Nghiên cứu xây dựng mô hình trạm sạc pin cho xe điện bằng năng lượng mặt trời utehy s 2023 87

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊNTHAM GIA XÉT GIẢI THƯỜNG

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH TRẠM SẠC PIN CHO XEĐIỆN BẰNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ thuật

Hưng Yên, 4/2023

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊNTHAM GIA XÉT GIẢI THƯỜNG

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH TRẠM SẠC PIN CHO XEĐIỆN BẰNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Thuộc nhóm ngành khoa học: Khoa Cơ Khí Động Lực

Sinh viên thực hiện: Bùi Văn Thế Nam, Nữ: NamDân tộc: Kinh

Lớp, khoa: 121192, Cơ khí động lực Năm thứ: 4 Số năm đào tạo: 4Ngành học:Cơ điện tử ô tô và xe chuyên dụng

Người hướng dẫn: Ts.Nguyễn Văn Thịnh

Hưng Yên, 4/2023

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: Nghiên cứu xây dựng mô hình trạm sạc pin cho xe điện bằng năng lượng

mặt trời.

- Sinh viên thực hiện: - Bùi Văn Thế - Lê Đình Tú - Vũ Văn Tiến

- Nguyễn Hoài Nam

- Lớp: 12192 Khoa: Cơ Khí Động Lực Năm thứ: 4 Số năm đào tạo: 4

- Người hướng dẫn: Ts.Nguyễn Văn Thịnh 2 Mục tiêu đề tài:

- Phân tích cấu tạo, nguyên lý hoạt động của trạm sạc pin cho xe bằng năng lượng mặt trời

- Nghiên cứu các phương pháp thiết kế xây dựng mô hình trạm sạc pin cho xe điện bằng năng lượng mặt trời

- Đánh giá kết quả thực tế, xây dựng mô hình sản phẩm trên thực tế.

3 Những nội dung nghiên cứu chính:

- Nghiên cứu tổng quan về hệ thống mô hình trạm sạc pin xe điện - Khảo sát, xây dựng phương án thiết kế hệ thống.

- Nghiện cứu thiết kế phần cứng của hệ thống - Lập trình điều khiển hệ thống.

4 Kết quả nghiên cứu:

- Kết quả của đề tài là tài liệu tham khảo có thể áp dụng để phục vụ cho các vấn đề liên quan đến năng lượng.

5 Đóng góp về mặt kinh tế - xã hội, giáo dục và đào tạo, an ninh, quốc phòng vàkhả năng áp dụng của đề tài:

- Đề tài tận dụng năng lượng sạch sử năng lượng mặt trời để thay thế năng lượng hóa thạch, giảm ô nhiễm môi trường

6 Công bố khoa học của sinh viên từ kết quả nghiên cứu của đề tài

Sinh viên chịu trách nhiệm chính

THÔNG TIN VỀ SINH VIÊN CHỊU TRÁCH NHIỆM CHÍNHTHỰC HIỆN ĐỀ TÀI

I SƠ LƯỢC VỀ SINH VIÊN :

Họ và tên: Bùi Văn Thế

Sinh ngày: 05 tháng 01 năm 2001

Nơi sinh: Duyên Hải - Hưng Hà - Thái Bình Lớp: 121192 Khóa: K17

Khoa: Cơ Khí Động Lực

Địa chỉ liên hệ: Yên Lịch – Dân Tiến – Khoái Châu

Điện thoại: 0358413531 Email: pbui04417@gmail.com

Ngành học: Cơ điện tử ô tô và xe chuyên dụng Khoa: Cơ Khí Động Lực Kết quả xếp loại học tập: Giỏi

Sơ lược thành tích: Không

* Năm thứ 3:

Ngành học: Cơ điện tử ô tô và xe chuyên dụng Khoa: Cơ Khí Động Lực Kết quả xếp loại học tập: Giỏi

Sơ lược thành tích: Không

Ngày tháng năm

Xác nhận của trường đại họcSinh viên chịu trách nhiệm chínhthực hiện đề tài

Mục Lục

LỜI MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN MỤC TIÊU – NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI 2

1.1 Giới Thiệu về đề tài 2

1.1.1 Tính cấp thiết của đề tài 2

1.1.2 Mục đích nghiên cứu 2

1.1.3 Đối tượng nghiên cứu 3

1.1.4 Ý nghĩa của việc nghiên cứu 3

1.2 Tổng quan về trạm sạc xe điện 3

1.2.1 Khái niệm 3

1.2.2 Cấu tạo nguyên lý của trạm sạc 5

Chương 2: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VÀ ỨNG DỤNG VỀ PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ HỆ THỐNG LƯU TRỮ 7

2.1 Nghiên cứu và ứng dụng pin năng lượng mặt trời cho trạm sạc xe điện 7

2.1.1 Khái niệm về pin năng lượng mặt trời 7

2.1.2 Lịch sử và sự phát triển của pin năng lượng mặt trời 8

2.1.3 Cấu tạo của Pin năng lượng mặt trời 11

2.1.4 Nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời 13

2.1.5 Thuật toán điều khiển bám công suất cực đại tấm pin 18

2.1.6 Phương pháp ghép nối tiếp các module pin mặt trời 22

2.2 Nghiên cứu lý thuyết hệ thống lưu trữ điện năng và ứng dụng trong trạm sạc xe điện 24

2.2.1 Khái niệm chung về hê thống lưu trữ năng lượng 24

2.2.2 Phương pháp lưu trữ năng lượng mặt trời 24

2.2.3 Các chế độ của bộ nguồn nạp ắc quy 28

2.2.4 Một số phương pháp sạc 28

2.2.5 Quy trình sạc tiêu chuẩn 31

2.2.6 Các sự cố cần bảo vệ ác quy chì – axit 32

2.2.7 Ứng dụng của ắc quy cho xe điện 33

Chương 3: KHẢO SÁT VÀ TÍNH TOÁN TRẠM XẠC NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

34

3.1 Khảo sát, thống kê tiềm năng bức xạ tại hưng yên 34

3.2 Cơ sở tính toán các thông số của trạm sạc XE Ô TÔ ĐIỆN 36

Chương 4: NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ SẠC ĐIỆN CHO XE ĐIỆN, BỘ CHUYỂN ĐỔI ĐIỆN ÁP TRẠM SẠC ĐIỆN XE ĐIỆN 39

4.1 Nghiên cứu thiết kế hệ thống quản lý và bộ chuyển đổi điện áp trạm sạc điện xe

4.2 Nghiên cứu, thiết kế trạm sạc điện cho xe điện bằng năng lượng mặt trời 60

4.2.1 Tổng quan về hệ thống sạc năng lượng mặt trời 60

Tổng quan về sạc năng lượng mặt trời 62

4.2.2 Thiết kế mạch điều khiển và mô hình 67

4.2.3 Hướng dẫn sử sạc năng lượng mặt trời 71

Kết Luận và Kiến Nghị 72

TÀI LIỆU THAM KHẢO 73

Danh Mục Hình

Hình 1 1: Hình ảnh thực tế của một trạm sạc nhỏ 4

Hình 1 2:Sơ đồ mô hình trạm sạc xe điện 5

Hình 1 3: Sơ đồ nguyên lý đơn giản để biến đổi năng lượng mặt trời 6

YHình 2 1: Hình ảnh thực tế tấm pin mặt trời 7

Hình 2 2: Charle Fritts và những cell pin mặt trời đầu tiên trên thế giới 9

Hình 2 3: Vệ tinh có lắp các tấm pin năng lượng đầu tiên trên thế giới 10

Hình 2 4: Cấu tạo của pin mặt trời 11

Hình 2 5: Cấu tạo hoàn chỉnh của tấm pin mặt trời thành phẩm 11

Hình 2 6: Nguyên lý của Pin năng lượng mặt trời 13

Hình 2 7: Nguyên lý của Pin năng lượng mặt trời 13

Hình 2 8: Nguyên lý hoạt động của các nguyên tố trong tấm pin 15

Hình 2 9: Nguyên lý của các photon và silic khi có ánh sáng mặt trời tác động 16

Hình 2 10: Nguyên lý hiện tượng quang điện 17

Hình 2 11: Pin mặt trời mắc trực tiếp với tải 18

Hình 2 12: Đặc tính làm việc của pin mặt trời và của tải 18

Hình 2 13: Pin mặt trời kết nối với tải qua bộ biến đổi DC/DC 19

Hình 2 14: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển MPPT với thuật toán P&O 20

Hình 2 15: Đặc tính P-V của pin mặt trời 21

Hình 2 16: Đường cong đặc tính P – V thay đổi khi dãy PV bị bóng che 21

Hình 2 17: (a)-Ghép nối tiếp hai module pin mặt trời 22

Hình 2 18: Ghép song song hai module pin mặt trời (a) và đường đặc tính V-A của các module và của cả hệ (b) 23

Hình 2 19: Quá trình chuyển đổi năng lượng về ắc quy 24

Hình 2 20: Các hình ảnh ắc quy thực tế 25

Hình 2 21: Cấu tạo chung cơ bản của ắc quy axit - chì 26

Hình 2 22: Các chê độ nạp của ắc quy 28

Hình 2 23: Các phương pháp sạc 29

Hình 2 24: Quy trình sạc ắc quy 31

Hình 3 1: Nhiệt độ trung bình cao và thấp của Hưng Yên trong năm 34

Hình 3 2: Bảng số liệu về nhiệt độ trung bình các tháng của Hưng Yên 34

Hình 3 3 : Bảng số liệu bức xạ mặt trời ở các khu vực trong nước 35

Hình 3 4: Hình ảnh thông tin tấm pin khi chưa cấp tải vào ngày ít nắng 35

Hình 3 5: Hình ảnh khi tấm pin có kết nối với kích điện áp 36

Hình 3 6: Trạm sạc cho xe điện 36

Hình 3 4: Sơ đồ dạng sóng ra của bộ kích điện 44Y Hình 4 1: Hình ảnh thực tế của bộ chuyển đổi điện áp 39

Hình 4 2: Nguyên lý kích điện 1 bước 42

Hình 4 3: Nguyên lý làm việc của bộ chuyển đổi điện áp 42

Hình 4 4: Sơ đồ dạng sóng ra của bộ kích điện 44

Hình 4 5: Hình ảnh dạng song ra đo được của bộ chuyển đổi 45

Hình 4 6: sơ đồ kết nối bộ chuyển đổi với các bộ phận khác 46

Hình 4 7: Nguyên lý hoạt động 46

Hình 4 8: Sơ đồ một pha có điểm trung tính và biểu đồ xung của sơ đồ cầu một pha.48 Hình 4 9: Ảnh hưởng của điện cảm Ld đối với chế độ làm việc của nghịch lưu 49

Hình 4 10: a) Sơ đồ thay thế của nghịch lưu dòng một pha 50

Hình 4 11: Nghịch lưu áp cầu một pha 52

Hình 4 12: Đồ thị nghịch lưu áp cầu một pha 52

Hình 4 13: Sơ đồ khối mạch nghịch lưu 52

Hình 4 14: Sơ đồ nguyên lý 53

Hình 4 15: Hình ảnh 3D Nguyên lý mạch nghịch lưu 54

Hình 4 16: Hình ảnh mạch khi hoàn thành 54

Hình 4 17: Hình ảnh sản phẩm đang hoạt động 55

Hình 4 18: Sơ đồ mạch cấu trúc cho bộ điều khiển sạc dựa trên công nghệ MPPT 61

Hình 4 19: Nguyên Lý hoạt động của hệ thống năng lượng mặt trời 63

Hình 4 20: Bộ điều khiển sạc pin năng lượng mặt trời PWM 64

Hình 4 21:Sạc pin năng lượng mặt trời MPPT 65

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay với tình hình dân số và nền công nghiệp phát triển không ngừng, năng lượng càng thể hiện rõ vai trò quan trọng và trở thành yếu tố không thể thiếu trong cuộc sống Tuy nhiên trong khi nhu cầu sử dụng năng lượng đang ngày càng gia tăng thì các nguồn năng lượng truyền thống được khai thác sử dụng hàng ngày đang dần cạn kiệt và trở nên khan hiếm Một số nguồn năng lượng đang được sử dụng như nguồn nguyên liệu hoá thạch (dầu mỏ, than đá…) đang cho thấy những tác động xấu đến môi trường, gây ô nhiễm bầu khí quyển là một trong những nguyên nhân làm trái đất ấm dần lên Còn nguồn năng lượng thuỷ điện (vốn cũng được coi là một loại năng lượng sạch) thì cũng không đáp ứng được nhu cầu tiêu thụ điện hiện nay trong khi tình trạng mức nước trong hồ chứa thường xuyên xuống dưới mực nước chết So với những nguồn năng lượng mới đang được khai thác sử dụng như năng lượng gió, năng lượng hạt nhân… Năng lượng mặt trời được coi là một nguồn năng lượng rẻ, vô tận, là một nguồn năng lượng sạch không gây hại cho môi trường đang thu hút sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học, nhà nghiên cứu và sẽ trở thành nguồn năng lượng tốt nhất trong tương lai Hệ thống quang điện sử dụng năng lượng mặt trời (Hệ pin mặt trời) có nhiều ưu điểm như không cần nguyên liệu, không gây ô nhiễm môi trường, ít phải bảo dưỡng, không gây tiếng ồn… Hiện nay năng lượng mặt trời đã được khai thác và đưa vào ứng dụng trong cuộc sống cũng như trong công nghiệp dưới nhiều dạng và hình thức khác nhau, thông thường để cấp nhiệt và điện Ngành Công nghệ ô tô điện sử dụng năng lượng điện sẽ thay thế cho các loại ô tô sử dụng nguồn năng lượng hóa thạch đang là xu hướng tất yếu hiện nay của con người Hiện nay, công nghệ ô tô điện đang phát triển nhanh chóng và trong tương lai gần sẽ thay thế hoàn toàn các dạng ô tô truyền thống

Trong thời gian học tập em được trang bị kiến thức chuyên ngành, để đánh giá quá trình học tập và rèn luyện của bản thân Em và một bạn cùng lớp cùng tham gia vào đề tài nghiên cứu khoa học với nội dung: “Nghiên cứu xây dựng mô hình trạm sạc pin cho xe điện bằng năng lượng mặt trời.” cùng với sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Văn Thịnh Sau một thời gian tìm hiểu và nghiên cứu, cùng với những lời đóng góp ý kiến chân thành từ các Thầy giáo cùng các bạn sinh viên, đặc biệt được sự hướng dẫn

nhiệt tình của thầy Nguyễn Văn Thịnh em đã hoàn thành được đề tài với thời gian

quy định Tuy nhiên, để có được sản phẩm có tính ổn định cao, đảm bảo về chất lượng là tương đối khó khăn Vì thời gian để hoàn thành đề tài này cũng có hạn, và tầm hiểu biết của em vẫn còn hạn chế… nên đề tài khó tránh khỏi những thiếu sót, những khuyết điểm không mong muốn Em rất mong có được những ý kiến đóng góp quý

báu, chân thành của quý thầy cô cùng các bạn sinh viên để đề tài này được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Chương 1: TỔNG QUAN MỤC TIÊU – NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI 1.1 Giới Thiệu về đề tài

1.1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay nhu cầu sử dụng năng lượng của con người ngày càng tăng nhất là năng lượng điện Con người cần năng lượng điện để phục vụ cho nhu cầu đời sống sinh hoạt, sản xuất Từ những nhu cầu đơn giản như chiếu sáng sinh hoạt cho đến các dây chuyền sản xuất hiện đại Trong khi đó các nguồn nhiên liệu truyền thống đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng Năng lượng mặt trời được xem là dạng năng lượng ưu việt trong tương lai, nó được xem là nguồn năng lượng sẵn có, sạch và miễn phí Do vậy, với đặc điểm ưu điểm và khả năng thay thế nguồn nguyên liệu truyền thống thì hiện nay, năng lượng mặt trời đang được rất nhiều các nhà khoa học, các chuyên gia, các công ty năng lượng trên thế giới quan tâm nghiên cứu về tiềm năng năng lượng cũng như khả năng ứng dụng.

Xe điện vốn dĩ từ lâu đã được đánh giá là xu thế của ngành công nghiệp ô tô trong tương lai bởi mối lo ngại ô nhiễm môi trường do hệ thống khí thải độc hại từ các thế hệ xe diesel Thêm vào đó, những yêu cầu gắt gao về chất lượng khí thải của các quốc gia càng khiến ngành công nghiệp ô tô chuyển sang sử dụng ô tô điện Đấy là chưa kể, công nghệ luôn phát triển không ngừng và điều này khiến chi phí của những chiếc xe ô tô điện vì thế mà cũng rẻ hơn Với những lợi ích to lớn mà công nghệ ô tô điện mang lại cho con người, việc sử dụng ô tô điện là bước đi quan trọng để con người không còn phụ thuộc vào nguồn năng lượng hóa thạch mà sẽ sử dụng nguồn năng lượng sạch trong tương lai.

Đi đôi với việc sử dụng ô tô điện, yêu cầu cấp thiết hiện nay là phải xây dựng hệ thống phân phối năng lượng điện rải khắp trên những tuyến đường, khu vực mà ô tô điện hoạt động như: sân bay, khu du lịch, cảng biển Trong đó việc xây dựng trạm sạc ô tô điện thông minh, tự động là bước đi quan trọng nhất trong việc hình thành nên hệ thống này Việc kết hợp hệ thống năng lượng mặt trời để cung cấp nguồn cho trạm sạc ô tô điện là một trong những bước đi đầu tiên để tiến đến sử dụng hoàn toàn năng lượng tái tạo trong tương lai Vì vậy việc “Tính toán Nghiên cứu và ứng dụng pin năng lượng mặt trời cho trạm sạc điện xe điện” để cung cấp năng lượng sạch cho ô tô điện tại.

1.1.2 Mục đích nghiên cứu

Từ những lý do trên, đề tài đặt ra mục tiêu chính là “Tính toán Nghiên cứu và ứng dụng pin năng lượng mặt trời cho trạm sạc điện xe điện” nhằm góp phần thúc đẩy việc nghiên cứu và sử dụng năng lượng mặt trời và ứng dụng hệ thống xe điện trong tương lai.

1.1.3 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là trạm sạc xe điện sử dụng năng lượng mặt trời Phương pháp nghiên cứu :

+ Khái niệm, cấu tạo, nguyên lý làm việc, Thuật toán điều khiển bám công suất của tấm pin năng lượng mặt trời.

+ Khái niệm, cấu tạo, nguyên lý làm việc của hệ thống lưu trữ điện năng.

+ Khái niệm, Cấu tạo, sơ đồ, nguyên lý, mạch sạc chuyển đổi năng lượng mặt trời sang điện năng.

+ Cấu tạo, sơ đồ, nguyên lý mạch biến tần (nghịch lưu) điện áp từ hệ thống lưu trữ thành điện áp xoay chiều.

+ Khảo sát tính toán công suất thực tế của tấm pin năng lượng trời của trạm sạc.

1.1.4 Ý nghĩa của việc nghiên cứu

Mang đến những bước tiến vượt trội trong việc áp dụng khoa học công nghệ hiện đại vào ngành năng lượng và đặc biệt là mang lại bước tiến phát triển cho ngành công nghiệp ô tô điện đang phát triển Việc ứng dụng các trạm sạc sử dụng năng lượng mặt trời rộng rãi trong tương lai sẽ là 1 phần lớn trong việc ngăn ngừa lượng khí thải nhà kính và ngăn cho việc cạn kiệt năng lượng hóa thạch và tận dụng triệt để lượng năng lượng mặt trời dồi dào để sử dụng.

1.2 Tổng quan về trạm sạc xe điện

1.2.1 Khái niệm

Trạm sạc xe điện là nơi cung cấp năng lượng điện cho các phương tiện giao thông vận hành bằng điện như xe ô tô điện, xe máy điện, xe buýt điện …

Trạm sạc xe điện có vai trò cung cấp điện năng cần thiết cho các phương tiện điện trong trường hợp cạn kiệt năng lượng trong quá trình di chuyển Nhờ những trạm sạc này mà các phương tiện được nạp đầy pin và tránh được tình trạng gặp sự cố hết pin giữa đường trong quá trình đi lại

Hình 1 1: Hình ảnh thực tế của một trạm sạc nhỏ

Ngày nay, nhu cầu sử dụng phương tiện bằng điện ngày càng tăng cao, trong đó bao gồm cả xe máy điện và ô tô điện Chính bởi vậy nhu cầu sử dụng trạm sạc xe điện cũng được tăng theo Điều này thúc đẩy các hãng đầu tư và phát triển hệ thống trạm sạc.

1.2.2 Cấu tạo nguyên lý của trạm sạc

Hình 1 2:Sơ đồ mô hình trạm sạc xe điện

Cấu tạo của một trạm sạc xe điện đơn giản gồm có: +Hệ thống pin năng lượng mặt trời

+Hệ thống pin lưu trữ năng lượng

+Các trạm sạc pin cho xe ô tô và cho xe máy điện Nguyên lý của trạm sạc xe điện sử dụng năng lượng mặt trời:

Các trạm sạc điện truyền thống sẽ sử dụng điện lưới thông qua bộ sạc chuyên dụng để sạc cho xe điện Bất lợi của hệ thống sạc truyền thống này là tốn chi phí mua điện từ lưới và gây ra hiện tượng quá tải trong giờ cao điểm Hệ thống sạc điện tích hợp điện năng lượng mặt trời và điện lưới sẽ khắc phục được bất lợi này Ban ngày hệ thống sẽ sử dụng điện từ tấm pin năng lượng mặt trời để sạc cho xe trong trạm, ban đêm hoặc khi trời mua, lượng điện từ tấm pin không đủ sẽ sử dụng điện lưới để sạc Việc kết hợp này giúp chủ các trạm sạc vừa tiết kiệm chi phí vừa có thể hoạt động vào ban đêm và trời không đủ nắng Tuy nhiên, hệ thống này vẫn còn phụ thuộc vào điện lưới (không có điện thì không hoạt động được) nên cần đặt ở những khu vực có điện lưới ổn định Nếu khu vực có điện lưới không ổn định thì các trạm sạc cần đầu tư bộ lưu trữ lớn để đảm bảo hiệu suất tối đa của hệ thống.

Hình 1 3: Sơ đồ nguyên lý đơn giản để biến đổi năng lượng mặt trời

Từ hình trên chúng ta sẽ tìm hiểu các phần chính là:  Pin mặt trời

 Hệ thống lưu trữ năng lượng (ắc quy)  Bộ điều khiển năng lượng mặt trời mppt  Bộ biến đổi điện áp (12vDC lên 220v AC)  Khảo sát cấu tạo công suất dự kiến của trạm sạc

Chương 2: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VÀ ỨNG DỤNG VỀ PINNĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ HỆ THỐNG LƯU TRỮ 2.1 Nghiên cứu và ứng dụng pin năng lượng mặt trời cho trạm sạc xe điện

2.1.1 Khái niệm về pin năng lượng mặt trời.

Pin mặt trời còn gọi là pin quang điện là thiết bị ứng dụng hiệu ứng quang điện trong bán dẫn (thường gọi là hiệu ứng quang điện trong – quang dẫn) để tạo ra dòng điện một chiều từ ánh sáng mặt trời Loại pin mặt trời thông dụng nhất hiện nay là loại sử dụng Silic tinh thể Tinh thể Silic tinh khiết là chất bán dẫn điện rất kém vì các điện tử bị giam giữ bởi liên kết mạng, không có điện tử tự do Khi bị ánh sáng hay nhiệt độ kích thích, các điện tử bị bứt ra khỏi liên kết, hay là các điện tử tích điệ n âm nhảy từ vùng hoá trị lên vùng dẫn và để lại một lỗ trống tích điện dương trong vùng hoá trị Lúc này chất bán dẫn mới dẫn điện.

Pin Mặt trời, tấm năng lượng mặt trời hay tấm quang điện (Solar panel) bao gồm nhiều tế bào quang điện (solar cells) - là phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các cảm biến ánh sáng là điốt quang, thực hiện biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện Cường độ dòng điện, hiệu điện thế hoặc điện trở của pin mặt trời thay đổi phụ thuộc bởi lượng ánh sáng chiếu lên chúng Tế bào quang điện được ghép lại thành khối để trở thành pin mặt trời (thông thường 60 hoặc 72 tế bào quang điện trên một tấm pin mặt trời) Tế bào quang điện có khả năng hoạt động dưới ánh sáng mặt trời hoặc ánh sáng nhân tạo Chúng có thể được dùng như cảm biến ánh sáng (ví dụ cảm biến hồng ngoại), hoặc các phát xạ điện từ gần ngưỡng ánh sáng nhìn thấy hoặc đo cường độ ánh sáng.

Hình 2 1: Hình ảnh thực tế tấm pin mặt trời

Sự chuyển đổi này thực hiện theo hiệu ứng quang điện Hoạt động của pin mặt

trời được chia làm ba giai đoạn:

 Đầu tiên năng lượng từ các photon ánh sáng được hấp thụ và hình thành các cặp electron-hole trong chất bán dẫn.

 Các cặp electron-hole sau đó bị phân chia bởi ngăn cách tạo bởi các loại chất bán dẫn khác nhau (p-n junction) Hiệu ứng này tạo nên hiệu điện thế của pin mặt trời

 Pin mặt trời sau đó được nối trực tiếp vào mạch ngoài và tạo nên dòng điện Về bản chất pin quang điện là một điốt bán dẫn bao gồm hai tấm bán dẫn loại P và loại N đặt sát cạnh nhau, khác ở chỗ pin quang điện có diện tích bề mặt rộng và có lớp N cực mỏng để ánh sáng có thể truyền qua Trên bề mặt của pin quang điện có một lớp chống phản xạ vì khi chiếu ánh sáng vào pin quang điện, sẽ có một phần ánh sáng bị hấp thụ khi truyền qua lớp N và một phần ánh sáng sẽ bị phản xạ ngược lại còn một p hần ánh sáng sẽ đến được lớp chuyển tiếp, nơi có các cặp electron và lỗ trống nằm trong điện trường của bề mặt giới hạn Với các bước sóng thích hợp sẽ truyền cho electron một năng lượng đủ lớn để thoát khỏi liên kết Khi thoát khỏi liên kết, dưới tác dụng của điện trường, electron sẽ bị kéo về phía bán dẫn loại N, còn lỗ trống bị kéo về phía bán dẫn loại P Khi đó nếu nối hai cực vào hai phần bán dẫn loại N và P sẽ đo được một hiệu điện thế Giá trị của hiệu điện thế này phụ thuộc vào bản chất của chất làm bán dẫn và tạp chất được hấp phụ.

2.1.2 Lịch sử và sự phát triển của pin năng lượng mặt trời2.1.2.1 Lịch sử ra đời

Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel lúc ông 19 tuổi khi đang làm thí nghiệm tại phòng nghiên cứu của cha Willoughby Smith nhắc đến phát minh này trong một bài báo xuất bản ngày 20 tháng 2 năm 1873 trên tạp chí Nature Tuy nhiên cho đến 1883 một pin năng lượng mới được tạo thành, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối, thiết bị chỉ có hiệu suất 1% Năm 1888, nhà vật lý học người Nga Aleksandr Stoletov tạo ra tấm pin đầu tiên dựa vào hiệu ứng quang điện được phát hiện bởi Heinrich Hertz trước đó vào năm 1887.

Hình 2 2: Charle Fritts và những cell pin mặt trời đầu tiên trên thế giới.

+Albert Einstein đã giải thích được hiệu ứng quang điện vào năm 1905, công trình đã giúp ông giành giải Nobel vật lý năm 1921.

+Vadim Lashkaryov phát hiện ra phân lớp p-n trong CuO và bạc sul-phát vào năm 1941.

+Russell Ohl được xem là người tạo ra pin năng lượng Mặt trời đầu tiên năm 1946 Sven Ason Berglund đã có phương pháp liên quan đến việc tăng khả năng cảm nhận ánh sáng của pin.

+Pin mặt trời đầu tiên có khả năng ứng dụng được ra mắt vào 25/4/1954 tại Bell Laboratories bởi Daryl Chapin, Calvin Souther Fuller và Gerald Pearson.

+Pin mặt trời bắt đầu được quan tâm đặc biệt khi kết hợp với vệ tinh Vanguard I năm 1958.

2.1.2.2 Quá trình phát triển

Các mốc sự kiện:

+Vào cuối những năm 1950 và 1960, chương trình không gian của NASA đã đóng một vai trò tích cực trong sự phát triển của quang điện “Các tế bào là nguồn năng lượng điện hoàn hảo cho vệ tinh vì chúng rất chắc chắn, nhẹ và có thể đáp ứng các yêu cầu công suất thấp đáng tin cậy.”

+Năm 1958 Các tấm pin mặt trời ở ngoài vũ trụ – Một số ứng dụng đầu tiên của

công nghệ năng lượng mặt trời thực sự ở ngoài vũ trụ nơi năng lượng mặt trời được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các vệ tinh.

Hình 2 3: Vệ tinh có lắp các tấm pin năng lượng đầu tiên trên thế giới.+ Năm 1973 Nơi lưu trữ năng lượng mặt trời đầu tiên – Đại học Delwar chịu

trách nhiệm xây dựng tòa nhà năng lượng mặt trời đầu tiên, có tên là Solar Solar One + Năm 1981- Máy bay chạy bằng năng lượng mặt trời

+Năm 1982 Nhà máy điện mặt trời đầu tiên có công suất 1MW được hoàn thành ở Mỹ.

+Năm 1983: sản xuất pin mặt trời trên toàn thế giới vượt mức 20 MW, và doanh số bán vượt mức 250 trieu USD.

+Năm 1997: Sanyo bắt đầu sản xuất hàng loạt pin mặt trời hiệu xuất cao HIT c-Si/a-Si: H.

+Đến năm 1999 tổng công suất lắp đặt pin mặt trời trên thế giới đạt 1GW +Năm 2002: Hội nghị Solar Silicon đầu tiên đối phó với cuộc khủng hoảng của nguyên tố Si được tổ chức bởi Photon tại Munich, Đức.

+Năm 2006: Wacker mở rộng sản xuất pin năng lượng mặt trời poly-Si tại Burghausen, Đức, Công suất lên đến 16.000 tấn / năm để trở thành công ty lớn thứ hai trong lĩnh vực này trên toàn thế giới.

+Năm 2010, tổng công suất pin mặt trời trên thế giới ước tính đạt 37,4GW (trong đó Đức có công suất lớn nhất với 7,6GW.).

+Dự đoán công suất pin mặt trời thế giới đến năm 2025.

2.1.3 Cấu tạo của Pin năng lượng 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 năng nhờ hiệu ứng quan điện bên trong gọi là pin mặt trời Pin mặt trời được sản xuất và ứng dụng phổ biến hiện nay là các pin mặt trời được chế tạo từ vật liệu tinh thể bán dẫn silicon (Si) có hóa trị 4

Hình 2 4: Cấu tạo của pin mặt trời.

Tấm pin năng lượng mặt trời được cấu tạo bởi 8 bộ phận chính, đó là:

Hình 2 5: Cấu tạo hoàn chỉnh của tấm pin mặt trời thành phẩm.

1, Khung nhôm:

Là một bộ phận có kết cấu cứng cáp để tích hợp các tế bào quang điện (solar cells) và các bộ phận khác Tuy được thiết kế cứng cáp nhưng đồng thời vẫn đủ nhẹ để

có thể bảo vệ và cố định các thành phần khác trước các yếu tố từ ngoại lực tác động Màu sắc chủ yếu của nhôm là màu bạc.

2, Kính cường lực:

Giúp bảo vệ solar cells khỏi các tác động của thời tiết như nhiệt độ, bụi, mưa đá, và các tác động va chạm khác từ bên ngoài Kính được thiết kế có độ dày 3m-3.5m Để đảm bảo có thể bảo vệ nhưng vẫn giữ được độ trong suốt của kính cường lực để dễ dàng hấp thụ ánh sáng mặt trời.

3, Lớp EVA (ethylene vinyl acetate)

Đây là thành phần được coi là chất kết dính, là 2 lớp polymer mỏng đặt trên và dưới lớp solar cells Nhằm kết dính lớp tế bào quang điện với kính cường lực phía trên và lớp phía dưới Ngoài ra lớp này còn tối ưu hóa khả năng hấp thụ và bảo vệ solar cells khỏi sự rung động, tránh bám bụi bẩn và sự tích tụ hơi nước Là vật liệu có khả năng chịu nhiệt rất tốt và độ bền cao.

4, Lớp solar cell

Pin năng lượng mặt trời thông dụng được làm từ silic – chất bán dẫn phổ biến Trong một tế bào (cell), tinh thể silic nằm ở giữa hai lớp dẫn điện Một solar cells được sử dụng 2 lớp silic khác nhau.

5, Tấm nền pin

Có chức năng cách điện, bảo vệ cơ học và giữ độ ẩm Tùy vào từng hãng sản xuất mà tấm nền pin sẽ có độ dày khác nhau Màu sắc chủ yếu là màu trắng.

6, Hộp đấu dây

Hộp đấu dây có tên tiếng anh là junction box, là hộp nằm ở phía sau cùng, là nơi tập hợp và chuyển giao năng lượng điện được tạo ra từ tấm pin năng lượng mặt trời ra ngoài Chính vì lẽ đó nên đây được coi là vị trí quan trọng nên được lắp ráp và thiết kế chắc chắn.

7, Cáp điện DC

Là loại cáp điện chuyên dụng cho điện năng mặt trời, có khả năng cách điện tốt đồng thời là khả năng chống chịu tốt từ môi trường bên ngoài như: tia cực tím, bụi,….

8, Jack kết nối MC4

Là đầu nối để kết nối tấm pin mặt trời với nguồn điện thường dùng Loại jack này giúp chúng ta dễ dàng kết nối tấm pin và dãy pin từ các tấm pin liền kề với nhau bằng cách gắn jack.

2.1.4 Nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời

Pin năng lượng mặt trời (solar panel/pin mặt trời/pin quang điện) là thiết bị giúp chuyển hóa trực tiếp năng lượng ánh sáng mặt trời (quang năng) thành năng lượng điện (điện năng) dựa trên hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện là khả năng phát ra điện tử (electron) khi được ánh sáng chiếu vào của vật chất.

Silicon được biết đến là một chất bán dẫn Chất bán dẫn là vật liệu trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện chất bán dẫn hoạt động như một chất cách điện ở nhiệt độ thấp và có tính dẫn điện ở nhiệt độ phòng với tính chất như vậy, silicon là một thành phần quan trọng trong cấu tạo của pin năng lượng mặt trời.

Hình 2 6: Nguyên lý của Pin năng lượng mặt trời

Hình 2 7: Nguyên lý của Pin năng lượng mặt trời

Silicon tuy có mức dẫn điện hạn chế nhưng nó có cấu trúc tinh thể rất phù hợp cho việc tạo ra chất bán dẫn Nguyên tử silicon cần 4 electron để trung hòa điện tích nhưng lớp vỏ bên ngoài một nguyên tử silicon chỉ có một nửa số electron cần thiết nên nó sẽ bám chặt với các nguyên tử khác để tìm cách trung hòa điện tích.

Để tăng độ dẫn điện của silicon, các nhà khoa học đã “tạp chất hóa” nó bằngcách kết hợp nó với các vật liệu khác Quá trình này được gọi là “doping” và silicon

pha tạp với các tạp chất tạo ra nhiều electron tự do và lỗ trống Một chất bán dẫn silicon có hai phần, mỗi phần được pha tạp với một loại vật liệu khác Phần đầu tiên được pha với phốt pho, phốt pho cần 5 electron để trung hòa điện tích và có đủ 5 electron trong vỏ của nó Khi kết hợp với silicon, một electron sẽ bị dư ra Electron đặc trưng cho điện tích âm nên phần này sẽ được gọi là silicon loại N (điện cực N) Để tạo ra silicon loại P (điện cực P), các nhà khoa học kết hợp silicon với boron Boron chỉ cần 3 electron để trung hòa điện tích và khi kết hợp với silicon sẽ tạo ra những lỗ trống cần được lấp đầy bởi electron.

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.

Một pin mặt trời bao gồm một lớp silicon loại P được đặt bên cạnh một lớp silicon loại N Ở lớp loại N chứa electron, còn ở lớp loại P thừa lỗ trống mang điện dương (là những chỗ trống do thiếu electron hoá trị) Gần chỗ tiếp giáp của hai lớp, các electron ở một bên của lớp tiếp giáp (lớp loại N) di chuyển vào các lỗ trống ở phía bên kia của lớp tiếp xúc (lớp loại P) Điều này tạo ra một vùng xung quanh đường giao nhau, được gọi là vùng suy giảm, trong đó các điện tử lấp đầy các lỗ trống.

Hình 2 8: Nguyên lý hoạt động của các nguyên tố trong tấm pin

Khi tất cả các lỗ trống được lấp đầy bởi các điện tử trong vùng suy giảm, thì mặt loại P của vùng suy giảm bây giờ chứa các ion mang điện tích âm và mặt loại N của vùng suy giảm bây giờ chứa các ion mang điện tích dương Sự có mặt của các ion mang điện trái dấu này tạo ra điện trường bên trong ngăn cản các electron ở lớp N lấp đầy các lỗ trống ở lớp P.

Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào pin mặt trời, các điện tử trong silicon bị đẩy ra, dẫn đến hình thành các "lỗ" (chỗ trống do các điện tử thoát ra để lại) Nếu điều này xảy ra trong điện trường, điện trường sẽ chuyển các electron đến lớp loại N và các lỗ trống đến lớp loại P Nếu chúng ta nối một một sợi dây kim loại giữa hai lớp, các electron sẽ đi từ lớp loại N sang lớp loại P bằng cách băng qua vùng suy giảm sau đó đi qua dây bên ngoài tạo ra một dòng điện.

Hình 2 9: Nguyên lý của các photon và silic khi có ánh sáng mặt trời tác động

Khi một photon chạm vào mảnh silic, một trong hai điều sau sẽ xảy ra:

1 Photon truyền trực xuyên qua mảnh silic Điều này thường xảy ra khi năng lượng của photon thấp hơn năng lượng đủ để đưa các hạt electron lên mức năng lượng cao hơn.

2 Năng lượng của photon được hấp thụ bởi silic Điều này thường xảy ra khi năng lượng của photon lớn hơn năng lượng để đưa electron lên mức năng lượng cao hơn.

Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó được truyền đến các hạt electron trong màng tinh thể Thông thường các electron này lớp ngoài cùng, và thường được kết dính với các nguyên tử lân cận vì thế không thể di chuyển xa Khi electron được kích thích, trở thành dẫn điện, các electron này có thể tự do di chuyển trong bán dẫn.

Khi đó nguyên tử sẽ thiếu 1 electron và đó gọi là “lỗ trống” Lỗ trống này tạo điều kiện cho các electron của nguyên tử bên cạnh di chuyển đến điền vào “lỗ trống”, và điều này tạo ra lỗ trống cho nguyên tử lân cận có “lỗ trống” Cứ tiếp tục như vậy “lỗ trống” di chuyển xuyên suốt mạch bán dẫn

Một photon chỉ cần có năng lượng lớn hơn năng lượng đủ để kích thích electron lớp ngoài cùng dẫn điện Tuy nhiên, tần số của Mặt trời thường tương đương 6000°K,

vì thế nên phần lớn năng lượng Mặt trời đều được hấp thụ bởi silic Tuy nhiên hầu hết năng lượng Mặt trời có tác dụng nhiệt nhiều hơn là năng lượng điện sử dụng được.

khi chiếu sáng vào vật rắn, điện tử ở vùng hoá trị hấp thụ năng lượng photon hv và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn điện tử – lỗ trống e- - h+, tức là tạo ra một điện thế.Hiện tượng đó gọi là hiện tượng quang điện bên trong.Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời chính là hiện tượng quang điện xảy ra trên lớp tiếp xúc p-n

Hình 2 10: Nguyên lý hiện tượng quang điện

Sự chuyển đổi này thực hiện theo hiệu ứng quang điện Hoạt động của pin mặt

trời được chia làm ba giai đoạn:

 Đầu tiên năng lượng từ các photon ánh sáng được hấp thụ và hình thành các cặp electron-hole trong chất bán dẫn.

 Các cặp electron-hole sau đó bị phân chia bởi ngăn cách tạo bởi các loại chất bán dẫn khác nhau (p-n junction) Hiệu ứng này tạo nên hiệu điện thế của pin mặt trời

 Pin mặt trời sau đó được nối trực tiếp vào mạch ngoài và tạo nên dòng điện.

2.1.5 Thuật toán điều khiển bám công suất cực đại tấm pin2.1.5.1 Tổng quan

Hình 2 11: Pin mặt trời mắc trực tiếp với tải

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 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 2.12 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 2.12.

Hình 2 12: Đặc tính làm việc của pin mặt trời và của tải

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.

2.1.5.2 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 Io

Trong đó: Vo là điện áp ra, Io là dòng điện ra.

Tải ứng điểm làm việc lớn nhất của PMT được xác định như sau:

Ropt=V (MPP)I (MPP)

Trong đó: V(MPP) và I(MPP) là điện áp và dòng điện tại điểm có công suất cực đại 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.

Hình 2 13: Pin mặt trời kết nối với tải qua bộ biến đổi DC/DC

Từ hình vẽ 2.13 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.

2.1.5.3 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.

Hình 2.14 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 Vref 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.

Hình 2 14: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển MPPT với thuật toán P&O

Từ đồ thị đặc tính P-V (Hình 2.15) dưới đây, ta thấy rằng: Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang di chuyển theo hướng 1 tức DP > 0 và DV > 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 DP < 0 và DV < 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 DP > 0 và DV < 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 DP < 0 và DV > 0 thì cần giảm điện áp để kéo điểm hoạt động trở về điểm công suất cực đại MPP.

Từ những phân tích trên đây suy ra lưu đồ thuật toán P&O như Hình 2.14.

Hình 2 15: Đặc tính P-V của pin mặt trời.+Nhược điểm của các nghiên cứu khoa học.

Nhược điểm của nghiên cứu P&O.

Thuật toán P&O sẽ không đáp ứng được nếu môi trường thay đổi quá nhanh, hoặc cường độ chiếu sáng không đều trên dãy PV.

Hình 2 16: Đường cong đặc tính P – V thay đổi khi dãy PV bị bóng che

Trong điều kiện môi trường không thay đổi ( cường độ bức xạ đồng nhất): đường cong P1 không đổi, điểm hoạt động của dãy PV dưới giải thuật P&O sẽ dao động xung quanh điểm cực đại A.

Khi dãy PV bị bóng che một phần (ví dụ có đám mây bay qua), đường cong P1 trở thành P2 ( do cường độ bức xạ không đồng nhất), thuật toán P&O sẽ hoạt động chưa chính xác: điểm hoạt động sẽ bị lệch từ A sang A’, và thuật toán P&O sẽ dò ra điểm cực đại là điểm B, nhưng điểm B chưa phải là điểm có công suất lớn nhất (điểm

có công suất lớn nhất là điểm C)

+Nhược điểm của nghiên cứu P&O Under Partially Shaded Conditions.

Nhược điểm của phương pháp này là mạch điều khiển phức tạp Tuy nhiên ngày nay với sự xuất hiện của nhiều phần mềm hay các bộ vi xử lý thì nhược điểm này có thể khắc phục phần nào.

2.1.6 Phương pháp ghép nối tiếp các module pin mặt trời

Hình 2 17: (a)-Ghép nối tiếp hai module pin mặt trời (b) -Đường đặc tính V-A của từng module và của cả hệ

Giả sử, các module đều giống hệt nhau, có đường đặc tính V-A giống hệt nhau, các thông số như: dòng ngắn mạch Isc, điện áp hở mạch Voc bằng nhau Giả sử rằng, cường độ chiếu sáng trên các tấm là đồng đều nhau.

Khi ghép nối tiếp, các module này thì ta có:

I, P, V : là dòng điện, công suất và hiệu điện thế của cả hệ.

Ii, Vi, Pi: là dòng điện, công suất, hiệu điện thế của module thứ i trong hệ.

Iopi, Vopi, Popi: là dòng điện làm việc tối ưu, điện thế làm việc tối ưu, công suất làm việc tối ưu của các module thứ i trong hệ.

Iop, Vop, Pop: là dòng điện làm việc tối ưu, điện thế làm việc tối ưu, công suất làm việc tối ưu của hệ.

Khi tải có giá trị 0 < R <∞, các module làm việc như các máy phát tương đương Đường đặc tính V-A của hệ, bằng tổng hình học các đường đặc tính của các module thành phần.

+Phương pháp ghép song song các module pin mặt trời:

Ta cũng giả sử, các module đều giống hệt nhau, có đường đặc tính V-A giống hệt nhau, các thông số dòng ngắn mạch Isc, điện áp hở mạch Voc bằng nhau Giả sử rằng, cường độ chiếu sáng trên các tấm là đồng đều nhau.

Hình 2 18: Ghép song song hai module pin mặt trời (a) và đường đặc tính V-Acủa các module và của cả hệ (b)

Đường đặc tính V-A của hệ cũng được suy ra bằng cách, cộng các giá trị dòng điện I ứng với các giá trị điện thế V không đổi Trong trường hợp này, các pin cũng làm việc như các máy phát điện khi tải có giá trị 0 < R <.

2.2 Nghiên cứu lý thuyết hệ thống lưu trữ điện năng và ứng dụng trong trạm sạcxe điện

2.2.1 Khái niệm chung về hê thống lưu trữ năng lượng

Hệ thồng lưu trữ năng lượng là hệ thống cung cấp , truyền tải và phân phối điện nó liên quan đến việc thu năng lương được tạo ra ở 1 thời điểm và lưu trữ nó trong một phương pháp như pin, ắc quy, để lấy và sử dụng khi cần

Hình 2 19: Quá trình chuyển đổi năng lượng về ắc quy

Sự cần thiết và vai trò của hệ thồng lưu trữ năng lượng là đem lại nhiều lợi ích khi năng lương được lưu trữ, nó là một phần không thể thiếu của hệ thồng cung cấp, truyền tải và phân phối điện

Tích trữ năng lượng là giải pháp quan trọng giúp bổ sung nguồn điện bị thiếu Từ đó, tiết kiệm chi phí cho người tiêu dùng , cải thiện độ tin cậy và khả năng phục hồi, tích hợp các nguồn phát điện và giúp giảm thiểu các tác động của môi trường.

2.2.2 Phương pháp lưu trữ năng lượng mặt trời

Gồm 2 phương pháp: Lưu trữ bằng ác quy chì hoặc ác quy kiềm

 Ắc quy kiềm: Là loại ắc quy sử dụng kiềm làm chất điện phân  Ắc quy chì: Khi dùng axit làm chất điện phân được gọi là ắc quy axit.

Hình 2 20: Các hình ảnh ắc quy thực tế

2.2.2.1 Tổng quan về ắc quy

Ắc quy là thiết bị chuyển đổi hóa năng thành điện năng và ngược lại Khi ắc quy được sạc, năng lượng điệu được tích trữ dưới dạng hóa năng và khi ắc quy xả (kết nối với tải) thì hóa năng đàn dần chuyển đổi thành điện năng Các kiểu ắc quy hiện nay có trên thị trường gồm có ắc quy axit chì, lithium, nickel meltal hydride và nickel cadmium

a, Ắc quy axit chì

Ắc quy chì - axit Ác chì - axit có cấu tạo điện cực dương là điôxit chì PbO2, điện cực âm là chì quy xốp Pb, dung dịch dùng là axit sulfuric H,SO4 Khi nối cực ác với mạch tải dung quy dịch sẽ biến đổi thành sulfat chì PbSO4

Trong quá trình làm việc của ắc quy, có nhiều phản ứng hoá học xảy ra Trong quá trình nạp, sunfat chì ở cực dương biến đổi thành chì điôxit Còn khi ắc quy phóng hết điện, các chất tích cực trên điện cực dương PbO, và trên điện cực âm Pb biến thành PbSO4, Còn axit sunfuric H,SO4 biến hết thành nước Trong một ác quy được nạp đến đầy dung lượng, thông thường dung dịch chứa khoảng 36% tỉ trọng axit, hay là 25% thể tích, còn lại là nước

Tỷ lệ giữa mật độ axit trong dung dịch so với mật độ nước gọi là tỷ trọng đặc trưng, là một trong những thông số quan trọng của ắc quy, xác định điểm nhiệt độ hoá rắn của dung dịch khi ắc quy phóng hết Điểm nhiệt độ hoá rắn của dung dịch lại xác định khả năng làm việc của ắc quy tại các môi trường nhiệt độ khác nhau ở môi trường nhiệt độ càng thấp càng yêu cầu tỷ trọng đặc trưng của ắc quy phải cao Tỷ trọng đặc trưng khi ác quy nạp đầy thường trong phạm vi 1,250 đến 1,280 ở nhiệt độ 27°C, nghĩa là mật độ dung dịch lớn hơn nước sạch 1,25 đến 1,28 lần Khi ắc quy

phóng hết điện, tỷ trọng đặc trưng sẽ giảm dần về 1 Điện áp định mức của một ngăn ắc quy chỉ là khoảng 2,1 V Loai ác quy này có tuổi thọ cao, dung lượng lớn Ác quy chì - axit được sử dụng phổ biến trong hệ quang điện làm việc độc lập vì nó có giá thành hợp lý, tính tiện dụng và khả năng lưu giữ điện năng từ vài tiếng đồng hồ đến vài ngày

Hình 2 21: Cấu tạo chung cơ bản của ắc quy axit - chì

Bình ắc quy được chia thành nhiều ngăn, thông thường là 6 ngăn Mỗi ngăn ắc

quy đơn cho điện áp đầu ra là 2V Do đó, điện áp danh định ở đầu cực ắc quy sẽ là 12V Vỏ bình ắc quy được chế tạo bằng vật liệu cứng có tính chịu axit, chịu nhiệt, do đó mà người ta đúc bằng nhựa cứng hoặc ebonite Phía trong vỏ bình có các vách ngăn để tạo thành các ngăn riêng biệt, mỗi ngăn riêng biệt gọi là một ắc quy đơn Bản cực được làm từ hợp kim chì và antimon, trên mặt bản cực có gắn các xương dọc và xương ngang để tăng độ cứng vững và tạo ra các ô cho chất hoạt tính bám trên bản cực Phần nắp của ắc quy để che kín những bộ phận bên trong bình, ngăn ngừa bụi và các vật khác từ bên ngoài rơi vào bên trong bình, đồng thời giữ cho dung dịch điện phân không bị tràn ra ngoài Dung dịch điện phân là axit sulfuric H2SO4 được pha chế từ axit nguyên chất và nước cất với nồng độ tùy thuộc vào thời tiết và điều kiện khí hậu.

b, Ắc quy kiềm

Ví dụ loại nikel cadmium, sử dụng dung dịch là KOH, điện cực dương là hyđroxit nikel và cực âm là cadmium Cd Khi phóng điện hyđroxit nikel chuyển thành Ni(OH), và cadmium thành Cd(OH)2 Mật độ chất điện ly không thay đổi, vì vậy điểm hoá rắn rất thấp Tuy nhiên loại ắc quy này có giá thành cao hơn loại ắc quy chì - axit Điện áp định mức của một ngăn ắc quy kiềm là 1,2 V Điện áp trên các ngăn ắc quy kiềm được giữ ổn định cho đến khi ngăn phóng điện gần hết, khi đó điện áp trên ngăn

bằng dung lượng của ắc quy và có thể được nạp tiếp tục lâu dài với dòng nạp có giá trị đến 1/15 giá trị dung lượng của ắc quy

2.2.2.2 Các đặc tính của ắc quy

a Dung lượng: (ký hiệu là C)

Thường được đo bằng Ampe – giờ (Ah), xác định năng lượng điện mà ắc quy phóng ra với một giá trị dòng điện nhất định trong một khoảng thời gian nhất định Khoảng thời gian thường dùng để xác định dung lượng là 5 giờ, 10 giờ và 20 giờ Tương ứng có ký hiệu dung lượng là C5, C10, C20 Giá trị dòng điện đo được khi xác định dung lượng thường bằng 10% hoặc 20%C.

Ví dụ: ắc quy có dung lượng C = 100Ah sẽ cung cấp cho tải 10A trong 10 h hoặc 20A trong 5h

b Điện áp ngưỡng thấp nhất: Là giá trị điện áp thấp nhất cho phép trong quá trình vận hành ắc quy, xác định dung lượng bằng không (ắc quy đã phóng hết điện) tại giá trị dòng phóng nào đó Nếu dòng phóng lớn hơn thì điện áp ắc quy sẽ giảm đến mức thấp hơn Đây là giá trị do nhà sản xuất cung cấp.

c Điện áp hở mạch: Điện áp giữa hai cực của ắc quy khi không trong quá trình phóng cũng như quá trình nạp Điện áp hở mạch của ắc quy chì - axit phụ thuộc vào nhiệt độ, tỷ trọng đặc trưng, thưởng có giá trị khoảng 2,1 V Do tỷ trọng của ắc quy phụ thuộc vào dung lượng mà ắc ác quy đang có Khi ắc quy phóng điện, dung lượng giảm đi nên điện áp khi hở mạch quy cũng giảm theo.

2.2.2.3 Chế độ làm việc của ắc quy2.2.2.4 Nạp ắc quy :

Có nhiều chế độ ác nap quy thiên và chế độ nạp cân bằng, khác nhau: Chế độ nạp bình thường, chế độ nạp hoàn thiện và chế độ nạp cân bằng.

a.Chế độ nạp bình thường có thể bắt đầu bất cứ lúc nào, với dòng nạp nào, miễn là không làm cho điện áp ắc quy vượt quá mức điện áp sinh hơi Chế độ đem lại 80 đến 90% dung lượng ắc quy.

b.Chế độ nạp hoàn thiện bắt đầu khi ắc quy đã nạp gần đầy, phần lớn các chất tích cực trong nap ác đã trở về dạng ban đầu của nó Khi đó sẽ cần phải tăng giá trị điện áp quy và dòng điện sẽ suy giảm dần về đến không.

c.Chế độ nạp cân bằng được sử dụng theo chu kỳ, sau vài tuần đến 2 tháng, với mục đích là làm cho các ngăn ắc quy có độ đồng đều Chế độ này yêu cầu điện áp nạp cao hơn so với nạp hoàn thiện và dòng điện nạp phải được giữ ổn định, trong vài giờ Thông thường, sau khi ắc quy phóng kiệt cũng cần đến chế độ nạp này.

2.2.2.5 Ắc quy phóng:

a Độ sâu phóng điện: Thể hiện bởi tỷ lệ phần trăm năng lượng điện đã cấp cho tải bên ngoài so với dung lượng ắc quy Độ sâu phóng điện, với một giá trị dòng phóng nào đó, bị hạn chế bởi điện áp ngưỡng thấp nhất, thường chỉ cho phép đến 15 lượng ắc quy 25% dung lượng của ắc quy.

b.Mức độ tự phỏng điện: Khi ắc quy ở chế độ hở mạch dung lượng ắc quy bị suy giảm chậm do dòng rò phía cực hoặc do cấu tạo của bản thân trong phóng của ắc quy tăng theo nhiệt độ, có thể đạt đến 10 đến 15%.

2.2.3 Các chế độ của bộ nguồn nạp ắc quy

Gồm 3 chế độ sau đây: nạp với dòng không đổi, nạp với áp không đổi và nạp nổi Lựa chọn chế độ nạp nào cho ắc quy còn tuỳ thuộc vào mục đích sử dụng của ắc quy (hoạt động thường xuyên theo chu kỳ hay chỉ hoạt động theo nhu cầu), tính kinh tế, thời gian nạp lai, giữ gìn tuổi thọ của ắc quy Mục đích của các phương pháp nạp yếu là điều kiển dòng điện nạp ở cuối quá trình nạp ắc quy.

Hình 2 22: Các chê độ nạp của ắc quy

2.2.4 Một số phương pháp sạc

Gồm 3 phương pháp: nạp dòng không đổi, Nạp với áp không đổi, Nạp nổi

Hình 2 23: Các phương pháp sạc

a.Phương pháp nạp dòng không đổi

Là phương pháp nạp ắc quy sao cho trong quá trình nạp giữ ổn định dòng nạp ở một giá trị không đổi Phương pháp nạp này cho phép chọn được dòng nạp thích hợp với mọi ắc quy, để sạc nhanh ắc quy.

Đây là chế độ nạp bình thường của ắc quy, sẽ đưa dung lượng của ắc quy lên 80 đến 90% dung lượng đầy Với ắc quy chì - axit dòng nạp thường lấy là C/10 Chế độ này được duy trì nếu điện áp ắc quy ở trong khoảng 1,8V<U,<2,1V (Khoảng 1 và khoảng 7 ).

Chế độ nạp với dòng không đổi này cũng được áp dụng trong chế độ nạp cân bằng, khi điện áp trên ngăn nhỏ hơn 1,8 – 1,9V Chế độ nạp cân bằng thực hiện với dòng lớn hơn, thường là C/5 Sau chế độ nạp cân bằng thường chuyển chế độ nạp bình sang thường với dòng C/10 (Khoảng số 6 trên hình vẽ 4.1) Khi điện áp ắc quy đạt đến 2,1 V thì chuyển sang chế độ nạp với điện áp không đổi

Chế độ nạp với dòng không đổi này phù hợp với những trường hợp dung lượng phóng của chu kỳ phóng trước đó có thể biết được Thời gian nạp và dung lượng nạp có thể dễ dàng tính toán được Tuy nhiên để duy trì được dòng điện nạp chính xác và ổn định thì cần phải có một mạch nạp có giá thành cao Việc điều khiển điện áp nạp hay giới hạn thời gian nạp là cần thiết để tránh trường hợp nạp quá.

Nhận xét:

– Ưu điểm: Thời gian sạc ngắn, đảm bảo tuổi thọ ắc quy – Nhược điểm: Sạc không no.

– Khắc phục nhược điểm: Có thể nạp theo 2 mức để giảm thời gian nạp Lúc đầu nạp với dòng khoảng 0,3-0,6C Sau khi bắt đầu sôi nạp với dòng 0,1C

b Nạp với áp không đổi

Khi điện áp ắc quy đạt đến giá trị định mức 2,1 V chuyển chế độ nạp với áp sang không đổi, là quá trình nạp hoàn thiện nhằm đưa dung lượng củ a ắc đến 100% Điện áp nạp giữ ổn định ở mức cao, từ 2,4 đến 2,45V Trong quá trình này dòng nạp sẽ giám về đến 0 (Khoảng 2 trên hình vẽ 4.1) Khi dòng nạp rất gần (chuyển sang chế độ nạp noi

Tuỳ thuộc vào từng loại ắc quy sử dụng mà có thể áp dụng chế độ nạp này một cách liên tục hay gián đoạn Chế độ nạp nổi liên tục có thể được áp dụng đối với trường hợp cần nguồn dự trữ để hoạt động khi nguồn xoay chiều có thể bị gián đoạn Chế độ nạp theo chu kỳ không liên tục có thể áp dụng đối với các thiết bị di động đòi hỏi chế độ nạp không liên tục thích hợp.

Cả hai phương pháp nạp trên đều tạo cho điện áp ổn định và giới hạn dòng nạp ban đầu của ắc quy Đặc điểm này là cần thiết để xác định giá trị điện áp nạp dựa trên các đặc tính nạp và nhiệt độ Việc xác định điện áp nạp không chính xác có thể gây ra sự cố nạp quá hoặc nạp thiếu Hai phương pháp này đều có thể sử dụng cho cả thiết bị dự phòng và thiết bị làm việc theo chu kỳ.

Nhận xét:

– Ưu điểm: Thời gian sạc ngắn, đảm bảo tuổi thọ ắc quy – Nhược điểm: Sạc không no.

– Khắc phục nhược điểm: Có thể nạp theo 2 mức để giảm thời gian nạp Lúc đầu nạp với dòng khoảng 0,3-0,6C Sau khi bắt đầu sôi nạp với dòng 0,1C

c Nạp nổi:

Đây thực chất là không nạp gì mà giữ điện áp ổn định ở mức 2,25 – 2,3 V, thấp hơn so với chế độ nạp với điện áp không đổi Trong chế độ này ắc quy đã nạp no và không có tải, dòng vào ắc quy bằng 0 Điện áp của bộ nguồn chi có tác dụng bù lại phần nào dòng dò của ắc quy nếu chế độ không tải này tồn tại lâu dài.

Khi ắc quy mang tải, ở khoảng 4 trên hình vẽ 4.1, nếu cuối giai đoạn này ắc quy phóng gần hết, chỉ còn 5 đến 10% dung lượng, thể hiện ở điện áp trên ngăn xuống dưới mức 1,8 – 1,95 V, phải ngắt tải ra khỏi ắc quy và sau đó thực hiện nạp cân bằng với dòng lớn bằng C/5

Đối với ắc quy kiềm, quá trình xảy ra cũng tương tự, nhưng với các mốc điện áp và dòng điện tương ứng khác nhau:

- Nạp với dòng không đổi, chế độ bình thường, I b = C/5, khi 0,8V <U,< 1,2V - Nạp với áp không đổi, chế độ hoàn thiện, Ub = 1,5 – 1,6V.

- Nạp nổi, không tải, Ub= 1,4 – 1,5V.

- Nạp cân bằng, dòng không đổi, I = C/2 –C/1,5 Nhận xét:

Phương pháp nạp theo dòng áp khắc phục được các nhược điểm của 2 phương chế độ nạp bám theo đường đặc tính có tác dụng nạp no, thời gian nạp ngắn.

2.2.5 Quy trình sạc tiêu chuẩn

Ở trên cho thấy trong 3 phương pháp sạc ắc quy axit chì, phương pháp sạc nạp dòng áp tỏ ra ưu việt nhất Quy trình này khi đó sẽ tuân thủ theo trình tự mô tả Quy trình sạc ắc quy

Hình 2 24: Quy trình sạc ắc quy

Quy trình sạc gồm 4 giai đoạn:

Giai đoạn sạc mồi: Dùng khi dung lượng ắc quy cạn về gần 0% Lúc này không thể cấp ngay dòng điện lớn vào ắc quy nếu không sẽ làm hỏng ắc quy.

Giai đoạn sạc dòng lớn: Đưa dòng điện lớn ổn định vào ắc quy để làm tăng tốc độ các phản ứng hóa học bên trong ắc quy làm tăng nhanh dung lượng ắc quy Trong giai đoạn này khoảng 80% dung lượng ắc quy được nạp và điện áp trên hai đầu ắc quy sẽ tăng dần, đến một áp cho phép thì sẽ chuyển qua giai đoạn tiếp theo.