Đồ án điện công nghiệp: "TÌM HIỂU HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI HÒA LƯỚI". Trong đó tìm hiểu các hệ thống điện mặt trời, các tấm pin, bộ tăng áp, bộ nghịch lưu, thuật toán tìm điểm công suất cực đại MPPT.
Đặt vấn đề
Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch, được tạo ra từ ánh sáng mặt trời Với khả năng không gây ô nhiễm môi trường và không tiêu tốn nguồn tài nguyên hạn chế, năng lượng mặt trời đã trở thành một giải pháp quan trọng để đảm bảo nguồn điện bền vững cho tương lai
Hình 1.1 Năng lượng mặt trời
Vai trò của năng lượng mặt trời rất quan trọng trong việc đảm bảo nguồn điện bền vững có thể được tóm tắt như sau:
Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo vì nó không thể cạn kiệt và luôn sẵn có Trong suốt 24 giờ mỗi ngày, ánh sáng mặt trời chiếu sáng Trái đất, tạo ra tiềm năng lớn để khai thác năng lượng này.
* Không gây ô nhiễm môi trường: Năng lượng mặt trời không gây ra khí thải hoặc chất thải độc hại trong quá trình sản xuất điện Điều này giúp giảm thiểu tác động tiêu cực lên môi trường, bảo vệ sức khỏe con người và duy trì sự cân bằng sinh thái
* Khả năng phân phối rộng rãi: Mặt trời là một nguồn năng lượng phân tán toàn cầu và có thể được tận dụng ở khắp mọi nơi trên Trái Đất Việc cài đặt các hệ thống năng lượng mặt trời nhỏ, chẳng hạn như trên mái nhà hoặc công trình, cho phép mỗi gia đình hoặc doanh nghiệp tạo ra và sử dụng nguồn điện riêng biệt
1.2 Tiềm năng điện mặt trời ở Việt Nam
Việt Nam được xem là một trong những quốc gia có tiềm năng lớn để khai thác năng lượng mặt trời
Hình 1.2 Biểu đồ bức xạ mặt trời theo tỉnh
Vị trí địa lý thuận lợi ở khu vực Đông Nam Á cùng với khí hậu nhiệt đới nắng ấm quanh năm đã mang lại cho Việt Nam tiềm năng to lớn trong việc khai thác năng lượng mặt trời Diện tích rộng lớn và nguồn ánh sáng mặt trời dồi dào là những yếu tố góp phần tạo nên lợi thế này.
Lượng ánh sáng Mặt trời dồi dào: Với cường độ ánh sáng cao và lượng giờ nắng hàng ngày, tiềm năng năng lượng mặt trời ở Việt Nam ở mức đáng kể Theo các nghiên cứu, mỗi mét vuông của lãnh thổ Việt Nam nhận được khoảng 4-5 kWh ánh sáng Mặt trời mỗi ngày, tương đương với hơn 1.500 kWh ánh sáng Mặt trời mỗi năm
Phân bố đồng đều và phong cách sống dân cư phù hợp: Việt Nam có một phân bố đồng đều về ánh sáng Mặt trời trên toàn quốc, từ miền Bắc đến miền Nam Điều này tạo ra cơ hội để khai thác năng lượng mặt trời ở các khu vực đô thị, nông thôn, khu công nghiệp và các khu du lịch
Hình 1.3 Bức xạ mặt trời theo từng khu vực tại Việt Nam
Nhu cầu điện tăng cao do tăng trưởng kinh tế và dân số, trong khi nguồn điện chủ yếu từ hóa thạch gây ô nhiễm và không bền vững Giải pháp khai thác năng lượng mặt trời sẽ giúp giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, đảm bảo nguồn điện ổn định cho Việt Nam.
Chính sách hỗ trợ và khuyến khích đầu tư: Chính phủ Việt Nam đã áp dụng nhiều chính sách hỗ trợ và khuyến khích đầu tư vào năng lượng mặt trời Điều này bao gồm ưu đãi thuế, giảm giá đất, cơ chế mua lại điện, và các quy định liên quan để thúc đẩy phát triển các dự án năng lượng mặt trời
Trong phê duyệt Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia thời kỳ 2021 - 2030, tầm nhìn đến năm 2050 (gọi tắt là Quy hoạch điện VIII) có ghi: Tiềm năng điện mặt trời của Việt Nam khoảng 963.000 MW (mặt đất khoảng 837.400 MW, mặt nước khoảng 77.400 MW và mái nhà khoảng 48.200 MW) Từ nay đến năm 2030, tổng công suất các nguồn điện mặt trời dự kiến tăng thêm 4.100 MW; định hướng đến năm
2050, tổng công suất 168.594 - 189.294 MW, sản xuất 252,1-291,5 tỷ kWh
Tổng hợp các nhà máy điện mặt trời Việt Nam tiêu biểu:
Hình 1.4 Nhà máy điện mặt trời Trung Nam Thuận Bắc 450 MW lớn nhất Việt
Hình 1.5 Cụm nhà máy điện mặt trời Dầu Tiếng DT1 và DT2 – 420 MW
Hình 1.6 Nhà máy điện mặt trời Phú Mỹ – 330 MW
Tóm lại, tiềm năng năng lượng mặt trời ở Việt Nam là rất lớn Sử dụng hiệu quả tiềm năng này sẽ giúp Việt Nam đảm bảo nguồn điện bền vững, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và đóng góp góp vào các mục tiêu bảo vệ môi trường và giảm khí nhà kính
1.3 Ứng dụng năng lượng mặt trời
Năng lượng mặt trời là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ mặt trời, cộng với một phần nhỏ năng lượng của các hạt nguyên tử khác phóng ra từ các ngôi sao Dòng năng lượng này sẽ tiếp tục phát ra cho đến khi phản ứng hạt nhân trên mặt trời hết nhiên liệu, vào khoảng 5 tỉ năm nữa
Về biến đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện Hiện nay có hai phương thức sản xuất điện từ năng lượng mặt trời:
• Chuyển đổi trực tiếp ánh sang mặt trời thành điện năng bằng cách sử dụng các tấm pin mặt trời (Photovoltaic (PV)) Phương pháp này được sử dụng nhiều trong việc sản xuất điện quy mô lớn nhỏ khác nhau, cung cấp năng lượng cho tàu vũ trụ hoặc chiếu sáng công cộng …vv
Hình 1.7 Tế bào quang điện
• Chuyển đổi gián tiếp bằng cách tạo nhiệt độ cao bằng một hệ thống gương phản chiếu và hội tụ ánh sáng để gia nhiệt cho môi chất truyền động cho máy phát điện Phương pháp này ứng dụng để sản xuất quy mô lớn
Về cấu trúc có 03 loại hệ thống điện mặt trời chính:
- 1 On-grid – còn được gọi là hệ thống nối lưới hoặc hòa lưới : hệ thống được kết nối với lưới điện và không có tích trữ
- 2 Off-grid – còn được gọi là hệ thống điện độc lập: hệ thống không kết nối với lưới điện, hoạt động dựa trên bộ lưu trữ accquy
- 3 Hybrid – Hệ thống hỗn hợp: là hệ thống kết nối lưới điện với bộ lưu trữ accquy
1.3.3 Nhiệt mặt trời – Hệ thống điện mặt trời tập trung
Trong những năm gần đây, các nhà máy điện mặt trời trên lãnh thổ Việt Nam sử dụng tấm pin quang điện (PV- Photovoltaic Panels) được đẩy mạnh phát triển ở miền Nam và Nam Trung Bộ Do tốc độ phát triển các nhà máy điện này quá nhanh dẫn đến hệ thống truyền tải chưa kịp đáp ứng, gây ra tình trạng quá tải hệ thống truyền tải và công suất nhà máy bị cắt giảm nếu không có thiết bị tích trữ năng lượng Trên thế giới, một loại hình tận dụng năng lượng mặt trời khác đã được nghiên cứu và phát triển đó là Điện mặt trời tập trung (CSP – Concentrated Solar Power) với ưu thế có khả năng tích trữ năng lượng
Hình 1.8 Điện năng lượng mặt trời tập trung
Công nghệ CSP đến thời điểm hiện nay có 4 loại công nghệ CSP được nghiên cứu và áp dụng trên thế giới:
Hình 1.9 Các công nghệ CSP
Công nghệ kiểu máng Parabol (Trough):
Công nghệ kiểu tháp (Tower)
Công nghệ kiểu hệ thống Fresnel tuyến tính (Linear Fresnel)
Công nghệ kiểu đĩa (Dish Stirling)
Trong đó, công nghệ kiểu đĩa, tuy có hiệu suất cao hơn các hệ thống khác nhưng có nhược điểm là không có bộ lưu trữ nhiệt
Phân bổ các loại hình công nghệ CSP được ghi nhận và đánh giá như hình bên dưới đây:
Hình 1.10 Phân bổ các loại hình công nghệ CSP trên thế giới
Ứng dụng năng lượng mặt trời
Năng lượng mặt trời là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ mặt trời, cộng với một phần nhỏ năng lượng của các hạt nguyên tử khác phóng ra từ các ngôi sao Dòng năng lượng này sẽ tiếp tục phát ra cho đến khi phản ứng hạt nhân trên mặt trời hết nhiên liệu, vào khoảng 5 tỉ năm nữa
Về biến đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện Hiện nay có hai phương thức sản xuất điện từ năng lượng mặt trời:
• Chuyển đổi trực tiếp ánh sang mặt trời thành điện năng bằng cách sử dụng các tấm pin mặt trời (Photovoltaic (PV)) Phương pháp này được sử dụng nhiều trong việc sản xuất điện quy mô lớn nhỏ khác nhau, cung cấp năng lượng cho tàu vũ trụ hoặc chiếu sáng công cộng …vv
Hình 1.7 Tế bào quang điện
• Chuyển đổi gián tiếp bằng cách tạo nhiệt độ cao bằng một hệ thống gương phản chiếu và hội tụ ánh sáng để gia nhiệt cho môi chất truyền động cho máy phát điện Phương pháp này ứng dụng để sản xuất quy mô lớn
Về cấu trúc có 03 loại hệ thống điện mặt trời chính:
- 1 On-grid – còn được gọi là hệ thống nối lưới hoặc hòa lưới : hệ thống được kết nối với lưới điện và không có tích trữ
- 2 Off-grid – còn được gọi là hệ thống điện độc lập: hệ thống không kết nối với lưới điện, hoạt động dựa trên bộ lưu trữ accquy
- 3 Hybrid – Hệ thống hỗn hợp: là hệ thống kết nối lưới điện với bộ lưu trữ accquy
1.3.3 Nhiệt mặt trời – Hệ thống điện mặt trời tập trung
Trong những năm gần đây, các nhà máy điện mặt trời trên lãnh thổ Việt Nam sử dụng tấm pin quang điện (PV- Photovoltaic Panels) được đẩy mạnh phát triển ở miền Nam và Nam Trung Bộ Do tốc độ phát triển các nhà máy điện này quá nhanh dẫn đến hệ thống truyền tải chưa kịp đáp ứng, gây ra tình trạng quá tải hệ thống truyền tải và công suất nhà máy bị cắt giảm nếu không có thiết bị tích trữ năng lượng Trên thế giới, một loại hình tận dụng năng lượng mặt trời khác đã được nghiên cứu và phát triển đó là Điện mặt trời tập trung (CSP – Concentrated Solar Power) với ưu thế có khả năng tích trữ năng lượng
Hình 1.8 Điện năng lượng mặt trời tập trung
Công nghệ CSP đến thời điểm hiện nay có 4 loại công nghệ CSP được nghiên cứu và áp dụng trên thế giới:
Hình 1.9 Các công nghệ CSP
Công nghệ kiểu máng Parabol (Trough):
Công nghệ kiểu tháp (Tower)
Công nghệ kiểu hệ thống Fresnel tuyến tính (Linear Fresnel)
Công nghệ kiểu đĩa (Dish Stirling)
Trong đó, công nghệ kiểu đĩa, tuy có hiệu suất cao hơn các hệ thống khác nhưng có nhược điểm là không có bộ lưu trữ nhiệt
Phân bổ các loại hình công nghệ CSP được ghi nhận và đánh giá như hình bên dưới đây:
Hình 1.10 Phân bổ các loại hình công nghệ CSP trên thế giới
Nội dung đề tài
Năng lượng mặt trời sạch, chi phí bảo dưỡng thấp, đảm bảo an toàn, đặc biệt có thể thay thế các nguồn năng lượng truyền thống Việc phát triển pin mặt trời góp phần giảm phát thải khí nhà kính, bảo vệ môi trường Công nghệ điện mặt trời hòa lưới giảm tiêu thụ điện lưới, tăng hiệu suất năng lượng Hệ thống này phổ biến ở Việt Nam, đặc biệt hiệu quả tại những vùng nắng nóng, nhu cầu điện cao.
Hiện tại, pin mặt trời còn đắt đỏ, nên cần khai thác công suất tối đa, lắp đặt ở hướng thuận lợi như hướng Nam hoặc theo dõi hướng mặt trời Tuyến đặc tính PV có điểm công suất cực đại tại dòng và điện áp tương ứng, có nhiều phương pháp dò tìm, bao gồm thuật toán Đề tài này sử dụng thuật toán P&O phổ biến vì tính đơn giản và dễ thực hiện; song song đó, đề tài tìm hiểu thuật toán INC để so sánh hiệu quả của cả hai.
Chương 1: Tổng quan về hệ thống năng lượng mặt trời
Chương 2: Hệ thống điện mặt trời hòa lưới
Chương 3: Kết luận và kiến nghị
Cấu trúc hệ thống điện mặt trời PV
2.1.1 Hệ thống điện mặt trời nối với lưới điện
Hệ thống này thường được thông dụng ở Việt Nam, do lợi ích rõ rệt về giảm chi phí lắp đặt và có thêm thu nhập nhờ bán điện lại cho công ty điện lực Hệ thống điện này thường hoạt có hiệu quả nhất ở nơi có khí hậu nóng, nhiều ánh nắng, nơi nhu cầu điện năng cao điểm trùng với những giờ nắng nóng
Mô hình và nguyên lý hoạt động:
Hình 2.1 Hệ thống điện mặt trời nối với lưới điện
Lượng điện cung cấp trực tiếp vào hệ thống điện trong nhà và cấp ngược ra tải điện lưới quốc gia, khi lượng điện từ Pin NLMT phát ra dư dùng
Ngược lại, nếu hệ thống phát không đủ sử dụng thì sẽ lấy điện lưới bù vào Ngay lập tức, hệ thống sẽ ngắt điện khi điện lưới bị mất, tránh các sự cố đáng tiếc xảy ra khi hệ thống pin NLMT phát ngược lên lưới, gây nguy hiểm cho người bảo trì hệ thống điện.
Hình 2.2 Hoạt động của hệ thống điện mặt trời nối với lưới điện
Hệ thống nối với lưới điện, chúng ta có thể sử dụng điện mặt trời vào ban ngày, điện dư thì dẫn vào lưới điện bán cho công ty điện lực Buổi chiều hoặc tối thì chúng ta lại sử dụng điện từ công ty điện lực cung cấp
Không sử dụng bình acquy: giảm đáng kể chi phí đầu tư và bảo dưỡng cho hệ thống acquy
Bền vững, lâu dài: Do máy luôn được vận hành song song với lưới điện nên mọi đột biến của tải hay điện áp trên đường dây và nguồn điện đều không thể tác động trực tiếp vào máy Tuổi thọ của hệ thống là tuổi thọ của các linh kiện điện tử cao cấp có thể lên tới 25 năm.ứng dụng rộng rãi cho mọi nơi như: các hộ dân, cơ quan, đơn vị đang có điện lưới quốc gia
Việc lắp đặt và sử dụng đơn giản, chi phí bảo trì bảo dưỡng thấp, gần như bằng không, nên thời gian thu hồi vốn được rút ngắn tối đa và chắc chắn theo dự tính đầu tư ban đầu
Hệ thống này nếu điện lưới bị cắt thì điện năng từ các panel mặt trời cũng bị cắt, để đảm bảo an toàn cho lưới điện Vì hệ thống này giống như hệ thống máy phát nối với lưới điện
2.1.2 Hệ thống độc lập/ ngoài lưới điện
Trạm điện mặt trời độc lập cung cấp điện cho những nơi chưa có lưới điện kéo tới hay không có nguồn năng lượng khác
Hình 2.3 Hệ thống độc lập/ ngoài lưới điện
Hình 2.4 Hệ thống độc lập/ ngoài lưới điện
Từ giàn pin mặt trời (solar cells), ánh sáng được biến đổi thành điện năng, tạo ra dòng điện một chiều (DC Power) Dòng điện này được dẫn tới bộ điều khiển (charge controller) là một thiết bị có chức năng tự động điều hòa dòng điện từ pin mặt trời và dòng điện nạp cho acquy (Battery) ở chế độ tối ưu nhất Khi acquy (Battery) đầy thì bộ điều khiển (charge controller) sẽ ngưng sạc hoạt sạc ở chế độ duy trì Khi acquy (Battery) cạn thì tự động vào chế độ nạp lại Thông qua bộ đổi điện DC/AC (Inverter) tạo ra dòng điện xoay chiều chuẩn 220V/50Hz để chạy các thiết bị trong gia đình như đèn chiếu sáng, quạt, tivi, máy tính, tủ lạnh, máy bơm
Hệ thống này sẽ đơn giản, dễ thiết kề và thường dùng trong các khu vực chưa có lưới điện hoặc nơi thường xuyên bị cắt điện liên tục
Do không có lưới điện hoặc điện áp dự phòng, hệ thống này phụ thuộc nhiều hơn vào cường độ chiếu sáng của mặt trời so với các hệ thống điện mặt trời khác.
Hệ thống này phải cung cấp điện năng hơn công suất phụ tải mà nó cung cấp để có điện dự trữ sử dụng vào ban đêm khi mà các dãy pannel không thể tạo ra điện năng (chỉ tạo ra 1 ít điện năng khi ánh trăng tròn) Để khắc phục sự phụ thuộc này ta cần tính toán kỹ lưỡng thiết kế năng lượng mặt trời của hệ thống này Như địa điểm lắp đặt các dãy pannel mặt trời, hướng của các dãy pannel, điểu chỉnh góc đặt dãy pannel, dự đoán tránh bóng che Công suất của dãy pannel cung cấp phải lớn hơn công suất phụ tải hệ thống, để còn điện năng dư đưa vào bình acquy để có điện năng sử dụng vào ban đêm
2.1.3 Hệ thống lai: hòa lưới có lưu trữ
Hệ thống mặt trời nối với lưới điện và đề phòng sự cố còn gọi là hệ thống tương tác lưới kết hợp với hệ thống mặt trời nối với lưới điện và dãy các acquy Cũng như hệ thống nối với lưới điện, chúng ta sử dụng điện năng từ các panel mặt trời khi trời nắng và bán điện dư cho công ty điện lực Nhưng khác với hệ thống nối với lưới điện, dãy các acquy sẽ cung cấp điện ngay khi lưới điện bị cắt đột ngột, do đó hệ thống của chúng ta sẽ liên tục có điện
Hình 2.5 Hệ thống nối với lưới điện dự phòng
Hình 2.6 Hệ thống nối với lưới điện dự phòng
• Nguyên lý hoạt động: Đây là sự tích hợp của hai hệ thống thành một hệ thống liên hoàn bao gồm:
Hệ thống on - grid (hệ thống nối lưới): Sản xuất điện năng từ các tấm pin mặt trời (Solar Panel) thành điện 220V AC /50Hz để hòa vào điện lưới
Hệ thống off - grid (hệ thống độc lập): Lưu trữ điện năng từ các tấm pin mặt trời (Solar Panel) vào acquy để sẵn sàng biến đổi thành điện 220VAC /50Hz để cung cấp cho tải khi không có điện lưới
Khi khởi động hệ thống, Acquy (battery) luôn được ưu tiên nạp điện từ Mặt trời cho đến khi đầy Lúc này hệ thống On Grid chưa làm việc
Khi acquy đầy, hệ thống sẽ tự động biến đổi điện DC từ Sola Panel thành điện
AC 220V để hòa với điện lưới (Điện áp ra của hệ thống có tần số, pha trùng với điện lưới có thể là 1 pha hoặc 3 pha)
Khi mất điện lưới, hệ thống sẽ tự động lấy điện DC từ Acquy và Solar để biến đổi thành điện AC 220V cung cấp cho tải ưu tiên
Hình 2.7 Hệ thống điện mặt trời hòa lưới có dự trữ
Hệ thống này có thể cung cấp điện liên tục dù lưới điện có bị gặp sự cố
Hệ thống điện năng lượng mặt trời độc lập được ghép nối với hệ thống lưới điện, tạo nên một hệ thống có cấu tạo phức tạp, đòi hỏi chi phí đầu tư cao hơn đáng kể so với hệ thống truyền thống Hơn nữa, việc bảo trì hệ thống này cũng gặp nhiều khó khăn, đòi hỏi đội ngũ kỹ thuật chuyên môn cao và thường xuyên kiểm tra, bảo dưỡng để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và an toàn.
Giới thiệu hế thống điện mặt trời hòa lưới
Điện mặt trời nối lưới hay còn gọi là điện mặt trời hòa lưới là hệ thống được sử dụng rộng rãi ở các hộ gia đình, văn phòng, toàn nhà, nhà xưởng, nhà máy, các trường học, bệnh viện, trung tâm thương mại, siêu thị, nhà ga, sân bay và các nhà máy sản xuất điện mặt trời
Hình 2.8 Điện mặt trời hoà lưới
Cấu trúc của điện mặt trời hoà lưới gồm 4 thành phần:
- Bộ tăng áp DC-DC (DC booster)
- Bộ chỉnh lưu DC-AC (inverter)
Hình 2.9 Cấu trúc điện mặt trời hoà lưới với bộ nghịch lưu nguồn áp và bộ tăng áp
NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI HÒA LƯỚI
♦ Các tấm pin mặt trời hấp thụ bức xạ từ ánh sáng mặt trời và chuyển hóa bức xạ mặt trời thành dòng điện một chiều (DC)
♦ Inverter chuyển đổi dòng điện một chiều (DC) thành dòng điện xoay chiều (AC)
Hệ thống điện mặt trời liên hợp lưới kết hợp nguồn điện xoay chiều (AC) từ hệ thống điện mặt trời và từ lưới điện để cung cấp điện cho các thiết bị tiêu thụ trong gia đình, tòa nhà văn phòng, nhà xưởng và các cơ sở khác Cấu trúc này cho phép sử dụng năng lượng mặt trời khi có sẵn, trong khi vẫn đảm bảo nguồn cung cấp điện đáng tin cậy từ lưới điện khi cần thiết.
♦ Khi lượng điện phát ra từ hệ thống điện mặt trời lớn hơn lượng điện tiêu thụ của các thiết bị tiêu thụ điện, phần điện dư sẽ được phát lên lưới điện quốc gia để bán lại cho EVN , đồng hồ 2 chiều sẽ ghi nhận lượng điện phát lên lưới
Trong trường hợp sản lượng điện từ hệ thống điện mặt trời không đủ đáp ứng nhu cầu sử dụng điện của các thiết bị, thiết bị điện mặt trời sẽ tự động lấy thêm điện từ lưới điện quốc gia (EVN) Lượng điện bổ sung này sẽ được tính vào hóa đơn tiền điện hàng tháng mà khách hàng phải thanh toán cho EVN.
Khi mất điện lưới, hệ thống sẽ bị tắt.
Pin mặt trời
2.3.1 Khái niệm về pin mặt trời
Pin quang điện (hay còn gọi là pin mặt trời, như hình) là công nghệ sản xuất ra điện năng từ các chất bán dẫn dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời Khi ánh sáng chiếu tới các tế bào quang điện, nó sẽ sản sinh ra điện năng Khi không có ánh sáng, các tế bào này ngưng sản xuất điện Quá trình chuyển đổi này còn được gọi là hiệu ứng quang điện
Hiện tượng: khi bề mặt của một tấm kim loại được chiếu bởi bức xạ điện từ có tần số thích hợp (lớn hơn một tần số ngưỡng đặc trưng cho mỗi kim loại), các điện tử sẽ hấp thụ năng lượng từ các photon và chuyển lên vùng dẫn tạo thành các điện tử tự do e- đồng thời để lại các lỗ trống mang điện dương, các hạt mang điện này di chuyển tạo 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), như hình
Hình 2.11 Hiệu ứng quang điện
2.3.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin mặt trời
Tế bào quang điện có cấu tạo giống một điốt bán dẫn, gồm lớp bán dẫn n và p tiếp xúc nhau Bề mặt trên là lớp bán dẫn loại N mỏng để ánh sáng xuyên qua, tiếp xúc với lớp bán dẫn loại P Ngoài ra, tế bào quang điện còn có điện cực, lớp phủ chống phản xạ và đế cách điện.
Hình 2.12 Cấu tạo pin măt trời
Pin năng lượng mặt trời được chia làm 8 bộ phận gồm: khung nhôm, kính cường lực, lớp màng EVA, solar cell, tấm nền pin (phía sau), hộp đấu dây (junction box), cáp điện, Jack kết nối MC4
Hình 2.13 Các bộ phận của pin mặt trời
1 Khung nhôm: có chức năng tạo ra một kết cấu đủ cứng cáp để tích hợp solar cell và các bộ phận khác lên Với thiết kế cứng cáp nhưng vẫn đảm bảo trọng lượng đủ nhẹ, khung nhôm có thể bảo vệ và cố định các thành phần bên trong trước tải trọng gió lớn và ngoại lực tác động bên ngoài Một số hãng ví dụ như Canadian Solar, thậm chí khung nhôm còn được anode hóa và gia cố thanh ngang để tăng độ cứng cáp cho tấm pin Màu sắc phổ biến của khung nhôm là bạc
2 Kính cường lực: giúp bảo vệ solar cell khỏi các tác động của thời tiết như nhiệt độ, mưa, tuyết, bụi, mưa đá (đường kính 2,5cm trở xuống) và các tác động va đập khác từ bên ngoài Kính cường lực được thiết kế có độ dày từ 2-4mm (đa số là khoảng 3.2-3.3mm) để đảm bảo vừa đủ khả năng bảo vệ và duy trì được độ trong suốt cho tấm pin mặt trời (ánh sáng ít bị phản xạ, khả năng hấp thụ tốt)
3 Lớp màng EVA (ethylene vinyl acetate) còn được được gọi là chất kết dính, là 2 lớp màng polymer trong suốt được đặt trên và dưới lớp solar cell có tác dụng kết dính solar cell với lớp kính cường lực phía trên và tấm nền phía dưới Lớp này còn có tác dụng hấp thụ và bảo vệ solar cell khỏi sự rung động, tránh bám bụi và hơi ẩm Vật liệu EVA có khả năng chịu đựng nhiệt độ khắc nghiệt và có độ bền cực kỳ cao
4 Lớp Solar cell (tế bào quang điện) Pin mặt trời được cấu tạo từ nhiều đơn vị nhỏ hơn là solar cell Những loại pin năng lượng mặt trời thông dụng như mono và poly được làm từ silic, một loại chất bán dẫn phổ biến Trong một cell, tinh thể silic bị kẹp giữa hai lớp dẫn điện (ribbon và các thanh busbar) Một tế bào quang điện sử dụng hai lớp silic khác nhau, loại N và loại P
5 Tấm nền pin (phía sau), có chức năng cách điện, bảo vệ cơ học và chống ẩm Vật liệu được sử dụng có thể là polymer, nhựa PP, PVF, PET Tấm nền có độ dày khác nhau tùy vào hãng sản xuất Phần lớn tấm nền sẽ có màu trắng Với sự phát triển của công nghệ, hiện tại một số hãng như Canadian Solar đã có một số dòng pin đặc biệt như BiKu, loại pin không có tấm nền phía sau, thay vào đó là mặt kính cường lực trong suốt giúp pin năng lượng mặt trời có thể hấp thụ ánh sáng ở cả hai mặt trước và sau
6 Hộp đấu dây (junction box) nằm ở phía sau cùng, là nơi tập hợp và chuyển năng lượng điện được sinh ra từ tấm pin năng lượng mặt trời ra ngoài Vì đây là điểm trung tâm nên được thiết kế bảo vệ khá chắc chắn
7 Cáp điện DC, loại cáp điện chuyên dụng cho điện năng lượng mặt trời, có khả năng cách điện một chiều DC cực tốt, kèm với đó là khả năng chống chịu tốt trước sự khắc nghiệt của thời tiết (tia cực tím, bụi, nước, ẩm ) và tác động cơ học khác
8 Jack kết nối MC4, là đầu nối điện thường được dùng để kết nối các tấm pin mặt trời “MC” trong MC4 là viết tắt của nhà sản xuất Multi-Contact Loại jack kết nối này giúp chúng ta dễ dàng kết nối các tấm pin và dãy pin bằng cách gắn jack từ các tấm pin liền kề với nhau bằng tay
Khi hai lớp bán dẫn p và n tiếp xúc nhau, do sự chênh lệch về mật độ các hạt dẫn (tức là do gradient hóa thế) 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 phần bán dẫn n sát lớp tiếp xúc tích điện dương, còn phần bán dẫn p ngay đối diện tích điện âm Trong miền tiếp xúc lúc này hình thành điện trường Utx hướng từ bán dẫn n sang p (Utx sẽ ngăn cản sự khuếch tán tiếp tục của các hạt dẫn qua lớp tiếp xúc)
Hình 2.16 Hoạt động của pin mặt trời
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 Utx và bị gia tốc về các phía đối diện tạo thành một sức điện động quang điện (Hình 1.5) Sức điện động quang điện phụ thuộc vào bản chất chất bán dẫn, nhiệt độ lớp tiếp xúc, bước sóng và cường độ ánh sáng tới Lớp bán dẫn p-n có tính chỉnh lưu như một diode, chỉ cho điện tử dẫn và lỗ trống dẫn trong vùng tiếp xúc di chuyển về phía bán dẫn n và bán dẫn p tương ứng Nối các đầu bán dẫn bằng một dây dẫn thì trong dây xuất hiện dòng quang điện I đi theo chiều từ bán dẫn p qua tải về bán dẫn n
➢ Phân loại pin mặt trời
Cho tới nay vật liệu chế tạo pin mặt trời chủ yếu là Silic và được chia thành ba loại chính:
- Đơn tinh thể: có hiệu suất tới 16% và loại này thường đắt tiền do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module
Nghịch lưu nguồn áp 3 pha
Nghịch lưu áp là biến đổi nguồn áp một chiều thành nguồn áp xoay chiều với tần số tùy ý
➢ Sơ đồ mạch và nguyên lý hoạt động:
Hình 2.22 Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu nguồn áp 3 pha 6 bước
Bước 1: trong khoảng thời gian từ 0 o -60 o : S1, S5, S6 dẫn
Hình 2.23 Sơ đồ nguyên lý và mạch tương đương bước 1
Hình 2.24 Sơ đồ điện áp ngõ ra bước 1
Bước 2: trong khoảng thời gian từ 60 o -120 o : S1, S2, S6 dẫn
Hình 2.25 Sơ đồ nguyên lý và mạch tương đương bước 2
Hình 2.26 Sơ đồ điện áp ngõ ra bước 2 Bước 3: trong khoảng thời gian từ 120 o -180 o : S1, S2, S3 dẫn
Hình 2.27 Sơ đồ nguyên lý và mạch tương đương bước 3
Hình 2.28 Sơ đồ điện áp ngõ ra bước 3 Bước 4: trong khoảng thời gian từ 180 o -240 o : S3, S4, S2 dẫn
Hình 2.29 Sơ đồ nguyên lý và mạch tương đương bước 4
Hình 2.30 Sơ đồ điện áp ngõ ra bước 4 Bước 5: trong khoảng thời gian từ 240 o -300 o : S3, S4, S5 dẫn
Hình 2.31 Sơ đồ nguyên lý và mạch tương đương bước 5
Hình 2.32 Sơ đồ điện áp ngõ ra bước 5 Bước 6: trong khoảng thời gian từ 300 o -360 o : S4, S5, S6 dẫn
Hình 2.33 Sơ đồ nguyên lý và mạch tương đương bước 6
Hình 2.34 Sơ đồ điện áp ngõ ra bước 6
➢ Mối quan hệ giữa điện áp DC và AC: Điện áp dây tức thời, uab, có thể được thể hiện trong chuỗi Fourier, uab bị lệch pha π/6 và sóng hài bậc chẵn bằng không
• Trong PT (2.12), PT (2.13), PT (2.14), sóng hài bậc nhân 3 (n = 3, 9, 15, ) sẽ bằng không trong điện áp dây
• Giá trị hiệu dụng của điện áp dây có thể được tính bởi:
• Khi n = 1, giá trị hiệu dụng của thành phần cơ bản:
• Giá trị hiệu dụng của điện áp pha:
• Với tải trở, diode hồi tiếp không hoạt động
• Đối với tải nối sao, điện áp pha tức thời (thứ tự thuận lấy dấu “-”, n = 1, 7,
13, 19, ; thứ tự nghịch lấy dấu “+”, n = 5, 11, 17, 23, ) Thành phần thứ tự phụ thuộc vào bậc sóng hài
• Dòng điện tức thời pha a với tải RL:
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) s s ab a bc b ca c u t i t = u t i t + u t i t + u t i t (2.23) i a(t), ib(t), ic(t): dòng điện 3 pha trong tải nối tam giác
• Giả sử rằng điện áp AC ngõ ra là sin Nguồn cung cấp là không đổi nên: us(t) = Us, ta được:
• Dòng điện DC có thể được tính đơn giản như:
Vì biên độ của điện áp pha ở tần số cơ bản trong vùng tuyến tính (M ≤ 1) là
Us/2 nên biên độ của điện áp dây ở tần số cơ bản là 1 3
➢ Phương pháp điều chế độ rộng xung sin
Bộ nghịch lưu tạo ra điện áp đầu ra có chứa nhiều sóng hài, làm giảm chất lượng điện áp và dòng điện Để khắc phục vấn đề này, bộ nghịch lưu điều chế độ rộng xung (PWM) được nghiên cứu và ứng dụng PWM giúp giảm hàm lượng sóng hài trong điện áp và dòng điện đầu ra, cải thiện chất lượng điện áp và dòng điện.
Tiêu chuẩn đánh giá chất lượng của một bộ nghịch lưu là mức độ gần sin chuẩn của điện áp và dòng điện đầu ra Trong tất cả các bộ nghịch lưu thì bộ nghịch lưu điều biến độ rộng xung sin được đánh giá là bộ nghịch lưu cho phép đưa ra dạng sóng gần sin nhất
Nội dung cơ bản của kỹ thuật này là chia mỗi nửa chu kỳ dòng điện hay điện áp ra gồm nhiều đoạn hình chữ nhật có độ rộng thích hợp Ưu điểm của kỹ thuật này là :
- Các thành phần điều hoà của điện áp hoặc dòng điện ra bị đẩy sang phía tần số cao do đó dễ lọc
- Cho phép thay đổi điện áp ra bằng sơ đồ có hai khoá chuyển mạch trong một pha
Phương pháp điều biến độ rộng xung PWM được sử dụng nhiều nhất là luật so sánh Tín hiệu điều khiển hình sin có tần số mong muốn sẽ được so sánh với các xung hình tam giác Tần số chuyển mạch của nghịch lưu fcm bằng tần số xung tam giác fx có giá trị không đổi; tần số xung tam giác còn gọi là tần số mang Tần số tín hiệu điều khiển f1 có tên là tần số điều biến sẽ xác định tần số cơ bản của điện áp ra nghịch lưu Tần số tín hiệu điều khiển f1 có tên là tần số điều biến sẽ xác định tần số cơ bản của điện áp ra nghịch lưu
Trên Hình 2.35 biểu diễn sơ đồ khối khoá điều khiển của PWM Từ sơ đồ cho ta thấy: hai tín hiệu điều khiển Uđk và tín hiệu sóng mang Ux đưa vào bộ so sánh Khi hai điện áp này bằng nhau sẽ cho một xung, qua bộ chia xung ta đưa tới để điều khiển các thiristo tương ứng
Hình 2.35 Bộ so sánh ra tín hiệu điều khiển PWM
• Phát tín hiệu cổng được chỉ trong Hình 2.36
• Có 3 sóng tham chiếu hình sin (ura, urb, và urc), mỗi sóng lệch pha với nhau một góc 120 độ
• Một sóng mang được so sánh với một tín hiệu tham chiếu tương ứng với một pha để phát tín hiệu cổng cho pha đó So sánh tín hiệu sóng mang ucr với tín hiệu tham chiếu ura, urb, và urc sinh ra tín hiệu cổng g1, g3, g5 như trong Hình 2.36b
• Khi ura > ucr, khóa Q1 trong nhánh pha A đóng, khóa Q4 ngắt -> tín hiệu cổng g2, g4, g6 là ngược so với tín hiệu cổng g1, g3, g5
• Điện áp pha cho pha A và B là uan = Usg1 và ubn = Usg3 (Hình 2.36c) -> Điện áp dây ngõ ra: uab = Us(g1 - g3)
• Điện áp ngõ ra được tạo ra bởi điều kiện giới hạn hai khóa trong cùng một pha không thể dẫn đồng thời
• Chỉ số điều chế tần số mf nên là số lẻ nhân với 3 Vì thế, tất cả điện áp pha là đồng dạng nhưng lệch pha nhau 120 o và không có sóng hài bậc chẵn
Hình 2.36 Điều chế độ rộng xung sin cho bộ nghịch lưu ba pha
Các thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại MPPT
Hiện tại, pin mặt trời vẫn được xem là nguồn năng lượng đắt đỏ Vì vậy, cần phải khai thác công suất lớn nhất có thể từ pin mặt trời Để đạt được điều đó, pin mặt trời cần được lắp đặt tại các vị trí thuận lợi ví dụ như hướng nam, thậm chí được điều khiển xoay theo hướng mặt trời để thu được nguồn năng lượng cực đại Về cơ bản, trên đường đặc tuyến PV của pin mặt trời tồn tại một điểm công suất cực đại ứng với dòng điện và điện áp tương ứng
Theo Riza M (2003), điểm cực đại này lại không cố định, chúng luôn thay đổi theo các điều kiện môi trường (Hình 2.3) Vì vậy, chúng ta cần điều khiển để điện áp hoặc dòng điện để thu được công suất cực đại từ pin mặt trời khi nhiệt độ và bức xạ thay đổi sử dụng bộ tìm điểm công suất cực đại Bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại như vậy gọi là bộ dò tìm công suất cực đại MPPT( Maximum Power Tracking Point )
MPPT là phương pháp dò tìm điểm làm việc có công suất tối ưu của hệ thống pin quang điện (PV) bằng cách điều khiển chu kỳ đóng mở khóa điện tử sử dụng trong bộ chuyển đổi DC/DC.
Hình 2.38 Đặc tính I – V khi bức xạ thay đổi và vị trí các điểm MPP.
Hình 2.37 Đặc tính I-V, P-V của pin mặt trời với điểm công suất cực đại
Hầu hết các bộ MPPT hiện nay gồm có ba phần cơ bản: bộ chuyển đổi DC-
DC, bộ phận đo lường và bộ phận điều khiển Khi pin mặt trời được nối trực tiếp với tải, điểm vận hành của pin mặt trời được điều khiển bởi tải Tổng trở của tải được miêu tả như sau:
Trong đó, Vp, Ip là điện áp và dòng điện phát ra của pin mặt trời Tổng trở tối ưu của tải cho pin mặt trời được miêu tả như sau:
Trong hệ thống pin mặt trời, VMPP và IMPP là điện áp và dòng điện tối ưu mà pin có thể cung cấp Để đạt công suất cực đại, tổng trở tải (RLOAD) phải bằng tổng trở tối ưu của pin (ROPT) Tuy nhiên, trong thực tế, hai tổng trở này thường không bằng nhau Bộ theo dõi điểm công suất cực đại (MPPT) được sử dụng để điều chỉnh RLOAD sao cho bằng với ROPT, nhờ đó đảm bảo pin mặt trời luôn hoạt động ở điểm hiệu quả nhất.
Thông thường bộ biến đổi DC/DC (tăng áp, giảm áp) được phục vụ cho việc truyền công suất từ pin mặt trời tới tải Bộ DC/DC hoạt động như thiết bị giao tiếp giữa tải và pin mặt trời Bằng việc thay đổi độ rộng xung, tổng trở tải nhìn từ phía nguồn sẽ được thay đổi bằng với tổng trở nguồn tại điểm cực đại, vì vậy công suất cực đại được cung cấp cho tải
Hình 2.39 Sơ đồ khối của hệ thống MPPT tiêu biểu
Hình 2.40 Sơ đồ khối của hệ thống MPPT tiêu biểu
Ví dụ đối với mạch tăng áp (Boost converter), mối quan hệ giữa điện áp đầu ra và đầu vào được miêu tả như sau:
Giả sử không tổn hao công suất, ta có:
Tổng trở vào của bộ biến đổi DC-DC là:
Vì vậy, tổng trở ROUT được duy trì hằng số bằng việc thay đổi độ rộng xung, khi đó RIN nhìn từ phía nguồn sẽ được thay đổi
2.6.1 Thuật toán nhiễu loạn và quan sát P&O (Perturb and Observer)
Trong thuật toán này điện áp hoạt động của pin mặt trời (PMT) bị nhiễu bởi một gia số nhỏ ΔV và kết quả làm thay đổi công suất, ΔP được quan sát (Sivagamasundari, 2013; Chaudhari, 2005)
Hình 2.41 Đường đặc tính P-V và thuật toán P&O
Hình 2.41 mô tả nguyên lý hoạt động của thuật toán P&O, từ đó có thể suy ra cách thức 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
- Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang di chuyển theo hướng 2 (ΔP >
0 và ΔV > 0) thì cần tăng điện áp hoạt động lên để di chuyển điểm hoạt động tới điểm MPP
- Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang di chuyển theo hướng 3 (ΔP >
0 và ΔV < 0) thì cần giảm điện áp hoạt động để di chuyển điểm hoạt động tới điểm MPP
- Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang di chuyển theo hướng 4 (ΔP <
0 và ΔV > 0) thì cần giảm điện áp hoạt động để di chuyển điểm hoạt động tới điểm MPP
Hình 2.42 Lưu đồ thuật toán P&O điều khiển thông qua điện áp tham chiếu Vref Giải thích thuật toán:
Bộ điều khiển MPPT sẽ đo các giá trị dòng điện I và điện áp V, sau đó tính toán độ sai lệch ∆P, ∆V và kiểm tra:
- Nếu ∆P ∆V > 0 thì tăng giá trị điện áp tham chiếu Vref
- Nếu ∆P ∆V < 0 thì giảm giá trị điện áp tham chiếu Vref
Sau đó cập nhật các giá trị mới thay cho giá trị trước đó của V, P và tiến hành đo các thông số I, V cho chu kỳ làm việc tiếp theo
2.6.2 Thuật toán điện dẫn gia tăng INC (Incremental Conductance)
Hình 2.43 Đường đặc tính P-V và thuật toán INC
Thuật toán INC dựa trên thực tế như sau:
- Độ dốc của đường cong công suất bằng không tại điểm MPP (Chaudhari, 2005; Akihiro.Oi, 2005; Reisi, 2013; Hohm, 2003)
- Độ dốc dương ở bên trái điểm MPP
- Độ dốc âm ở bên phải điểm MPP Đặc tính P-V và thuật toán INC được minh hoạ trên hình dP/dV = 0, tại MPP dP/dV > 0, ở bên trái MPP dP/dV < 0, ở bên phải MPP
(2.33) nên ta có thể viết lại là
Lưu đồ thuật toán Hình 2.44 giải thích sự hoạt động của thuật toán INC điều khiển theo điện áp tham chiếu Các giá trị dòng điện và điện áp của PV được đo và sau đó sử dụng các giá trị tức thời và giá trị trước đó để tính toán các giá trị gia tăng của ∆I và ∆V Thuật toán sẽ kiểm tra điều kiện của phương trình ở Hình 2.44
- Nếu điểm hoạt động nằm phía bên trái điểm MPP thì chúng ta phải di chuyển nó sang bên phải bằng cách tăng điện áp của PMT
- Nếu điểm hoạt động nằm bên phải điểm MPP thì chúng ta lại phải di chuyển nó sang bên trái tức là phải giảm điện áp PMT
Hình 2.44 Lưu đồ thuật toán INC điều khiển thông qua điện áp tham chiếu Vref
được thỏa mãn(chính là các điểm MPP) thì thuật toán này sẽ bỏ qua việc điều chỉnh điện áp
Kiểm soát thuật toán phép thử là phát hiện điều kiện môi trường Nếu điểm làm việc vẫn nằm tại điểm MPP (điều kiện ΔV = 0) và điều kiện bức xạ không đổi (ΔI = 0) thì không cần điều chỉnh điện áp làm việc Khi bức xạ tăng (ΔI > 0) thì điện áp MPP giảm nên thuật toán INC phải tăng điện áp làm việc để theo dõi điểm MPP Nếu bức xạ giảm (ΔI < 0) dẫn đến điện áp điểm MPP cao hơn, phải giảm điện áp làm việc để theo dõi điểm MPP Vào chu kỳ cuối, thuật toán sẽ cập nhật lịch sử bằng cách lưu các giá trị điện áp và dòng điện hiện tại, sử dụng chúng như các giá trị trước đó cho chu kỳ tiếp theo.
Kết luận
Đồ án tổng quan về hệ thống điện mặt trời, chia thành ba loại: hòa lưới, độc lập và hỗn hợp Hệ thống hòa lưới là trọng tâm, bao gồm các thành phần như tấm pin mặt trời, bộ tăng áp và bộ nghịch lưu Đồ án cũng trình bày nguyên lý hoạt động của hai thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại MPPT là P&O và INC.
Kiến nghị
Kết quả trình bày trong đồ án mới chỉ là tìm hiểu lý thuyết về cấu tạo nguyên lý hoạt động của các thành phần trong hệ thống năng lượng mặt trời hoà lưới, qua đó để làm tiền đề cho giai đoạn tiếp theo cho phần luận văn là tính toán và mô phỏng điều khiển hệ thống điện mặt trời hoà lưới trên chương trình PSIM hoặc MatLab/Simulink.