trực tiếp đến mặt trời Hiệu suất thu đợc điện từ pin mặt trời vùng miền vào ngày khác nhau, xạ mặt trời bề mặt trái đất không đồng Hiệu suất pin mặt trời phụ thuộc vào nhiều yếu tố: - Chất liệu bán dẫn làm pin - Vị trí đặt panel mặt trời - Thời tiết khí hậu, mùa năm - Thời gian ngày: sáng, tra, chiều Các lợng mặt trời đợc lắp đặt trời nên thiết kế sản xuất đà đảm bảo đợc thay đổi khí hậu, thời tiết, ma bÃo, ăn mòn nớc biển, oxi hoá Tuổi thọ pin khoảng 25 đến 30 năm 1.1.5 Cách ghép nối lợng mặt trời Chơng1 Tổng quan hệ thống pin mặt trời Nh ta đà biết môđun pin mặt trời có công suất hiệu điện xác định từ nhà sản xuất Để tạo công suất điện theo yêu cầu phải ghép nối nhiều môdun lại với Có hai cách ghép bản: - Ghép nối tiếp mođun lại cho điện áp lớn - Ghép song song môđun lại cho dòng điện lớn Trong thực tế phơng pháp ghép hỗn hợp đợc sử dụng nhiều để đáp ứng yêu cầu điện áp dòng điện a Phơng pháp ghép nối tiếp môdun mặt trời (a) (b) Hình 1.6 Ghép nối tiếp hai môđun pin mặt trời (a) đờng đặc trng VA môđun hệ (b) Giả sử môđun giống hệt nhau, có đờng đặc tính V-A giống hết nhau, thông số dòng đoản mạch I SC, hở mạch VOC Giả sử cờng độ chiếu sáng đồng Khi ghép nối tiếp môđun ta có: I = I = I = … = Ii (1-3) (1-4) (1-5) (1-6) Trong đó: Chơng1 Tổng quan hệ thống pin mặt trời I, P, V, l dòng điện, công suất hiệu điện hệ Ii, Vi, Pi dòng điện, công suất, hiệu điện môđun thứ i hệ Iopi, Vopi, Popi dòng điện làm việc tối u, điện làm việc tối u, công suất làm việc tối u môđun thứ i hệ Iop, Vop, Pop dòng điện làm việc tối u, điện làm việc tối u, công suất làm việc tối u hệ Khi tải có giá trị < R < , Các môđun làm việc nh máy phát t- ơng đơng Đờng đặc tính vôn ampe hệ tổng hình học hai đờng đặc trng môđun b Ghép song song môđun mặt trời cách ghép này, ta giả sử môđun giống hệt nhau, có đờng đặc tính V-A giống hết nhau, thông số dòng đoản mạch ISC, hở mạch VOC Giả sử cờng độ chiếu sáng đồng (a) (b) Hình1.7 Ghép song song hai môđun pin mặt trời (a) đờng đặc trng VA môđun hƯ (b) Khi ®ã ta cã: U = U1 = U = … = U i (1-7) (1-8) 10 ... toàn hệ tiếp tục làm việc 1.2 Hệ thống pin mặt trời Hệ pin mặt trời (hệ PV photovoltaic system) nhìn chung đợc chia thành loại bản: - Hệ PV làm việc độc lập - Hệ PV làm việc với lới Hệ PV độc lập. .. cứu thành phần hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập Một hệ pin mặt trời làm việc độc lập bao gåm: hƯ thèng hÊp thơ ¸nh s¸ng c¸c pin mặt trời nối ghép lại với nhau; Các biến đổi điện tử công... Ch¬ng 1: Tổng quan hệ thống pin mặt trời Chơng 2: Các biến đổi bán dẫn hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập Chơng 3: Phơng pháp dò tìm điểm làm việc tối u MPPT Chơng 4: Bộ lu trữ lợng (ắc quy)