HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN CÔNG NGHIỆP TIỂU LUẬN TỐT NGHIỆP ỨNG DỤNG NGUỒN PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀO HỆ THỐNG BƠM NƯỚC Ngành Công Nghệ Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Sinh viê
Khái quát về nguồn pin mặt trời
PV phổ biến hiện nay được cấu thành từ các chất bán dẫn cấu trúc tinh thể (các nguyên tố thuộc phân nhóm chính nhóm IV trong bản tuần hoàn các nguyên tố hóa học) như Silicon, Germanium và hình thành 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 quang điện bên trong Các nguyên tố như Boron, Photpho, Gallium, Cadmium, Tellurium cũng được sử dụng như các chất phụ gia để gia tăng khả năng dẫn điện cho PV Khi chiếu sáng lớp tiếp xúc p – n, các cặp điện tử - lỗ trống được tạo thành, do tác dụng của điện trường tiếp xúc nên các cặp bị tách ra, bị gia tốc về các phía đối diện và tạo nên sức điện động quang điện [2]
Một đặc điểm cơ bản của PV là luôn phát dòng điện một chiều ra mạch ngoài khi có tải và bức xạ mặt trời chiếu vào Mối quan hệ giữa dòng điện IPV và điện áp VPV phát ra từ PV 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 bức xạ mặt trời G và mức tiêu thụ của phụ tải Đồng thời, quá trình chuyển từ trạng thái vận hành này sang vận hành khác là tức thời và không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố liên quan đến quán tính [2]
PV luôn tồn tại một trạng thái vận hành mà công suất phát ra là lớn nhất tương ứng với mỗi cập giá trị (G,T) Khai thác được trạng thái vận hành này sẽ giúp khắc phục được nhược điểm hiệu suất thấp, giá thành cao của dạng nguồn này Điều này có thể đạt được nhờ điều chỉnh lượng tải hấp thụ tương ứng với công suất tại MPP [2]
Khái quát về nguồn pin mặt trời
Hiệu ứng quang điện
Hiệu ứng quang điện là một hiện tượng điện - lượng tử, trong đó các điện tử được thoát ra khỏi nguyên tử (quang điện trong) hay vật chất (quang điện thường) sau khi hấp thụ năng lượng từ các photon trong ánh sáng làm nguyên tử chuyển sang trạng thái kích thích làm bắn electron ra ngoài Hiệu ứng quang điện đôi khi được người ta dùng với cái tên Hiệu ứng Hertz, do nhà khoa học Heinrich Hertz tìm ra
Việc nghiên cứu hiệu ứng quang điện đưa tới những bước quan trọng trong việc tìm hiểu về lượng tử ánh sáng và các electron, cũng như tác động đến sự hình thành khái niệm lưỡng tính sóng hạt
Hình 1.1 Hiện tượng quang điện Hiện tượng quang điện xảy ra như trong mô tả trong Hình 1.1 Khi bề mặt của một tấm kim loại được chiếu bởi bức xạ điện từ có tần số lớn hơn một tần số ngưỡng (tần số ngưỡng này là giá trị đặc trưng cho chất làm nên tấm kim loại này), các điện tử sẽ hấp thụ năng lượng từ các photon và sinh ra dòng điện (gọi là dòng quang điện)
Khi các điện tử bị bật ra khỏi bề mặt của tấm kim loại, ta có hiệu ứng quang điện ngoài (external photoelectric effect) Các điện tử không thể phát ra nếu tần số của bức xạ nhỏ hơn tần số ngưỡng bởi điện tử không được cung cấp đủ năng lượng cần thiết để vượt ra khỏi rào thế (gọi là công thoát) Điện tử phát xạ ra dưới tác dụng của bức xạ điện từ được gọi là quangđiện tử Ở một số chất khác, khi được chiếu sáng với tần số vượt trên tần số ngưỡng, các điện tử không bật ra khỏi bề mặt, mà thoát ra khỏi liên kết với nguyên tử, trở thành điện tử tự do (điện tử dẫn) chuyển động trong lòng của khối vật dẫn, và ta có hiệu ứng quang điện trong (internal photoelectric effect) Hiệu ứng này dẫn đến sự thay đổi về tính chất dẫn điện của vật dẫn, do đó, người ta còn gọi hiệu ứng này là hiệu ứng quang dẫn
Tóm lại khi vật rắn nhận tia bức xạ mặt trời, điện tử ở vùng hóa trị hấp thụ năng lượng photon và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn điện tử - lỗ trống, tức là đã tạo ra một điện thế Hiện tượng này gọi là hiệu ứng quang điện bên trong
Hình 1.2 Nguyên lý hoạt động của Pin mặt trời
Cấu tạo pin mặt trời
Có rất nhiều loại PV, phổ biến nhất là PV silic tinh thể chiếm khoảng 90% sản lượng
PV trên toàn thế giới tính tới năm 2013 PV silic tinh thể được sản xuất với vài bước:
- Thứ nhất polysilicon được sử lý từ thạch anh khai thác cho đến khi tinh khiết (lớp bán dẫn) Sau đó được tan chảy bằng một lượng nhỏ Boron, một nguyên tố nhóm III, để tạo một chất bán dẫn loại p giàu các lỗ trống [3]
- Các tấm đệm của vật liệu bán dẫn này được cắt ra, sau đó cho qua bề mặt khắc trước khi làm sạch [3]
- Các tấm được đặt vào một bể photpho tạo thành một lớp photpho rất mỏng, một nguyên tố nhóm V, tạo bề mặt bán dẫn loại n Để giảm tổn thất năng lượng, một lớp phủ chống phản chiếu được thêm vào bề mặt cùng với các tiếp điểm điện [3]
- Sau khi kết thúc, các tế bào được nối thông qua mạch điện theo ứng dụng cụ thể và chuẩn bị để vận chuyển và lắp đặt [3]
Hiện nay, vật liệu chủ yếu cho pin năng lượng mặt trời là các silic tinh thể Pin mặt trời từ tinh thể silic chia ra thành 3 loại:
- Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình Czochralski Đơn tinh thể loại này có hiệu suất 16% Chúng thường rất đắc tiền do cắt từ thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module [1]
- Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc, đúc từ silic nung chảy cẩn thận được làm nguội và làm rắn Các pin này thường rẽ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất thấp hơn Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó [1]
- Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể Loại này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các loại vì không cần phải cắt thừ thỏi silicon [1]
Gần đây, với nhu cầu sử dụng điện năng lượng mặt trời trên thế giới và Việt Nam đang tăng lên đã thúc đẩy sự phát triển nhanh chóng của công nghệ pin điện mặt trời Sự phát triển đó chính các tế bào năng lượng mặt trời (PV)
Một công nghệ mới khác là PV màng mỏng, được sản xuất bằng cách lắng đọng các lớp bán dẫn trên bề mặt trong chân không Chất nền thường là thủy tinh hoặc thép không gỉ và các lớp bán dẫn này được làm bằng nhiều loại vật liệu như: cadmium telluride (CdTe), đồng indium diselenide (CIS), đồng indium gallium diselenide (CIGS) và silic vô định hình (a – Si) Sau khi được lắng đọng trên bề mặt, các lớp bán dẫn được tách ra và kết nối với mạch điện bằng công nghệ khắc laser PV màng mỏng chiếm khoảng 20% tổng sản lượng
PV do yêu cầu vật liệu giảm và chi phí sản xuất các mô – đun [3]
Các công nghệ PV mới nổi khác bao gồm hữu cơ (OPV), nhạy màu, lượng tử, ống carbon và Perovskite Theo một nghiên cứu của Đại học Exeter Briain, một thế hệ pin mặt trời mới được làm từ một khoáng chất có tên Perovskite có tiềm năng chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện gia dụng rẻ hơn bao giờ hết Đã có nhiều nghiên cứu cơ bản đầu tiên để tìm ra các đặc tính của vật liệu Perovskite như về khe năng lượng, giới hạn hiệu suất Shockley – Queisser [3]
Công nghệ chế tạo pin mặt trời gồm nhiều công đoạn khác nhau, ví dụ để chế tạo pin mặt trời từ silicon đa tinh thể cần qua các công đoạn như sau:
Hình 1.3 Quá trình tạo module
Mô hình tóan của tế bào pin quang điện
Hình 1.5 Sơ đồ thay thế tế bào quang điện
Mô hình toán của tế bào quanng điện được giới thiệu trong Hình 1.5 bao gồm một diode song song với một nguồn dòng được điều khiển bởi ánh sáng và hai điện trở nối tiếp
8 và song song là RS;RP.Hai thông số quan trọng của PV là dòng ngắn mạch Isc và điện áp hở mạch VOC liên quan đến biểu thức tính dòng ngõ ra [4]
R P 1 – 2 Điện áp hở mạch: V OC = kT q ln ( I SC
V – điện áp ra của PV (V)
I – dòng điện ra của PV (A)
IP – dòng điện qua điện trở RP (A)
ISC – dòng điện ngắn mạch của PV (A)
I0 – dòng điện bão hòa của diode (A) q – điện tích của electron (1,602.10 -19 C) k – hằng số Boltzman (1,381.10 -23 J/K)
RS, RP – điện trở nối tiếp và song song (W)
TÍNH TOÁN CÔNG SUẤT BƠM VÀ CÔNG SUẤT PIN MẶT TRỜI
Động cơ không đồng bộ 1 pha và bơm ly tâm
Tại sao phải tính toán chọn công suất cơ điện?
Việc không tính toán chọn đúng (hay chọn ngẫu nhiên) công suất động cơ điện có thể xảy ra các trường hợp sau:
- Nếu chọn công suất động cơ lớn hơn giá trị định mức cần thiết, điều này sẽ làm cho việc sử dụng động cơ không hiệu quả do lãng phí công suất và hiệu suất thấp
- Nếu chọn công suất động cơ nhỏ hơn mức cần thiết, điều này có thể làm cho động cơ vận hành ở trạng thái quá tải và gây ra quá nhiệt dẫn đến hư hỏng cách điện và giảm tuổi thọ động cơ
- Chọn vừa đủ công suất động cơ cần thiết, điều này sẽ giúp động cơ làm việc hiệu quả nhất Tuy nhiên, xác suất để có được trường hợp này rất thấp nếu không thực hiện tính chọn
Trong thực tế sản xuất, để hệ thống truyền động điện làm việc ddungs các chỉ tiêu kỹ thuật, kinh tế và an toàn, động cơ điện phải lựa chọn hợp lý, một trong những chỉ tiêu đó là sự đúng đắn về công suất của động cơ so với yêu cầu của hệ thống Ngoài ra nếu không có phương pháp tính chọn đúng, phương pháp thử sai sẽ gây lãng phí thời gian và công suất của người thiết kế [5]
12 Điều gì gây ra hư hỏng động cơ điện?
Nguyên nhân gây ra hư hỏng động cơ điện chủ yếu là do quá nhiệt Việc chọn công suất động cơ nhỏ hơn mức cần thiết (để vốn đầu tư thấp) sẽ gây ra nhiệt, khi đó, nếu áp dụng giải pháp tản nhiệt cho động cơ, chi phí tản nhiệt có thể góp phần làm cho hiệu quả sử dụng thấp hơn (do chi phí vận hành tăng) khi so với việc nâng công suất động cơ lên cấp lớn hơn, (dù vốn đầu tư cao hơn) [5]
Trong thực tế, chủ đầu tư luôn mong muốn hiệu quả cao nhất, nên người thiết kế phải cân nhắc tối ưu giữa vốn đầu tư và chi phí vận hành để có sự lựa chọn phù hợp [5]
Cái gì sinh ra nhiệt trong động cơ?
Trong thực tế, hiệu suất động cơ luôn nhỏ hơn 1, hay là luôn tổn hao trong động cơ điện Hầu hết các tổn hao trong động cơ điện đều sinh ra nhiệt:
- Các tổn hao đồng trong dây quấn động cơ sinh ra nhiệt
- Tổn hao sắt trong động cơ sinh ra nhiệt
- Tổn hao cơ do ma sát giữa trục động cơ và vòng bi (bạc đạn, bạc thau) cũng sinh ra nhiệt
Chính các tổn hao này làm cho động cơ nóng lên, mặc dù có một phần nhiệt lượng tỏa ra môi trường Do đó, quá trình phát nhiệt là một trong các cơ sở chính để xem xét lựa chọn động cơ
Việc lựa chọn động cơ điện thường dựa vào các thông số và chỉ tiêu sau:
- Loại dòng điện và điện áp định mức
- Công suất và tốc độ định mức
- Hình dạng của đặc tính cơ tự nhiên
- Tính chất khởi động và hãm
- Đặc tính điều chỉnh tốc độ ở trạng thái quá độ và trạng thái xác lập
- Kiểu cấu tạo động cơ
- Việc điều khiển và các thiết bị kèm theo là đơn giản nhất
- Vận hành chắc chắn, an toàn
- Khối lượng và kích thước nhỏ
- Giá thành động cơ thấp
- Động cơ phải có khả năng đáp ứng đầy đủ yêu cầu công nghệ và thích hợp với các yêu cầu của môi trường làm việc
Khi lựa chọn công suất động cơ phải căn cứ vào trị số và chế độ làm việc của phụ tải, phải xét đến sự phát nóng của động cơ khi làm việc bình thường cũng như khi quá tải trong phạm vi cho phép Ngoài ra, yếu tố môi trường làm việc cụ thể của động cơ cũng phải được xem xét
Nguyên nhân phát nóng trong động cơ điện
Trong quá trình biến đổi điện năng thành cơ năng, một phần năng lượng bị tiêu tán ngay trong bản thân động cơ, năng lượng này biến thành nhiệt năng và đốt nóng động cơ và đó là nguyên nhân chủ yếu làm cho động cơ bị nóng lên trong quá trình vận hành
Do tính chất vật lý của động cơ là không đồng nhất làm cho quá trình tính toán quá trình nhiệt của động cơ rất phức tạp Do đó, để đơn giản hơn, việc phân tích và tính toán quá trình nhiệt của động cơ phải dựa trên các giả thiết cơ bản sau:
- Động cơ được cấu tạo bởi những vật liệu đồng nhất về nhiệt và có độ dẫn nhiệt vô cùng lớn
- Nhiệt lượng tỏa ra môi trường tỉ lệ với nhiệt sai giữa nhiệt độ động cơ và nhiệt độ môi trường
- Môi trường có nhiệt dung vô cùng lớn
- Tổn hao về nhiệt, nhiệt dung và hệ số tản nhiệt của động cơ không phụ thuộc nhiệt độ của nó
Với những giả thiết như vậy, nếu gọi Pe là công suất điện động cơ nhận được từ nguồn và
Pm là công suất cơ trên trục động cơ thì tổn hao là:
∆𝑃 = 𝑃 𝑒 − 𝑃 𝑚 (2 – 1) Ở chế độ định mức, tổn hao định mức sẽ là:
Trong đó: 𝜂 𝑛 là hiệu suất định mức
Khi đó, tổn hao này sinh ra nhiệt đốt nóng động cơ trong chế độ định mức là:
Nếu không có sự truyền nhiệt ra môi trường, nhiệt độ động cơ sẽ tăng lên vô cùng lớn khi động cơ làm việc lâu dài Nhưng thực tế có sự truyền nhiệt ra môi trường, nhiệt lượng tỏa ra môi trường sẽ tăng theo nhiệt độ động cơ và làm hạn chế sự phát nóng của động cơ Sau một thời gian làm việc đủ lớn, nhiệt độ động cơ sẽ đạt đến trị số ổn định, lúc này nhiệt lượng sinh ra trong động cơ bằng với nhiệt lượng tỏa ra môi trường và đó là trạng thái ổn định hay cân bằng nhiệt [5]
Các chế độ làm việc của động cơ điện
Trong thực tiễn sản xuất, có thể có nhiều quan điểm về chế độ làm việc khác nhau của động cơ điện tùy theo cách phân loại và điều kiện ứng dụng Tuy nhiên, đa số các chế độ làm việc được dựa theo quá trình nhiệt Điều đó dẫn đến việc chọn công suất động cơ điện phải dựa vào chế độ làm việc của nó Chế độ làm việc của động cơ điện thường được chia thành 3 loại: o Chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại Là chế độ làm việc của động cơ mà nhiệt độ động cơ chưa tăng đến giá trị ổn định, động cơ đã được cắt điện và nhiệt độ động cơ lại giảm xuống và chưa cân bằng nhiệt độ môi trường thì động cơ làm việc trở lại và nhiệt độ lại tăng lên, sau một thời gian đủ lâu, với một
15 chu kỳ làm việc đủ lớn, nhiệt độ động cơ dao động quanh giá trị ổn định Ứng dụng các dạng tải: Thang máy, cầu trục, máy nén khí o Chế độ làm việc ngắn hạn là chế độ làm việc của động cơ trong thời gian ngắn, nhiệt độ động cơ chưa tăng đến giá trị ổn định thì động cơ đã được cắt điện và nhiệt độ động cơ lại giảm xuống bằng nhiệt độ môi trường Ứng dụng các dạng tải: Động cơ đóng mở cửa, khởi động xe o Chế độ làm việc dài hạn Thời gian tồn tại của phụ tải tương đối dài đủ để nhiệt độ động cơ đạt đến giá trị ổn định Thời gian làm việc các loại động cơ này có thể liên tục từ vài giờ đến nhiều ngày Ứng dụng các dạng tải: quạt thông gió, bơm nước tưới nông nghiệp, bơm nước cấp sinh hoạt, bơm tiêu chống úng
Tính chọn công suất động cơ
Việc tính toán chọn công suất động cơ của người thiết kế hệ thống không hề đơn giản, bởi nó không những đòi hỏi kinh nghiệm mà còn đòi hỏi kinh nghiệm mà còn đòi hỏi người thiết kế có khả năng am hiểu thị trường biết nhu cầu và điều kiện sẵn có của chủ đầu tư Do đó phương pháp tính chọn công suất động cơ điện cơ bản cho người tham khảo Để kéo được các cơ cấu sản xuất, động cơ phải có khả năng sinh ra mô men đủ lớn để khắc phục các mô men cản có trong cơ cấu ở cả quá trình xác lập cũng như quá độ khi khởi động và hãm dừng Việc xác định mô men quán tính hệ thống truyền động điện cũng được xem là một phần trong tính chọn công suất động cơ Các mô men có tính chất cản trở trong cơ cấu bao gồm:
BỘ BIẾN ĐỔI DC – DC VÀ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN DÒ TÌM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI
Khảo sát bộ biến đổi DC -DC
Bộ biến đổi DC/DC được sử dụng rộng rãi trong nguồn điện một chiều với mục đích chuyển đổi nguồn điện một chiều không ổn định thành nguồn điện một chiều có thể điều khiển được Nhìn chung bộ biến đổi DC/DC thường bao gồm các phần tử cơ bản là một khóa điện tử, một cuộn cảm để giữ năng lượng, và một diode dẫn dòng
Các bộ biến đổi DC/DC thường chia làm 2 loại:
• Loại cách ly: sử dụng máy biến áp cách ly về điện tần số cao kích thước nhỏ để cách ly nguồn điện một chiều đầu vào với nguồn điện một chiều ra và tăng áp hay giảm áp bằng cách điều chỉnh hệ số biến áp Loại này thường sử dụng cho các nguồn cấp 1 chiều sử dụng khóa điện tử Phổ biến nhất vẫn là mạch dạng cầu, nữa cầu và flyback
• Loại không cách ly: là loại không sử dụng máy biến áp các ly
Trong nhiều thiết bị quang điện, hệ thống làm việc với lưới thường dùng loại có cách ly về điện vì nhiều lý do an toàn
Các bộ biến đổi DC/DC thường dùng trong hệ PV gồm:
• Bộ đảo dấu điện áp (Buck – Boost)
• Bộ biến đổi tăng – giảm áp
Trong đó, bộ giảm áp buck có thể định được điểm làm việc có công suất tối ưu mỗi khi điện áp vào vượt quá điện áp ra của bộ biến đổi, trường hợp này ít thực hiện được khi cường độ bức xạ của ánh sáng xuống thấp
Bộ buck – boost vừa có thể tăng, vừa có thể giảm áp
Bộ tăng áp Bosst có thể định điểm làm việc tối ưu ngay cả với cường độ sáng yếu.
Hệ thống làm việc với lưới dùng bộ Boost để tăng điện áp ra cấp cho tải trước khi đưa vào bộ biến đổi DC/AC
Khóa K trong mạch là những khóa điện tử BJT, MOSFET, hay IGBT Mạch Buck có chức năng giảm điện áp đầu vào xuống thành điện áp nạp ắc quy Khóa transitor được đóng mở với tần số cao Hệ số làm việc D của khóa được xác định theo công thức sau:
Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý bộ giảm áp Buck
Hình 3.2: Dạng sóng điện áp và dòng điện của mạch Buck
Trong thời gian mở, khóa K thông cho dòng đi qua, điện áp một chiều được nạp vào tụ C2 và cấp năng lượng cho tải qua cuộn kháng L Trong thời gian đóng, khóa K đóng lại không cho dòng qua nữa, năng lượng 1 chiều từ đầu vào bằng 0
Tuy nhiên tải vẫn được cung cấp đầy đủ điện nhờ năng lượng lưu trên cuộn kháng và tụ điện do Điốt khép kín mạch Như vậy cuộn kháng và tụ điện có tác dụng lưu giữ năng lượng trong thời gian ngắn để duy trì mạch khi khóa K đóng
Phân tích mạch dựa trên sự cân bằng năng lượng qua chu kỳ đóng cắt của khóa: Năng lượng cấp cho tải trong toàn bộ chu kỳ bằng năng lượng thu từ nguồn trong thời gian khóa mở, và năng lượng cấp cho tải trong suốt thời gian K khóa bằng năng lượng lấy từ cuộn kháng và tụ điện trong thời gian K khóa
Hay cũng có thể phân tích dựa trên phương pháp sau: Ở điều kiện xác lập, sự cân bằng năng lượng trên cuộn kháng trong thời gian khóa đóng mở được duy trì
Nếu cuộn kháng đủ lớn, thì dòng điện cảm ứng biến thiên ít, giá trị cực đại của dòng điện được tính như sau:
Trong đó: Io là dòng tải giá trị trung bình của dòng điện cảm ứng
Từ các công thức trên suy ra:
Từ công thức Vout = Vin.D Vout = Vin.D cho thấy điện áp ra có thể điều khiển được bằng cách điều khiển hệ số làm việc D thông qua một mạch vòng hồi tiếp lấy giá trị dòng điện nạp ắc quy làm chuẩn Hệ số làm việc được điều khiển bằng cách phương pháp điều chỉnh độ rộng xung thời gian mở Ton Do đó, bộ biến đổi này còn được biết đến như là bộ điều chế xung PWM
Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý mạch Boost
Hình 3 4 Dạng sóng dòng điện của mạch Boost
Giống như bộ Buck, hoạt động của bộ Boost được thực hiện qua cuộn kháng L Khóa K đóng mở theo chu kỳ Khi K mở cho dòng qua (Ton) cuộn kháng tích năng lượng, khi K đóng (Toff) cuộn kháng giải phóng năng lượng qua điôt tới tải
Mạch này tăng điện áp võng khi phóng của ắc quy lên để đáp ứng điện áp ra Khi khóa K mở, cuộn cảm được nối với nguồn 1 chiều Khóa K đóng, dòng điện cảm ứng chạy vào tải qua Điốt Với hệ số làm việc D của khóa K, điện áp ra được tính theo:
Với phương pháp này cũng có thể điều chỉnh Ton trong chế độ dẫn liên tục để điều chỉnh điện áp vào V1 ở điểm công suất cực đại theo điện áp của tải Vo
Hình 3 5 Sơ đồ nguyên lý mạch Buck – Boost
Do D < 1 nên điện áp ra luôn lớn hơn điện áp vào Vì vậy mạch Boost chỉ có thể tăng áp trong khi mạch Buck đã trình bày ở trên thì chỉ có thể giảm điện áp vào Kết hợp cả hai mạch này với nhau tạo thành mạch Buck – Boost vừa có thể tăng và giảm điện áp vào
Khi khóa đóng, điện áp vào đặt lên điện cảm, làm dòng điện trong điện cảm tăng dần theo thời gian Khi khóa ngắt, điện cảm có khuynh hướng duy trì dòng điện qua nó sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để Điôt phân cực thuận Tùy vào tỷ lệ giữa thời gian đóng khóa và mở khóa mà giá trị điện áp ra có thể nhỏ hơn, bằng hay lớn hơn giá trị điện áp vào Trong mọi trường hợp thì dấu của điện áp ra là ngược với dấu của điện áp vào, do đó dòng điện đi qua điện cảm sẽ giảm dần theo thời gian
Công thức trên cho ta thấy điện áp ra có thể lớn hơn hay nhỏ hơn điện áp vào tùy thuộc và hệ số làm việc D
• Như vậy nguyên tắc điều khiển điện áp ra của các bộ biến đổi trên đều bằng cách điều chỉnh tần số đóng mở khóa K Việc sử dụng bộ biến đổi nào trong hệ là tùy thuộc vào nhu cầu và mục đích sử dụng
Điều khiển bộ biến đổi DC/DC
2.1 Mạch vòng điện áp phản hồi
Bộ điều khiển Rv là bộ PI Điện áp ra ở đầu cực của pin được sử dụng như một biến điều khiển cho hệ Nó duy trì điểm làm việc của cả hệ sát với điểm làm việc có công suất lớn nhất bằng cách điều chỉnh điện áp của pin phù hợp với điện áp theo yêu cầu
Phương pháp này cũng có những nhược điểm sau:
- Bỏ qua hiệu suất của bức xạ và nhiệt độ của dãy pin mặt trời
- Không được áp dụng rộng rãi cho hệ thống lưu giữ điện năng
Hình 3.6: Mạch vòng điều khiển điện áp
2.2 Phương pháp điều khiển phản hồi công suất
Có thể điều khiển công suất tối ưu bằng cách cho đạo hàm dP/dV = 0 trong điều khiển phản hồi công suất Nguyên tắc hoạt động của phương pháp này là đo và khuếch đại công suất của tải Ưu điểm của phương pháp này là không cần quan tâm đến đặc tính làm việc của pin Tuy nhiên, phương pháp này khuếch đại công suất của tải chứ không phải là công suất ra khỏi nguồn pin mặt trời Việc lấy tín hiệu điện áp và dòng điện buộc mạch biến đổi phải sử dụng cảm biến để lấy thông số nên sai số đo là không thể tránh khỏi Việc sử dụng biện pháp lấy mẫu sẽ tiêu tốn thời gian để đáp ứng nên độ trễ khi thực hiện biến đổi tối ưu công suất là điều có thể xảy ra Vì vậy phương pháp này cần một bộ cảm biến đổi thật sự tốt
2.3 Phương pháp mạch vòng dòng điện phản hồi
Ri trong mạch điều khiển là bộ PI
Phương pháp này chủ áp dụng với những thuật toán MPPT cho đại lượng điều khiển là dòng điện
Hình 3.7: Mạch vòng dòng điện phản hồi
Phương pháp dò tìm điểm công suất cực đại MPPT
Khi một tấm PV được mắc trực tiếp vào một tải, điểm làm việc của tấm PV đó sẽ là giao điểm giữa đường đặc tính làm việc I – V và đường đặc tính I – V của tải Giả sử nếu tải là thuần trở thì đường đặc tính tải là một đường thẳng tắp với độ dốc là 1/Rtải
Hình 3.8: Ví dụ tấm pin mặt trời được mắc trực tiếp với một tải thuần trở có thể thay đổi giá trị điện trở được
Hình 3.9: Đường đặc tính làm việc của pin và của tải thuần trở có giá trị điện trở thay đổi được
Nói cách khác, trở kháng của tải bám theo điều kiện làm việc của pin Nói chung, điểm làm việc hiếm khi ở đúng tại vị trí có công suất lớn nhất, vì vậy nó sẽ không sinh ra công suất lớn nhất Mạng nguồn pin mặt trời thường bị quá tải khi phải bù cho một lượng công suất thấp vào thời gian ánh sáng yếu kéo dài như trong mùa đông Sự không thích ứng giữa tải và các tấm pin mặt trời thường làm cho nguồn pin mặt trời bị quá tải và gây
69 ra tổn hao trong toàn hệ thống Để giải quyết vấn đề này, phương pháp MPPT được sử dụng để duy trì điểm làm việc của nguồn điện pin tại đúng điểm có công suất lớn nhất MPP Phương pháp MPPT có thể xác định chính xác đến 97% điểm MPP
Chương này đề cập đến đặc tính làm việc I – V của mođun pin mặt trời và tải, sự tương thích của cả tải và pin, phương pháp điều khiển MPPT; việc áp dụng thuật toán MPPT để điều khiển bộ biến đổi DC/DC trong hệ thống và giới hạn của phương pháp MPPT
2.2 Nguyên lý cân bằng tải
Như đã nói ở trên, khi PV được mắc trực tiếp với một tải, điểm làm việc của PV sẽ do đặc tính tải xác định Điện trở tải được xác định như sau:
Vo: là điện áp ra
I0: là dòng điện ra Tải lớn nhất của PV được xác định như sau:
VMPP: Là điện áp cực đại
IMPP: Là dòng điện cực đại
Khi giá trị của tải lớn nhất khớp với giá trị Ropt thì công suất truyền từ PV 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 PV
Dưới đây là ví dụ của việc dung hợp tải sử dụng mạch Boost
Ta giả sử rằng đây là bộ biến đổi lý tưởng, công suất trung bình do nguồn cung cấp phải bằng với công suất trung bình tải hấp thụ được
Từ 2 công thức * và ** ta có:
Hình 3.10: Tổng trở vào Rin được điều chỉnh bằng D
Từ hình vẽ ta thấy, trở kháng do PV tạo ra là trở kháng vào Rin cho bộ biến đổi Bằng cách điều chỉnh tỉ lệ làm việc D, giá trị của Rin 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
2.3 Thuật toán xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất MPPT
Như đã nói ở trên, điểm làm việc có công suất lớn nhất MPP định trên đường đặc tính I – V luôn thay đổi dưới điều kiện nhiệt độ và cường độ bức xạ thay đổi Chẳng hạn, hình vẽ 3.11 thể hiện đường đặc tính làm việc I –V ở những mức cường độ bức xạ khác nhau tăng dần ở cùng một giá trị nhiệt độ (25 o C) và hình 3.12 thể hiện các đường đặc tính làm việc ở cùng một mức cường độ bức xạ nhưng với nhiệt độ tăng dần
Hình 3.11: Đường đặc tính làm việc I - V của pin khi cường độ bức xạ thay đổi ở cùng một mức nhiệt độ
Hình 3.12: Đặc tính làm việc I - V của pin khi nhiệt độ thay đổi ở cùng một mức cường độ bức xạ
Từ hai hình vẽ này, ta nhận thấy có sự dịch chuyển điện áp quan sát được ở vị trí của điểm MPP Vì vậy điểm MPP cần phải dùng thuật toán để xác định Thuật toán này là trung tâm của bộ điều khiển MPPT
2.3.1 Thuật toán nhiễu loạn và quan sát P&O Đây là một thuật toán đơn giản và được sử dụng thông dụng nhất nhờ sự đơn giản trong thuật toán và việc thực hiện dễ dàng Thuật toán này xem xét sự tăng, giảm điện áp theo chu kỳ để tìm được điểm làm việc có công suất lớn nhất Nếu sự biến thiên của điện áp làm công suất tăng lên thì sự biến thiên tiếp theo sẽ giữ nguyên chiều hướng tăng hoặc giảm Ngược lại, nếu sự biến thiên làm công suấtgiảm xuống thì sự biến thiên tiếp theo sẽ có chiều hướng thay đổi ngược lại Khi điểm làm việc có công suất lớn nhất được xác định
73 trên đường cong đặc tính thì sự biến thiên điện áp sẽ dao động xung quanh (điểm MPP) điểm làm việc có công suất lớn nhất đó
Sự dao động điện áp làm tổn hao công suất trong hệ quang điện, đặc biệt những khi điều kiện thời tiết thay đổi chậm hay ổn định Vấn đề này có thể giải quyết bằng cách điều chỉnh logic trong thuật toán P&O là sẽ so sánh các tham số trong hai chu kỳ trước Một cách khác để giải quyết việc hao hụt công suất quanh điểm MPP là giảm bước tính biến thiên xuống, nhưng khi điều kiện thời tiết thay đổi, thuật toán này sẽ trở nên chậm chạp hơn trong việc bám theo điểm MPP và công suất sẽ bị hao hụt nhiều hơn
Như vậy, nhược điểm chính của thuật toán này là không tìm được chính xác điểm làm việc có công suất lớn nhất khi điều kiện thời tiết thay đổi Đặc điểm của thuật toán là có cấu trúc đơn giản nhất nhất và dễ thực hiện nhất, trong trạng thái ổn định điểm làm việc sẽ dao động xung quanh điểm MPP, gây hao hụt một phần năng lượng Thuật toán này không phù hợp với điều kiện thời tiết thay đổi thường xuyên và đột ngột
Hình 3.13: Cấu trúc điều khiển MPPT của dàn PV
Hình 3.14: Thuật toán dò tìm điểm làm việc công suất lớn nhất P&O
Từ hình 3.14 mô tả nguyên lý hoạt động của thuật toán P&O, từ đó có thể suy ra cách thức nguyên lý hoạt động của thuật toán như sau:
• Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang di chuyển theo hướng 1 (ΔP < 0 và ΔV < 0) thì cần tăng điện áp hoạt động lên để di chuyển điểm hoạt động tới điểm MPP
Giải thuật P&O đề xuất
4.1 Vùng làm việc hiệu quả của PV
Nếu chia đặc tuyến của pin mặt trời thành ba vùng như hình bên dưới, vùng bên trái điểm MPP (vùng 1), vùng MPP (vùng 2) và vùng bên phải điểm MPP (vùng 3)
Các giá trị VLOW và VHIGH được xác định dựa trên phương pháp thực nghiệm Khi đó ta có công thức: VMPP ≈ (0.75÷0.85)VOC
Nhưng để đo được VOC, cần phải ngắt PV ra khỏi hệ thống, nên chi phí mạch động lực tăng, thất thoát công suất cũng như dao động công suất, cũng có thể dùng pin mẫu để xác định điện áp VOC nhưng không chính xác và làm giá thành hệ thống tăng cao Vì vậy, để đảm bảo để điểm MPP luôn nằm trong vùng 2, có thể chọn:
V LOW ≤ 0.75V OC.ref & V HIGH ≥ 0.85V OC.ref
Trong đó: VOC.ref là điện áp hở mạch tại nhiệt độ chuẩn của PV do nhà sản xuất cung cấp
Hình 3.22: Ba vùng làm việc của PV
4.2 Xây dựng giải thuật điều khiển
Sau khi xác định được điện áp làm việc VPV của hệ thống, cần so sánh với hai giá trị
VLOW và VHIGH để xác định giá trị Vref theo các quy luật sau:
• Vùng 1: VPV < VLOW, tăng nhanh VREF với gia số lớn để nhanh chóng đưa PV vào vùng 2
• Vùng 2: VLOW < VPV < VHIGH, thực hiện dò điểm MPP với gia số nhỏ, để tránh độ dao động công suất lớn
• Vùng 3: VPV > VHIGH, giảm nhanh VREF với gia số lớn để nhanh chóng đưa PV trở lại vùng 2
Giải thuật mới dò điểm MPPT được trình bày tại 3.23, vì sự phân chia vùng dò nên tín hiệu dò bằng cách so sánh P(k) và P(k-1) chỉ diễn ra khi VPV trong vùng 2, ngoài vùng này, tín hiệu dò bộ MPPT sẽ sử dụng sai số giữa VPV với VLOW hoặc VHIGH Nhờ đó hạn chế được việc tìm sai điểm MPP khi bức xạ thay đổi một khoảng lớn (các hiện tượng bóng đổ, bóng che do mây)
Nếu điểm làm việc của PV đang ở vùng 1, xa điểm MPP thì dù khi đó P(k) < P(k-1) do bức xạ mặt trời giảm, giải thuật vẫn tăng Vref
Khi PV đang làm việc ở vùng 2, nếu có sự thay đổi trong số gia công suất, giải thuật sẽ điều chỉnh giá trị VREF (độ rộng xung) với gia số nhỏ, điều này giúp cho hệ thống làm việc ổn định, hay độ giao động công suất và điện áp nhỏ
Chẳng hạn nếu như ΔP > 0 và ΔV > 0 chứng tỏ rằng công suất pin mặt trời có thể cung cấp hơn nữa, giải thuật sẽ tăng giá trị Vref bằng cách giảm độ rộng xung để đẩy công suất PV đến điểm làm việc mới có công suất cao hơn điểm làm việc cũ
Hình 3.23: Giải thuật đề xuất
Mô phỏng giải thuật đề xuất trong môi trường Matlab/Simulink
Hình 3.24: Giải thuật xây dựng trong Matlab/Simulink
BỘ NGHỊCH LƯU DC – AC
Lý thuyết về phương pháp điều rộng xung PWM
Hai đại lượng cần quan tâm khi xem xét về PWM là: sóng mang và sóng sin điều biên
• Sóng mang: là sóng tam giác có tần số rất cao, có thể đến hàng chục hoặc hàng trăm KHz
• Sóng điều biên : là sóng sin có tần số bằng với tần số cơ bản của điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu Sóng điều biên chính là dạng sóng mong muốn mà ta cần nghịch lưu Để xác định thời điểm đóng cắt các khóa bán dẫn, trong mạch điều khiển người ta tạo ra một sóng sin chuẩn mong muốn và so sánh nó với một dãy xung tam giác Nếu sóng điều
91 khiển lớn hơn sóng tam giác thì khóa sẽ đóng và ngược lại Điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu PWM có dạng xung vuông có bề rộng không đều nhau, nhỏ ở đẩu và cuối bán kì và rộng nhất ở đỉnh sóng sin Khi điện áp điều khiển giảm thì bề rộng xung giảm Do đó, có thể dễ dàng điều khiển biênđộ điện áp ngõ ra bằng cách thay đổi biên độ điện áp điều khiển Biên độ của điện áp điều biên không thay đổi nhưng độ rộng xung thay đổi nên điện áp trung bình đầu ra thay đổi và do đó có thể được điều khiển biên độ sóng sin đầu ra Quá trình tạo xung tần số cao để đóng cắt linh kiện sẽ tạo ra sóng hài bậc cao nhưng ta có thể dùng bộ lọc thông thấp để loại trừ
Hình 4.2: Điều chế PWM Thuận lợi của phương pháp này có hai phần:
• Trước hết, bộ nghịch lưu lúc này có khả năng điều khiển cả tần số và biên độ hài bậc một, vì thế không cần thiết sử dụng bộ chỉnh lưu có thể điều khiển được
• Thứ hai, sự chuyển mạch lúc này xảy ra ở tần số cao được xác định với tần số sóng mang Điều này cho phép điều khiển nhanh hơn và đồng thời cải thiện rất tốt phổ hài của dòng điện tải Điện áp ngõ ra bộ nghịch lưu lúc này không chứa các hài bậc thấp (bậc 5, bậc 7,…) Thay vào đó các sóng hài tập trung quanh cấp số nhân của
92 tần số đóng ngắt (tần số sóng mang tam giác) Vì vậy, nếu tần số đóng ngắt là 5kHz (ngày nay thường sử dụng), thì điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu chứa, ngoài thành phần hài cơ bản, các hài bậc caohơn tập trung ở 5kHz, 10 kHz, 15 kHz, …vv Nếu sóng ngõ ra của bộ nghịch lưu có tần số cơ bản là 50Hz, thì 5kHz có nghĩa là bậc của sóng hài gấp khoảng 100 lần so với tần số sóng cơ bản
Phân tích điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu PWM luôn sử dụng khái niệm chỉ số điều chế Chỉ số điều chế biên độ ma được định nghĩa như là hệ số của biên độ tín hiệu sin điều khiển và biên độ của sóng mang tam giác
Chỉ số điều chế tần số mf được định nghĩa là tỉ số của tần số sóng mang tam giác với tần số của tín hiệu điều khiển
Ngày nay, tần số đóng ngắt của các khóa bán dẫn công suất là trong miền kHz Thông thường, với công suất từ nhỏ đến trung bình, tần số đóng ngắt của bộ nghịch lưu là khoảng từ 2 đến 20 kHz Bởi vậy, tần số sóng mang ngày nay thường được giữ không đổi và chỉ một sóng mang được sử dụng cho tất cả các tín hiệu điều khiển
Bộ nghịch lưu áp 1 pha
Hình 4.3: Sơ đồ bộ nghịch lưu một pha
Xét quá trình các đại lượng trong một chu kỳ hoạt động ở chế độ xác lập Giả thiết rằng tại thời điểm t = 0, thực hiện đóng S1 và S2, ngắt S3 và S4 Điện áp tải bằng U, dòng điện chạy qua mạch (U-S1-S2) tăng lên theo phương trình:
Nghiệm dòng điện có dạng:
Trong đó: A là hằng số; τ = L/R là hằng số thời gian
Tại thời điểm t = T/2; thực hiện ngắt S1,S2 và đóng S3,S4 Điện áp xuất hiện trên tải bằng -U, dòng điện chạy qua mạch (U - S1 -S2) giảm theo phương trình :
Với nghiệm có dạng: Ở trạng thái xác lập, dòng điện biến đổi theo dạng xoay chiều, tuần hoàn Các hằng số A,
B có thể xác định từ điều kiện dòng điện tải tại các thời điểm t = 0, t = T/2 và t = T
Lúc đó , tại thời điểm t = 0:
Như vậy, quá trình dòng tải trong một chu kỳ hoạt động sẽ được biễu diễn như sau:
Giá trị Imin và Imax có thể xác định từ quá trình đối xứng của hai nữa chu kỳ điện áp và dòng điện tải, từ đó suy ra rằng Imax = - Imin Áp dụng quan hệ trên vào các hệ thức tính
Quá trình điện áp tải qua phép phân tích Fourier có dạng: Áp tải chỉ chứa các thành phần hài bậc lẻ Độ méo dạng điện áp được tính theo hệ thức sau:
Dễ dàng suy ra rằng: Độ méo dạng điện áp của nghịch lưu cầu một pha khá lớn trong trường hợp áp ra dạng vuông nên có tác dụng không tốt Điều này giải thích vì sao loại điện áp này không được
96 sử dụng phổ biến trong thực tiễn Độ méo dạng dòng điện phụ thuộc vào tải và xác định theo hệ thức:
Hình 4.4: Nghịch lưu áp một pha điều khiển kiểu điều rộng xung PWM
Biên độ hài cơ bản của điện áp ngõ ra:
BÌNH ACQUY NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Cấu tạo của acquy axit, acquy kiềm
Acquy là thiết bị biến đổi năng lượng điện năng thành hoá năng (khi nạp điện vào ắc quy) và biến đổi hoá năng thành điện năng (khi cho Acquy phóng điện) Acquy để cung cấp điện một chiều cho phụ tải [7]
Cấu tạo Acquy gồm 3 phần chính: Vỏ bình, điện cực và dung dịch điện phân
- Vỏ bình: thường làm bằng thuỷ tinh, nhựa, chất tổng hợp chịu được Axit, kiềm
- Điện cực gồm có điện cực dương và điện cực âm
• Điện cực dương đối với Acquy axit: làm bằng PbO2 ép chặt trong khung hình tổ ong làm bằng chì
• Điện cực dương đối vớ Acquy kiềm: làm bằng Ni(OH)2 nén chặt trong các khung được khoan nhiều lỗ nhỏ làm bằng thép mạ kẻm
• Điện cực âm đối với Acquy axit: làm bằng Pb ép như trong khung điện cực dương
• Điện cực âm đối với Acquy kiềm: làm bằng Fe(OH)2 nén như trong khung điện cực dương
• Acquy axit: dung dịch H2SO4
• Acquy kiềm: dung dịch KOH
Các đặc tính cỉa acquy
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 10h hoặc 20A trong 5h
2.2 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
2.3 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, thường có giá trị khoảng 2,1 V Do tỷ trọng của ắc quy phụ thuộc vào dung lượng mà ắc quy đang có Khi ắc quy phóng điện, dung lượng giảm đi nên điện áp khi hở mạch ắc quy cũng giảm theo
Các loại acquy năng lượng mặt trời
Acquy dùng cho hệ thống năng lượng mặt trời có nhiều chủng loại khác nhau Tuy nhiên, phổ biến nhất là 2 loại bao gồm: acquy chì và lithium Từng loại sẽ có những ưu điểm, nhược điểm và phù hợp với từng nhu cầu sử dụng khác nhau
Acquy chì có giá thành rẽ hơn, tuy nhiên, chúng cần bảo dưỡng thường xuyên Còn acquy lithium có giá thành tương đối cao, ít cần phải bảo dưỡng Mặc dù acquy chì acquy chì vẫn tồn tại một số những hạn chế nhất định nhưng chúng vẫn được lựa chọn cho nhiều hệ thống điện, trong đó có điện năng lượng mặt trời
Các loại acquy chì được sử dụng phổ biến hiện nay được chia thành 2 loại:
- Pin axit chì ngập nước (FLA – Flooded Lead Acid): Đây là pin tiêu chuẩn trong ngành năng lượng mặt trời Chúng có chứa các chất điện phân di chuyển tự do bên trong vỏ pin Chúng có thiết kế với phần vỏ kín và dạng đứng nên hạn chế tình trạng rò rỉ chất bên ngoài Ưu điểm của pin axit chì ngập nước đó là chúng có giá thành rẻ và tuổi thọ cao Tuy nhiên, chúng lại sinh ra khí hydro độc hại trong quá trình sạc Chính vì thế người dùng cần phải bọc kín pin và thông khí ra bên ngoài để tránh gây nguy hiểm cho những người xung quanh khi tiếp xúc
Hình 5.1: Pin axit chì ngập nước (FLA)
- Pin axit chì kín (SLA – Sealed Lead Acid hay VRLA): có nguyên lý hoạt động tương đối giống như với pin axit ngập nước Người dùng không cần phải châm nước cất bởi các chất điện phân và nước cất đã được nhà sản xuất thêm sẵn vào pin, đủ để chúng duy trì hoạt động trong suốt tuổi thọ của mình Loại pin này lại được chia nhỏ thành 2 loại:
• Pin axit chì kín thủy tinh hấp thụ (AGM): Loại pin này có các chất điện phân được bố trí ở thảm sợi thủy tinh mỏng tại vị trí trung tâm cỉa tấm chì giúp cho pin có khả năng chống rung cực kỳ tốt Do đó, chúng có thể hoạt động trong nhiều điều kiện môi trường khác nhau Đặc biệt, chúng không gây hại đến môi trường và không bị rò rỉ axit trong quá trình sử dụng Tuy nhiên, nhược điểm của loại pin này là giá thành cao và tuổi thọ thấp hơn pin axit chì ngập nước
Hình 5.2: Pin axit chì kín (SLA)
• Pin axit chì kín Gel: Loại này khá giống như pin axit chì kín thủy tinh hấp thụ, chỉ khác là thảm sợ thủy tinh được thay thế bằng miếng dán dày Pin gel thường có giá thành cao nhất trong các loại pin axit chì kín nhưng chúng lại là sự lựa chọn tốt nhất cho các dự án yêu cầu xả sâu cực chậm Ở môi trường có nhiệt độ cao pin cũng tồn tại được lâu hơn
Pin Lithium: Những hóa chất tốt nhất được ứng dụng trong pin lithium của hệ thống điện mặt trời là Lithium iron photsphate viết tắt là LiFePO4 hoặc LFP Công nghệ mới này có tuổi thọ lâu hơn và cũng không yêu cầu bảo trì hoặc thông khí như loại pin axit chì Chính vì những ưu điểm nổi bậc này nên pin lithium có giá thành cao hơn 2 loại trên, nhưng sẽ mang lại hiệu quả cao hơn
Ứng dụng của acquy và ưu điểm của nó trong hệ thống pin năng lượng
Trong hệ thống pin năng lượng mặt trời Acquy giữ vị trí quan trọng, cung cấp năng lượng cho hệ thống khi không có điện từ các tấm pin Dự trữ nguồn pin năng lượng mặt trời Ưu điểm:
- Tin cậy vì hệ thống acquy nó độc lập với lưới điện
- Dự trữ nguồn năng lượng pin mặt trời dư thừa
106 Ứng dụng pin acquy cho từng mô hình cụ thể được khuyên dùng như sau:
Mô hình sử dụng Loại acquy nên chọn Giải thích
Nhà dân – hệ thống độc lâp Chọn acquy axit chì ngập nước (PLA) Hoặc LITHIUM
Nếu ngôi nhà có hệ thống năng lượng mặt trời độc lập sử dụng toàn thời gian ngoài lưới toàn thời gian
Mô hình nhà nghỉ dưỡng – hệ thống độc lập – chu kỳ sử dụng điện năng ít
Chọn pin acquy axit chì kín Nếu mô hình này chu kỳ sử dụng một vài lần trong tháng, năm, điều này có nghĩa là sẽ không thể bảo trì thường xuyên hệ thống acquy được, chính vì thế lựa chọn pin acquy SLA là hoàn toàn hợp lý, vừa giúp bạn tiết kiệm về chi phí vừa không đòi hỏi phải bảo trì thường xuyên
Sử dụng cho các khu công nghiệp vùng hẻo lánh
Pin axit chì kín (SLA) Pin LITHIUM
Cung cấp điện cho nhiều thiết bị điện trong khu vực nhà máy thì việc sử dụng acquy lithiu, rất hợp lý, còn nếu muốn sử dụng để cung cấp cho các thiết bị camera, giám sát thì chonk acquy axit chì kín sẽ giúp tiết kiệm chi phí
Bảng 5.1: Ứng dụng pin acquy cho từng dạng mô hình tải
Các thông số kỹ thuật của acquy axit và acquy kiềm
Acquy có những thông số chính sau:
- Điện áp định mức Udm: là điện áp cho phép nhỏ nhất các cực của acquy trong giờ phóng điện đầu tiên ở chế độ phóng điện 10 giờ, với acquy Axit là 2V và acquy Kiềm là 1,25V
- Dòng điện phóng Ip:tuỳ thuộc vào chế độ phóng nhưng không được vượt quá 5 lần dòng điện phóng trong 10 giờ khi làm việc lâu dài (như khi phóng trong 1 giờ) Và không quá 12 lần dòng điện phóng 10 giờ khi làm việc ngắn hạn (như khi phóng trong 5 giây)
- Dung lượng phóng Qp: là năng lượng acquy cung cấp được khi phóng điện (ở đây hiểu là với điện áp định mức), phụ thuộc vào dòng điện phóng và thời gian phóng Dung lượng định mức là dung lượng ứng với chế độ phóng nhất định trong 10 giờ
- Thường trên một acquy nhà chế tạo ghi các thông số với dạng như sau :
Phân loại acquy, so sánh ưu khuyết điểm của chúng?
Dựa theo cấu tạo có hai loại chính là acquy Axit và acquy Kiềm, ưu điểm của loại này là nhược điểm của loại kia như sau:
- Với acquy Axit có các ưu điểm sau (so với Ắc quy Kiềm ):
• Điện áp phóng ban đầu cao 2,1 - 2,2V (so với 1,2 - 1,3V của acquy Kiềm)
• Đặc tính phóng điện phẳng hơn
• Giới han thay đổi điện áp cho phép phóng lớn (2,2 - 1,75V)
• Bội số cho phép quá tải ngắn hạn lớn
• Không độc và nguy hiểm đối với môi trường
Ngoài ra hiện nay còn phân loại acquy khô và acquy nước Acquy khô hiện đang sử dụng rộng rãi vì quản lý vận hành đơn giản, dễ bảo quản.
Vận hành và sử dụng acquy
Khi vận hành sử dụng nguồn một chiều cung cấp bằng hệ thống acquy phải tuân thủ các quy định sau :
- Ac quy phải được trong phòng mát, khô ráo được thông gió thường xuyên tránh để gần ngọn lửa
- Ác quy phải được giữ sách sẽ mặt ngoài và nắp, lỗ thoát khí trên các nắp không được tắc, các thanh dẫn nối bình và cọc bình phải sạch sẽ, được bôi Vaseline để tránh Oxy hoá
- Phải kiểm tra mức dung dịch hàng ngày (acquy nước), mức dung dịch phải cao hơn vạch " LOW" của nhà chế tạo để tránh cực bị Sulfat hoá, nếu dung dịch cạn phải bổ xung
- Kiểm tra dòng nạp của máy nạp và nạp đầy dàn bình
- Hàng năm cần kiểm tra và súc sạch các chất xúc tác rơi xuống đáy bình để tránh ngắn mạch các tấm cực
Cách nạp hình thành một acquy mới
8.1 Nạp hình thành acquy mới
- Acquy mới sau khi rót dung dịch axit đợi từ 3 – 6 giờ mới bắt đầu nạp lần đầu
- Dòng điện nạp lần đầu thường lấy bằng 1/10 dòng điện phóng liên tục trong 10 giờ của acquy axit với thời gian nạp từ 8 – 60 giờ (tùy theo nhà sản xuất – chế tạo quy định)
- Trong quá trình nạp nhiệt độ của chất dung dịch sẽ tăng dần nhưng phải duy trì sao cho không quá 40 0 C, tỷ trọng dung dịch sẽ tăng dần
- Giai đoạn cuối của acquy nạp đầy khi:
• Điện thế mối bình (hay mỗi hộc) đạt 2,4 – 2,5 V và tỷ trọng chất điện dịch là 1,25 ở 15 0 C
• Chất điện dịch phải sủi tăm mạnh
• Thời gian nạp khoảng 8 – 60 giờ tùy theo nhà chế tạo
8.2 Các chế độ nạp của acquy
- Chế độ nạp ban đầu thường: Inạp = Iphóng trong 10 giờ và thời gian nạp khoảng 8 đến 10 giờ
- Chế độ nạp thường: Inạp = Iphóng trong 10 giờ và thời gian nạp khoảng 12 đến 16 giờ
- Chế độ nạp nhanh: Dùng trong chế độ nạo ban đầu gồm:
• Giai đoạn 1: Inạp = 3/2 Iphóng trong 10 giờ cho đến khi điện thế mối bình là 2,4V
• Giai đoạn 2: Inạp = Iphóng trong 10 giờ cho tới khi dung dịch sủi tăm mạnh
Lưu ý: Quy trình phóng nạp cho mỗi acquy phải tuân theo quy định của nhà sản xuất – nhà chế tạo được nêu trong tài liệu kỹ thuật
8.3 Các chế độ của bộ nguồn nạp acquy
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 ắc quy chủ yếu là điều kiển dòng điện nạp ở cuối quá trình nạp ắc quy
8.3.1 Nạp với dòng không đổi 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
