TÌM HIỂU HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI HÒA LƯỚI VÀ PHẦN MỀM PVSYST

ĐỒ ÁN ĐIỆN CÔNG NGHIỆP: TÌM HIỂU HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI HÒA LƯỚI GỒM TẤM PIN, MẠCH TĂNG ÁP, MẠCH NGHỊCH LƯU VÀ PHẦN MỀM PVSYST.

Trang 1

TS Quách Ngọc Thịnh Đỗ Thị Huyền Trang (MSSV:CD22T5P548)

Ngành: Kỹ thuật điện - Khóa: 2022

Tháng 05/2024

Trang 2

TS Quách Ngọc Thịnh Đỗ Thị Huyền Trang (MSSV:CD22T5P548)

Ngành: Kỹ thuật điện - Khóa: 2022

Tháng 05/2024

Trang 3

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN

Cần Thơ, ngày … tháng … năm 2024

PHIẾU ĐỀ NGHỊ ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN CỦA SINH VIÊN

HỌC KỲ 2, NĂM HỌC: 2023– 2024

1 Họ và tên sinh viên: Đỗ Thị Huyền Trang MSSV: CD22T5P548

Email: trangdth.dt1@gmail.com ĐT: 0907990045 2 Tên đề tài: Tìm hiểu hệ thống điện mặt trời hòa lưới và phần mềm PVsyst 3 Địa điểm và thời gian thực hiện:

- Địa điểm: khoa Kỹ thuật điện – trường Bách Khoa - Thời gian thực hiện: 15 tuần

4 Họ và tên người hướng dẫn: TS Quách Ngọc Thịnh 5 Mục tiêu của đề tài:

- Tìm hiểu về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống điện mặt trời hòa lưới

- Tìm hiểu các mô hình toán học của các thành phần trong hệ thống điện mặt trời hòa lưới

- Tìm hiểu về phần mềm PVsyst, ứng dụng mô phỏng cho hệ thống điện mặt trời hòa lưới

6 Các nội dung chính và giới hạn của đề tài: Chương 1: Tổng quan

1.1 Sự cần thiết của năng lượng tái tạo

1.2 Phân loại hệ thống điện mặt trời hòa lưới 1.3 Nội dung của đề tài

Chương 2: Tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý của hệ thống điện mặt trời hòa lưới 2.1 Cấu tạo và nguyên lý của hệ thống điện mặt trời hòa lưới

2.2 Tấm pin mặt trời 2.3 Bộ tăng áp

Trang 4

2.4 Bộ nghịch lưu

2.5 Hệ thống điện mặt trời hòa lưới 3 pha 448 kWp – Ngô Hoàng Tuấn 2.6 Giới thiệu về phần mềm mô phỏng PVsyst

Chương 3: Kết luận và kiến nghị

7 Các yêu cầu hỗ trợ cho việc thực hiện đề tài: ……… 8 Kinh phí dự trù cho việc thực hiện đề tài: ………

(Ký tên và ghi rõ họ tên) (Ký tên và ghi rõ họ tên)

DUYỆT CỦA KHOA

Trang 5

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

1 Cán bộ hướng dẫn: TS Quách Ngọc Thịnh

2 Tên đề tài: Tìm hiểu hệ thống điện mặt trời hòa lưới và phần mềm PVsyst 3 Họ và tên sinh viên: Đỗ Thị Huyền Trang MSSV: CD22T5P548 Email: trangdth.dt1@gmail.com ĐT: 0907990045

5 Nội dung nhật xét:

a Nhận xét về hình thức của tập thuyết minh:

b Nhận xét về bản vẽ (nếu có):

c Nhận xét về nội dung của luận văn (đề nghị ghi chi tiết và đầy đủ):

* Các nội dung và công việc đã được (so sánh với đề cương của luận văn):

* Những vấn đề còn hạn chế:

d Nhận xét đối với từng sinh viên tham gia thực hiện đề tài (ghi rõ từng nội dung chính do sinh viên nào chịu trách nhiệm thực hiện nếu có):

e Kết luận và đề nghị:

6 Điểm đánh giá (cho từng sinh viên):

Cần Thơ, ngày … tháng … năm 2024

Cán bộ hướng dẫn

Trang 6

LỜI CẢM ƠN

Trước khi vào nội dung đề tài, em xin được bày tỏ một cách chân thành, trân trọng và biết ơn đến TS Quách Ngọc Thịnh, thầy đã định hướng và chỉ dạy và giúp đỡ em hoàn thành đồ án này Bên cạnh đó, em xin chân thành gởi lời cảm ơn chân thành đến Quý Thầy, Cô trong Trường Bách khoa- Trường Đại học Cần Thơ, đặc biệt là Quý Thầy trong Khoa Kỹ thuật điện đã tận tình chỉ dạy truyền đạt kiến thức cũng như tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình học tập vừa qua

Tuy có nhiều cố gắng nhưng do kiến thức và thời gian có hạn nên đồ án khó tránh khỏi những hạn chế và thiếu sót Kính mong Quý Thầy thông cảm và đóng góp ý kiến để đồ án được hoàn thiện hơn

Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn!

Trang 7

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, năng lượng tàn dư sinh học, năng lượng không tái sinh ngày càng cạn kiệt, giá dầu mỏ tăng từng ngày, ảnh hưởng xấu đến sự phát triển kinh tế xã hội và môi trường sống Tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế là nhiệm vụ cấp bách của toàn thế giới, xã hội và mỗi người chúng ta

Nguồn năng lượng thay thế đó phải sạch, thân thiện với môi trường, giảm chi phí, không cạn kiệt (tái sinh) và dễ dàng sử dụng Một trong những nguồn năng lượng đó là năng lượng mặt trời Nguồn năng lượng này gần như là vô tận, và nó có thể trả lời hầu hết các câu hỏi trên Rất nhiều công nghệ đã được ứng dụng thực hiện từ nguồn năng lượng mặt trời, từ đó cho thấy năng lượng mặt trời không chỉ là năng lượng của hiện tại mà còn là năng lượng của cả tương lai

Để chuyển đổi năng lượng từ ánh sáng mặt trời thành điện năng cung cấp điện cho hệ thống lưới điện quốc gia, các nhà nghiên cứu đã thành công chế tạo ra hệ thống điện mặt trời hòa lưới là một hệ thống công nghệ năng lượng tái tạo Trong hệ thống này, các tấm pin mặt trời được lắp đặt trên mái nhà hoặc bề mặt phẳng, thu nhận ánh sáng mặt trời và chuyển đổi nó thành điện năng bằng quá trình quang điện

Khi đã thiết kế được một hệ thống điện mặt trời hòa lưới và trước khi đưa vào thi công thì cần một công cụ để kiểm tra các thông số vận hành, vị trí lắp đặt, hình dạng và hướng của tấm pin, tính toán hiệu suất kinh tế và lợi nhuận của hệ thống Do đó, chúng ta cần sự hỗ trợ của phần mềm mô phỏng PVsyst PVsyst cung cấp các công cụ mô phỏng mạnh mẽ, giúp dự đoán chính xác hiệu suất vận hành của hệ thống điện mặt trời dưới nhiều điều kiện khác nhau Điều này giúp người dùng hiểu rõ hơn về khả năng sản xuất điện của hệ thống và đưa ra các quyết định thiết kế và đầu tư chính xác, bao gồm tính toán thu nhập dự kiến từ việc bán điện vào lưới điện và thời gian trả vốn Điều này giúp các nhà đầu tư đánh giá rủi ro và lợi ích của dự án

Trang 8

1.1 Sự cần thiết của năng lượng tái tạo 1

1.2 Phân loại hệ thống điện mặt trời 2

CHƯƠNG 2 Tìm hiểu về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống điện mặt trời hòa lưới 8

2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống điện mặt trời hòa lưới 8

2.2 Tấm pin mặt trời (Solar Panel) 9

2.3 Bộ tăng áp DC/DC 16

2.4 Bộ nghịch lưu DC/AC 3 pha 20

2.5 Hệ thống điện mặt trời hòa lưới 3 pha 448 kWp - Ngô Hoàng Tuấn 28

2.6 Giới thiệu phần mềm mô phỏng PVsyst: 36

CHƯƠNG 3 Kết luận và kiến nghị 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

Trang 9

Mục lục

MỤC LỤC HÌNH

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điện mặt trời hòa lưới 8

Hình 2.2 Thành phần của pin năng lượng mặt trời 9

Hình 2.3 Tấm pin đơn tinh thể 10

Hình 2.4 Tấm pin đa tinh thể 10

Hình 2.5 Tấm pin màng mỏng 11

Hình 2.6 Sơ đồ thay thế đơn giản của pin quang điện 11

Hình 2.7 Các tham số quan trọng của pin quang điện 12

Hình 2.8 Module pin quang điện 13

Hình 2.9 Đặc tính của module pin quang điện 13

Hình 2.10 Module pin mắc nối tiếp 14

Hình 2.11 Module pin mắc song song 15

Hình 2.12 Module pin kết hợp nối tiếp và song song 16

Hình 2.13 Sơ đồ mạch tăng áp 16

Hình 2.14 Sơ đồ mô tả hoạt động của mạch ở thời điểm van dẫn 17

Hình 2.15 Sơ đồ mô tả hoạt động của mạch ở thời điểm van khóa 17

Hình 2.16 Sơ đồ mô tả hoạt động của mạch ở thời điểm van dẫn sau khi tụ đã được nạp 18

Hình 2.17 Đồ thị dạng sóng của dòng điện và điện áp qua mạch tăng áp 20

Hình 2.18 Sơ đồ nguyên lý bộ nghịch lưu 3 pha 21

Hình 2.19 Dạng xung điều khiển kiểu sóng vuông 21

Hình 2.20 Dạng điện áp điều khiển và điện áp tại các ngõ ra (so với điểm N của nguồn U) 22

Hình 2.21 Dạng điện áp dây tại ngõ ra của bộ nghịch lưu 22

Hình 2.22 Dạng điện áp pha trên tải 24

Hình 2.23 Nghịch lưu 3 pha với tải RL 26

Hình 2.24 Điều chế độ rộng xung sin cho bộ nghịch lưu 3 pha 27

Trang 10

Mục lục

Hình 2.25 Hệ thống điện mặt trời áp mái hòa lưới 28

Hình 2.26 Sơ đồ đấu dây hệ thống điện mặt trời hòa lưới 33

Hình 2.31 Biểu đồ phân bố xác xuất năng lượng vào/ ra 52

Hình 2.32 Biểu đồ sản lượng trung bình của hệ thống / tháng 54

Hình 2.34 Kết quả mô phỏng tổn thất của hệ thống 55

Hình 2.34 Sản lượng và tổn thất trung bình của các tháng 56

Hình 2.35 Biểu đồ hiệu suất hệ thống của các tháng trong năm 56

Trang 11

Mục lục

MỤC LỤC BẢNG

Bảng 2.1 Tổng hợp các đặc điểm chính của từng loại công nghệ tấm pin 29

Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật pin mặt trời AE 400 30

Bảng 2.3 Thông số kỹ thuật Inverter Growatt 80KTL3 LV 32

Bảng 2.4 Sản lượng phát lưới của hệ thống trong 1 năm (MWh/tháng) 35

Bảng 2.5 Bảng kết quả mô phỏng 53

Trang 12

Chương 1 Tổng quan

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

1.1 Sự cần thiết của năng lượng tái tạo

Năng lượng tái tạo là năng lượng được tạo ra từ các nguồn tự nhiên có thể tái tạo và không gây hại đến môi trường Các nguồn năng lượng tái tạo bao gồm năng lượng mặt trời, gió, nước, sinh học và nhiệt đới Việc sử dụng năng lượng tái tạo giúp giảm lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính và phụ thuộc ít hơn vào nguồn năng lượng hóa thạch như than, dầu mỏ và khí đốt tự nhiên

Đặc điểm của năng lượng tái tạo

– Vô hạn hoặc có thể tái tạo trong thời gian ngắn và liên tục – Có ở nhiều nơi

– Có khả năng ứng dụng rộng rãi Ưu điểm

- Có thể tái tạo được nên không lo cạn kiệt, có thể sử dụng ở nhiều thời điểm và vị trí khác nhau

- Giúp con người tiết kiệm tiền điện một cách đáng kể

- Từng bước giảm lệ thuộc vào các loại nhiên liệu hóa thạch, giúp bảo vệ sức khỏe con người đồng thời tiết kiệm nguồn tài nguyên thiên nhiên

- Đây là nguồn năng lượng sạch Hầu hết các loại năng lượng tái tạo đều không thải ra khí CO2, góp phần bảo vệ môi trường, giảm tình trạng hiệu ứng nhà kính, biến đổi khí hậu toàn cầu

- Chi phí cho nhiên liệu và bảo dưỡng thấp, độ bền cao bởi đây là năng lượng từ thiên nhiên

- Đa dạng, phong phú, đáp ứng được nhu cầu đa dạng của con người

Trang 13

- Tính ổn định thấp hơn so với các nguồn năng lượng truyền thống bởi năng lượng tái tạo phụ thuộc vào thiên nhiên

- Đòi hỏi chi phí đầu tư cao, cần có công nghệ hiện đại

- Sử dụng năng lượng tái tạo rất khó để sản xuất ra một lượng điện lớn trong một thời gian nhất định

- Một số nguồn năng lượng tái tạo vẫn gây ô nhiễm môi trường mặc dù không đáng kể so với năng lượng hóa thạch

1.2 Phân loại hệ thống điện mặt trời

Tất cả các loại hệ thống điện mặt trời đều hoạt động dựa trên các nguyên tắc cơ bản giống nhau Các tấm pin đầu tiên chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện một chiều bằng cách sử dụng hiệu ứng quang điện (PV) Sau đó, nguồn điện một chiều có thể được lưu trữ trong pin hoặc được biến đổi bằng bộ biến tần năng lượng mặt trời thành điện xoay chiều có thể được sử dụng để chạy các thiết bị gia dụng Tùy thuộc vào từng loại hệ thống, lượng điện mặt trời dư thừa có thể được đưa vào lưới điện để bán điện, hoặc được lưu trữ trong hệ thống pin lưu trữ

Có 3 loại hệ thống điện mặt trời chính:

1 On-grid – còn được gọi là hệ thống nối lưới hoặc hòa lưới 2 Off-grid – còn được gọi là hệ thống điện độc lập

3 Hybrid – Hệ thống kết nối lưới điện với bộ lưu trữ pin

1.2.1 Hệ thống điện mặt trời hòa lưới (On-grid)

Hệ thống điện mặt trời hòa lưới là hệ thống sử dụng phổ biến nhất hiện nay, nguồn điện mặt trời tạo ra được ưu tiên dùng cho các thiết bị điện Khi nhu cầu sử dụng điện lớn hơn lượng điện từ hệ thống điện năng lượng mặt trời tạo ra, hệ thống sẽ lấy điện lưới quốc gia để sử dụng Khác biệt so với hệ thống điện năng lượng mặt trời độc lập, hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới không có bộ ắc quy lưu trữ và được đấu nối hòa chung với mạng điện lưới của EVN

Trang 15

• Muốn giảm chi phí tiền điện bằng cách vừa giảm lượng điện lưới sử dụng, đồng thời vừa bán lại điện dư thừa cho điện lực

1.2.2 Hệ thống điện mặt trời độc lập (Off-grid)

Với hệ thống điện mặt trời độc lập, hệ thống sẽ sản xuất ra điện sau đó dẫn điện đến các bình ắc quy để lưu trữ điện Hệ thống này hoạt động độc lập, hoàn toàn không phụ thuộc vào nguồn điện lưới Quốc gia

Hình 1.2 Hệ thống điện mặt trời độc lập Ưu điểm:

• Điện vẫn hoạt động trong trường hợp điện lưới mất

• Không phụ thuộc vào hệ thống điện lưới nên thường sử dụng cho các thiết bị điện lưu động

Trang 16

Ứng dụng:

• Hệ thống điện mặt trời độc lập phù hợp với địa điểm không có điện lưới Quốc gia hoặc nơi có nguồn điện lưới không ổn định như miền núi

• Các thiết bị lưu động sử dụng điện hoặc các đèn giao thông công cộng

1.2.3 Hệ thống điện mặt trời kết hợp (Hybrid)

Đây chính là sự kết hợp giữa 2 hệ thống điện mặt trời độc lập và hòa lưới Hệ thống điện mặt trời hybrid vừa có thể hoà lưới điện quốc gia, vừa có ắc quy để lưu trữ điện phục vụ cho các nhu cầu cần thiết

Hệ thống điện mặt trời Hybrid có khả năng phục vụ nhu cầu sử dụng điện của khách hàng một cách tốt nhất Hệ thống này vừa có khả năng lưu trữ điện năng để dự phòng cho trường hợp bị ngắt điện lưới và vừa có khả năng bán lại điện dư thừa cho EVN nhờ được hòa vào điện lưới

• Chi phí đầu tư khá cao do có nhiều thiết bị tổ hợp cùng nhau

• Nguyên lý hoạt động khá phức tạp khiến công tác lắp đặt, cài đặt khó khăn

Trang 17

• Hiệu suất thấp do hao hụt điện năng lớn do qua nhiều thiết bị chuyển đổi • Hệ thống phức tạp, dẫn đến có thể phát sinh hư hỏng trong quá trình vận hành

Ứng dụng

• Nơi hoặc khu vực đặc biệt, cần duy trì nguồn điện liên tục

• Được lắp đặt ở cả các địa điểm có điện lưới hoặc không có điện lưới • Nội dung của đề tài

Các phân tích cho thấy rằng các nguồn năng lượng tái tạo đã, đang và sẽ được quan tâm khai thác nhiều hơn trong tương lai Trong số các nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng mặt trời được quan tâm khá nhiều, đặc biệt là tại các quốc gia có điều kiện tự nhiên như Việt Nam

Tương ứng với quy mô khai thác công suất lớn cho mục tiêu giảm các gánh nặng về cơ cấu nguồn điện cho các nguồn năng lượng điện truyền thống như thủy điện và nhiệt điện, xu hướng nối lưới của các hệ thống điện năng lượng tái tạo được quan tâm nhiều hơn trong thời gian gần đây

Để chuyển đổi năng lượng từ ánh sáng mặt trời thành điện năng cung cấp điện cho hệ thống lưới điện quốc gia, các nhà nghiên cứu đã thành công chế tạo ra hệ thống điện mặt trời hòa lưới là một hệ thống công nghệ năng lượng tái tạo Trong hệ thống này, các tấm pin mặt trời được lắp đặt trên mái nhà hoặc bề mặt phẳng, thu nhận ánh sáng mặt trời và chuyển đổi nó thành điện năng bằng quá trình quang điện

Khi đã thiết kế được một hệ thống điện mặt trời hòa lưới và trước khi đưa vào thi công thì cần một công cụ để kiểm tra các thông số vận hành, vị trí lắp đặt, hình dạng và hướng của tấm pin, tính toán hiệu suất kinh tế và lợi nhuận của hệ thống Do đó, chúng ta cần sự hỗ trợ của phần mềm mô phỏng PVsyst

Chính vì các lý do trên, đề tài “Tìm hiểu hệ thống điện mặt trời hòa lưới và phần mềm PVsyst” được lựa chọn và thực hiện trong đồ án này và bao gồm các nội dung như sau:

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý của hệ thống điện mặt trời hòa lưới Chương 3: Kết luận và kiến nghị

Trang 18

Trang 19

Chương 2 Tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của HT điện mặt trời hòa lưới

CHƯƠNG 2

TÌM HIỂU VỀ CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI HÒA LƯỚI

2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống điện mặt trời hòa lưới

Cấu tạo cơ bản của hệ thống điện mặt trời hòa lưới gồm các thành phần cơ bản sau:

- Tấm pin năng lượng mặt trời - Biến tần hòa lưới (inverter) - Công tơ 2 chiều

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điện mặt trời hòa lưới

Điện thu được từ tấm pin mặt trời (Solar Panel) là điện 1 chiều, qua biến tần hòa lưới (Connected Inverter) có chức năng chuyển đổi từ điện DC sang AC cùng pha, cùng tần số với điện lưới, sau đó hệ thống sẽ hòa chung với điện lưới

Trang 20

− Khi điện năng sinh ra từ hệ thống điện mặt trời đáp ứng nhu cầu điện năng của tải thì tải tiêu thụ điện năng hoàn toàn từ pin mặt trời

− Khi điện năng sinh ra từ hệ thống điện mặt trời nhỏ hơn so với nhu cầu điện năng của tải thì tải sẽ lấy thêm điện năng của lưới để bù vào

− Khi điện năng sinh ra từ hệ thống điện mặt trời lớn hơn với nhu cầu điện năng của tải lưới thì lượng điện năng thừa sẽ được phát lên lưới

2.2 Tấm pin mặt trời (Solar Panel)

Pin mặt trời hay pin quang điện có tên tiếng Anh là Solar panel, nó bao gồm nhiều tế bào quang điện (gọi là solar cells) Tế bào quang điện này là các phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt nhiều các cảm biến của ánh sáng là diode quang, nó làm biến đổi năng lượng của ánh sáng thành năng lượng điện

Các chỉ số cường độ dòng điện, hiệu điện thế hay điện trở của tấm pin thay đổi phụ thuộc vào lượng ánh sáng chiếu lên chúng Các tế bào quang điện này được ghép lại thành một khối để trở thành pin mặt trời (thông thường sẽ từ 60 hoặc 72 tế bào quang điện trên một tấm pin)

Hình 2.2 Thành phần của pin năng lượng mặt trời

Trang 21

Pin mặt trời Solar panel được chia làm ba loại:

- Đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình Czochralski Đơn tinh thể loại này có hiệu suất lên tới 16% Chúng thường có giá thành cao do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module

Hình 2.3 Tấm pin đơn tinh thể

- Đa tinh thể: làm từ các thỏi đúc, đúc từ silic nung chảy cẩn thận sau đó được làm nguội và làm rắn Các loại pin này có giá rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém 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

Hình 2.4 Tấm pin đa tinh thể

- 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 và có giá rẻ nhất trong các loại vì

Trang 22

không cần phải cắt từ thỏi silicon Các công nghệ trên là sản suất tấm, nói cách khác, các loại trên có độ dày 300 μm tạo thành và xếp lại để tạo nên module

Hình 2.5 Tấm pin màng mỏng

2.2.1 Mô hình toán học pin quang điện

Mô hình toán học của pin quang điện được xây dựng trên cơ sở sơ đồ thay thế đơn giản của pin quang điện và được biểu diễn như sau:

Hình 2.6 Sơ đồ thay thế đơn giản của pin quang điện

Trong pin quang điện, hai tham số quan trọng của nó là dòng điện ngắn mạch 𝐼𝑆𝐶 và điện áp hở mạch 𝑉𝑂𝐶

Trang 23

Hình 2.7 Các tham số quan trọng của pin quang điện Pin quang điện được mô tả toán học như sau:

𝐼 = 𝐼𝑆𝐶− 𝐼0(𝑒𝑞𝑉𝑘𝑇 − 1) (2.1) 𝑉𝑂𝐶 = 𝑘𝑇

𝑞 𝑙𝑛 (𝐼𝑆𝐶

𝐼0 + 1) (2.2) Trong đó:

I: Cường độ dòng điện của pin quang điện (A); V: Điện áp của pin quang điện (V);

𝐼𝑠𝑐: Cường độ dòng điện ngắn mạch của pin quang điện (A); 𝑉𝑜𝑐: Điện áp hở mạch của pin quang điện (V);

𝐼0: Dòng điện ngược của diode, có giá trị rất nhỏ (khoảng 10−12A/𝑐𝑚2); q: Điện tích electron, q = 1,602.10−19(C);

k: Hằng số Boltzman, k = 1,381 x 10−23 (J/K); T: Nhiệt độ tuyệt đối (°𝐾)

2.2.2 Module pin quang điện

Một khuyết điểm của pin quang điện là điện áp và dòng điện làm việc của nó rất nhỏ Một pin quang điện có điện áp làm việc khoảng 0,5 V

Trang 24

Hình 2.8 Module pin quang điện

Khi ấy, điện áp của module pin quang điện có thể được xác định như sau: 𝑉𝑚𝑜𝑑𝑢𝑙𝑒 = 𝑛(𝑉𝑛− 𝐼𝑅𝑆) (2.3)

Trong đó:

𝑉𝑚𝑜𝑑𝑢𝑙𝑒: Điện áp của module pin quang điện (V); n: Số pin quang điện của module pin quang điện; 𝑉𝑑: Điện áp của diode (V);

𝑅𝑠: Giá trị điện trở nối tiếp (Ω)

Các đường đặc tính của một module pin quang điện được mô tả như sau:

Trang 25

2.2.3 Mảng pin quang điện

Mảng pin quang điện được định nghĩa là việc kết nối nhiều module pin quang điện

Có 3 hình thức kết nối các module pin quang điện là: + Nối tiếp;

+ Song song; + Hỗn hợp

a Kết hợp nối tiếp nhiều module pin quang điện

Hình thức kết hợp nối tiếp nhiều module pin quang điện được sử dụng để nâng điện áp của hệ thống pin quang điện

Hình 2.10 Module pin mắc nối tiếp

b Kết hợp song song nhiều module pin quang điện

Hình thức kết hợp song song nhiều module pin quang điện được sử dụng để nâng cường độ dòng điện của hệ thống pin quang điện

Trang 26

Hình 2.11 Module pin mắc song song

c Kết hợp hỗn hợp nhiều module pin quang điện

Hình thức kết hợp nhiều module pin quang điện được sử dụng để nâng cả điện áp và cường độ dòng điện của hệ thống pin quang điện

Trang 27

Hình 2.12 Module pin kết hợp nối tiếp và song song

2.3 Bộ tăng áp DC/DC

Có hai cách để thực hiện các bộ biến đổi DC/DC kiểu chuyển mạch mà bao gồm bộ biến đổi sử dụng các tụ điện chuyển mạch và các điện cảm chuyển mạch Trong đó, giải pháp sử dụng điện cảm chuyển mạch có nhiều ưu thế hơn đối với các mạch công suất lớn

Mạch này gồm 4 linh kiện điện tử cơ bản đó là cuộn dây L, khóa chuyển mạch Mosfet, diode D và tụ điện C

Hình 2.13 Sơ đồ mạch tăng áp

Trang 28

Nguồn cho mạch tăng áp có thể đến từ bất kỳ nguồn DC phù hợp nào, chẳng hạn như pin lion, pin mặt trời, bộ chỉnh lưu và máy phát điện một chiều

Nguyên lý hoạt động

Hình 2.14.Sơ đồ mô tả hoạt động của mạch ở thời điểm van dẫn

Trong khoảng thời gian sóng vuông tần số cao ở mức cao được đưa vào cực G của MOSFET Trong khoảng thời gian này MOSFET dẫn điện, làm cho đầu bên phải của cuộn cảm L được nối với cực âm của nguồn điện Do đó, sẽ có một dòng điện chạy giữa cực dương và âm của nguồn điện qua cuộn dây L và tăng dần từ giá trị ban đầu nào đó Cuộn dây tích lũy năng lượng dưới dạng từ trường Hầu như không có dòng điện chạy trong phần còn lại của mạch vì sự kết hợp của D, C và tải biểu thị trở kháng cao hơn nhiều so với đường dẫn trực tiếp qua MOSFET dẫn điện mạnh

Trang 29

Hình trên cho thấy đường đi của dòng điện trong khoảng thời gian sóng vuông đưa vào cực G của MOSFET ở mức thấp Vì MOSFET bị tắt nhanh chóng nên dòng điện giảm đột ngột làm cho cuộn dây L tạo ra một sức điện động ngược Cực tính điện áp trên cuộn dây L ngược chiều so với khoảng thời gian MOSFET dẫn, để dòng điện chạy qua Điều này dẫn đến hai điện áp, điện áp cung cấp 𝑉𝐼𝑁 và điện áp 𝑉𝐿 trên cuộn dây nối tiếp với nhau

Điện áp cao hơn này (𝑉𝐼𝑁 + 𝑉𝐿) phân cực thuận cho diode D Dòng điện tạo ra chạy qua D và nạp điện cho tụ điện C đến giá trị 𝑉𝐼𝑁 + 𝑉𝐿 trừ đi một ít điện áp trên diode D, đồng thời cung cấp cho tải

Hình 2.16 Sơ đồ mô tả hoạt động của mạch ở thời điểm van dẫn sau khi tụ

đã được nạp

Hình trên cho thấy hoạt động của mạch khi MOSFET dẫn điện trở lại sau giai đoạn khởi động ban đầu Mỗi khi MOSFET dẫn, điện thế tại cực cathode của diode D dương hơn điện thế tại cực anode, do điện áp trên C Do đó, diode D tắt nên ngõ ra của mạch bị cách ly với ngõ vào, tuy nhiên tải vẫn tiếp tục được cung cấp điện áp 𝑉𝐼𝑁+ 𝑉𝐿 từ điện áp trên tụ điện C Mặc dù tụ điện C xả điện qua tải làm cho điện áp trên tụ giảm trong thời gian này, tụ điện C được sạc điện trở lại mỗi khi MOSFET dẫn, do đó duy trì điện áp ngõ ra trên tải gần như ổn định

- Giá trị điện áp trung bình ngõ ra được tính bởi: 𝑉𝑜𝑢𝑡 = 𝑉𝑖𝑛

1 − 𝐷 (2.4) - Giả sử không có tổn hao công suất, ta có:

𝑃𝑖𝑛 = 𝑃𝑜𝑢𝑡 ⇒ 𝐼𝑖𝑛 𝑉𝑖𝑛 = 𝐼𝑜𝑢𝑡 𝑉𝑜𝑢𝑡 (2.5)

Trang 30

- Dòng điện trung bình ngõ ra tính theo công thức: 𝐼𝑜𝑢𝑡 = (1 − 𝐷)𝐼𝑖𝑛 (2.6) - Tổng trở vào của bộ tăng áp là:

𝑅𝑖𝑛 = (1 − 𝐷)2 𝑅𝑜𝑢𝑡 (2.7) - Giá trị đỉnh đối đỉnh của dòng điện dao động qua cuộn dây:

∆𝐼 = 𝑈𝑠𝐷

𝑓𝐿 (2.8) - Giá trị đỉnh đối đỉnh của điện áp dao động trên tụ điện:

∆𝑈𝑐 = 𝐼𝑎𝐷

𝑓𝐶 (2.9) Trong đó:

Vout : điện áp đầu ra (V);

Vin : điện áp đầu vào (V); Iout : dòng điện ngõ ra (A); Iin : dòng điện ngõ vào (A); D : độ rộng xung điều khiển;

L : giá trị điện cảm của cuộn cảm (H); C : giá trị của tụ điện tại ngõ ra (F); f : tần số (Hz);

∆I : độ gợn dòng điện qua cuộn cảm (A);

Rin : tổng trở ngõ vào (Ω);

Rout : tổng trở ngõ ra (Ω)

Dạng sóng

Trang 31

Hình 2.17 Đồ thị dạng sóng của dòng điện và điện áp qua mạch tăng áp

2.4 Bộ nghịch lưu DC/AC 3 pha

Nghịch lưu nguồn áp là bộ nghịch lưu được cấp nguồn từ nguồn điện áp Điện áp ra được điều khiển bởi tín hiệu kích (điều khiển) bộ nghịch lưu, dòng ra phụ thuộc vào tải Bộ nghịch lưu kiểu này phù hợp với tải có tính cảm

Nguyên lý hoạt động

Trang 32

Hình 2.18 Sơ đồ nguyên lý bộ nghịch lưu 3 pha

Hình 2.19 Dạng xung điều khiển kiểu sóng vuông

Trang 33

Hình 2.20 Dạng điện áp điều khiển và điện áp tại các ngõ ra (so với điểm N của nguồn U)

Hình 2.21 Dạng điện áp dây tại ngõ ra của bộ nghịch lưu • 𝑢𝐴𝐵 = 𝑢𝐴𝑁-𝑢𝐵𝑁

• 𝑢𝐵𝐶 = 𝑢𝐵𝑁-𝑢𝐶𝑁• 𝑢𝐶𝐴 = 𝑢𝐶𝑁-𝑢𝐴𝑁

Trang 34

• Khoảng I: S1/D1, S5/D5 và S6/D6 dẫn • Khoảng II: S1/D1, S2/D2 và S6/D6 dẫn • Khoảng III: S1/D1, S2/D2 và S3/D3 dẫn • Khoảng IV: S2/D2, S3/D3 và S4/D4 dẫn • Khoảng V: S3/D3, S4/D4 và S5/D5 dẫn • Khoảng VI: S4/D4, S5/D5 và S6/D6 dẫn

→ Khi S được kích dẫn, mạch tương đương khóa bán dẫn cho phép dòng chạy qua theo cả 2 chiều

Khoảng I: S1, S5 và S6 được kích dẫn 𝑈𝐴𝑛 = 𝑈𝐶𝑛 = ( 1

3 )U; 𝑈𝐵𝑛 = (−2

3)U

Khoảng II: S1, S2 và S6 được kích dẫn 𝑈𝐴𝑛 = ( 2

3 )U; 𝑈𝐵𝑛 = 𝑈𝐶𝑛 = (−1)U

Trang 35

Khoảng III: S1, S2 và S3 được kích dẫn 𝑈𝐴𝑛 = 𝑈𝐵𝑛 = ( 1

3 )U; 𝑈𝐶𝑛 = (−2

3)U

Khoảng IV: S2, S3 và S4 được kích dẫn 𝑈𝐴𝑛 = 𝑈𝐶𝑛 = (− 1

3 )U; 𝑈𝐵𝑛 = ( 2

3)U

𝑈𝐴𝑛 = (− 23 )U; 𝑈𝐵𝑛 = 𝑈𝐶𝑛 = ( 1

3)U

Khoảng VI: S4, S5 và S6 được kích dẫn 𝑈𝐴𝑛 = 𝑈𝐵𝑛 = (− 1

3 )U; 𝑈𝐶𝑛 = ( 2

3)U

Hình 2.22 Dạng điện áp pha trên tải