PIN MẶT TRỜI VÀ VẤN ĐỀ TÌM ĐIỂM LÀM VIỆC CỰC ĐẠI

Nguồn phân tán Nguồn truyền thống Nguồn phi truyền thống Turbine khí tự nhiên Điện hóa Tích trữ Năng lượng tái tạo Pin nhiên liệu Ắc quy Bánh đà Quang điện Turbine gió 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG KHAI THÁC NĂNG LƯỢNG TỪ PIN MẶT TRỜI 1.1. Tổng quan hệ nguồn phân tán trong hệ thống điện Nguồn sơ cấp tạo ra năng lượng phổ biến hiện nay là hydrocarbon dựa trên nhiên liệu hóa thạch. Nguồn nhiên liệu này làm gia tăng ô nhiễm môi trường do tạo nên carbon dioxide làm môi trường ấm lên. Tương lai, nguồn nhiên liệu này cũng chỉ có một giới hạn nhất định khi đáp ứng cho các phụ tải ngày càng tăng. Những lý do này đã làm thay đổi cách nhìn nhận về năng lượng tái tạo như gió, mặt trời, thủy triều, pin nhiên liệu. Những nguồn này được biết đến như nguồn năng lượng xanh thân thiện với môi trường. Nguồn năng lượng này có thể được lắp đặt trong các khu dân cư để đáp ứng cho các phụ tải tiêu dùng trực tiếp hoặc phát vào lưới điện với tên gọi là nguồn phân tán DG (Distributed Generation). Trong hệ thống nguồn phân tán, công suất từ các nguồn này tương đối nhỏ, phân bố ở nhiều địa điểm khác nhau. Hình 1.1 cho thấy sự phân loại DG theo công nghệ. [1-2] a. Phân loại DG theo công nghệ Nguồn PV Bộ điều khiển Ắc quy Máy bơm nước Phụ tải khác Hình 1. 2. Nguồn PV trong mạng điện cô lập 2 b. Mạng điện phân tán thông minh Hình 1. 1. Nguồn DG và mạng điện phân phân tán thông minh 1.2. Phân loại hệ thống khai thác nguồn PV 1.2.1. Hệ thống cô lập Hình 1.2 cho thấy có thể sử dụng tấm pin mặt trời để hoạt động cho các máy bơm nước, nạp điện cho ắc quy hoặc các phụ tải lân cận khác. [1] 3 1.2.2. Hệ thống ghép Nguồn pin mặt trời độc lập đã thể hiện nhược điểm là bị mất hoàn toàn vào những thời điểm không có bức xạ mặt trời. Vào những thời điểm này, các phụ tải vẫn yêu cầu được cấp điện nên cần phải có các nguồn khác thay thế hình 1.3. [1] a. PV-diesel nối tiếp b. PV diesel chuyển đổi c. PV-diesel song song Hình 1. 2. Hệ thống PV ghép 4 1.2.3. Nguồn PV kết nối lưới Đối với nguồn PV kết nối lưới, các tấm pin mặt trời có thể liên kết với nhau để tạo ra công suất đủ lớn. Điều này có thể thấy trên hình 1.4. [1] a. Bộ nghịch lưu tập trung b. Nhiều bộ DC/DC c. Nhiều bộ nghịch lưu Hình 1. 3. Nguồn PV kết nối lưới qua các bộ biến đổi 5 1.3. Mục tiêu nghiên cứu Trong mục 1.2 ở trên, ta thấy rằng mỗi dạng khai thác năng lượng từ pin mặt trời có những đặc điểm riêng, đáp ứng cho các yêu cầu riêng. Cho đến nay, kỹ thuật ghép nối pin mặt trời vào lưới điện thông qua các bộ biến đổi cũng là một vấn đề hết sức quan trọng và vẫn còn nhiều bài toán cần giải quyết như góc phát, tần số, module để hòa lưới phù hợp nhất. Trong khi bài toán khai thác trong mạng điện cô lập với vấn đề khai thác điểm làm việc cực đại lại mang một ý nghĩa quan trọng khác để khẳng định lợi ích của kỹ thuật khi đem lại cho lợi ích kinh tế. Bản thân chi phí đầu tư cho tấm pin mặt trời thương mại hiện nay là khá lớn, nếu không được sự ủng hộ của các nhà làm chính sách như trợ giá, tăng cường đầu tư công để làm cho chi phí trên một đơn vị điện năng giảm xuống thì pin mặt trời khó có thể phổ biến và cạnh tranh được với các nguồn năng lượng khác. Hiện nay, hiệu suất chuyển đổi từ quang năng thành điện năng khá thấp nên khai thác được hết phần năng lượng điện khả dụng cũng đem lại khả năng thích nghi cao hơn cho loại nguồn này trong hệ thống điện. Do đó, luận văn sẽ tập trung vào việc dò tìm điểm làm việc cực đại, vấn đề khai thác năng lượng từ pin mặt trời thông qua các bộ biến đổi. 6 CHƯƠNG 2 PIN MẶT TRỜI VÀ VẤN ĐỀ TÌM ĐIỂM LÀM VIỆC CỰC ĐẠI 2.1. Cấu tạo nguyên lý hoạt động của pin mặt trời [1-5] 2.1.1. Cấu tạo Pin mặt trời được sản xuất từ chất bán dẫn silic tinh khiết. Để làm pin Mặt trời từ bán dẫn tinh khiết phải làm ra bán dẫn loại n và bán dẫn loại p rồi ghép lại với nhau cho nó có được tiếp xúc p - n. 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 tới 16%. Chúng thường rất mắc tiền do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module. - 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 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. - 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 từ thỏi silicon. 2.1.2. Nguyến lý hoạt động - Nguyên lý hoạt động: Pin mặt trời làm việc theo nguyên lý biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện. - Khi tiếp giáp p-n nhận tia bức xạ mặt trời, điện tử ở vùng hóa trị hấp thụ năng lượng photon hv và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn điện tử - lỗ trống e - - h + , 7 nghĩa là tạo ra một điện thế. Hiện tượng này gọi là hiệu ứng quang điện bên trong. Hình 2. 1. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời. 2.2. Mô hình hóa pin mặt trời [2] 2.2.1. Mô hình phi tuyến a. Sơ đồ thay thế 8 b. Đường cong V-I và đường cong P-V Hình 2. 2. Mô hình phi tuyến một diode 2.2.2. Mô hình tuyến tính từng đoạn Mô hình này được mô tả trên hình 2.3 vẫn bao gồm một điện trở nối tiếp R S , R p và các diode. a. Sơ đồ thay thế b. Đường cong V-I và đường cong P-V Hình 2. 3. Mô hình tuyến tính từng đoạn 2.2.3. Mô hình hình chữ nhật a. Sơ đồ thay thế 9 b. Đường cong V-I và đường cong P-V 2.2.4. Các bước mô tả toán học 2.3. Các đặc trưng của pin mặt trời 2.3.1. Các thông số của pin mặt trời 2.3.1.1. Thông số rút ra từ đường cong I-V Điểm công suất tối đa: Là điểm hoạt động ở vị trí (Vmax, Imax) nơi điện trở tiêu tán một cách tối đa. P max = I max .V max (2- 11) Hiệu suất : là tỷ số giữa công suất Pmax với công suất tới của ánh sáng mặt trời. η = = (2- 12) Trong đó: G a Cường độ bức xạ của môi trường xung quanh. Hệ số điền đầy: Là tỷ số giữa công suất P max có thể truyền qua tải với cống suất đầu ra. FF= = (2- 13) Khả năng điền đầy là một biện pháp của đặc tính I-V khả năng điền đầy có thể lớn hơn 0.7 với pin năng lượng tốt. Khi nhiệt độ giảm đi đông nghĩa với khả năng điền đầy kém đi. 2.3.1.2. Dòng ngắn mạch I sc Hình 2. 4. Sơ đồ tương đương pin mặt trời khi xét chế độ ngắn mạch và hở (2- 14) 10 2.3.1.3. Điện áp hở mạch V oc Thế hở mạch V OC là hiệu điện thế được đo khi mạch ngoài của pin mặt trời hở mạch (R = ∞). Khi đó dòng mạch ngoài I = 0. Đặt giá trị đó của dòng mạch ngoài vào (2.14) và giả thiết R sh rất lớn ta được biểu thức xác định V OC như sau: 2.3.2. Sự ảnh hưởng của cường độ bức xạ và nhiệt độ đến chế độ làm việc của nguồn PV [5] Hình 2. 5. Sự thay đổi của đường cong V-I và P-V theo cường độ bức xạ Hình 2. 6. Sự thay đổi của đường cong V-I và P-V theo nhiệt độ 2.4. Ghép nối khối pin mặt trời 2.4.1. Ghép nối tạo module Để đưa năng lượng mặt trời dưới dạng nặng lượng bức xạ vào quá trình quang năng biến đổi thành năng lượng được thực hiện bằng cách chế tạo các cell PV rồi kết nối lại thành các module từ các module ta kết nối thành các array theo nhiều phương pháp khác nhau nhằm đạt được điện áp đầu ra theo mong muốn. [...]... cỏc module pin mt tri ging nhau b Ghộp ni tip cỏc module khụng ging nhau 2.4.2.2 Ghộp song song cỏc module a Ghộp song song cỏc module pin mt tri ging nhau b Ghộp song song cỏc module khụng ging nhau 2.5 S tn ti ca im lm vic cc i Xột mt ng c trng VA ca pin mt tri i vi mt cng bc x cho trc v nhit xỏc nh Nu cỏc cc ca pin mt tri c ni vi mt ti tiờu th in R thỡ im ct nhau ca ng c trng VA ca pin mt tri... tri v ng c trng ca ti trong to OIV l im lm vic ca pin mt tri Nu ti tiờu th in ca mt pin mt tri l mt ti in tr Ohm thun, thỡ ng c trng ti l mt ng thng qua gc to v cú nghiờng i vi trc OV v tg = 1/R trờn (hỡnh 2.22) (theo nh lut Ohm ta cú I = V/R) Trong trng hp ny, cụng sut pin mt tri cp cho ti ch ph thuc vo giỏ tr in tr R Trong to OIV, cụng sut pin mt tri cp cho ti R bng din tớch hỡnh ch nht gii... lm vic v im lm vic cụng sut cc i 14 CHNG 3 H THNG KHAI THC NGUN PIN MT TRI C LP 3.1 Mụ hỡnh h thng khai thỏc Mụ hỡnh khai thỏc nng lng t ngun pin mt tri c lp c cho trờn hỡnh 3.1 [10-11] B theo dừi im lm vic cc i Mt tri Tớn hiu iu khin Ph B bin i DC/DC B bin i DC/AC ti xoay chiu Tm pin mt tri Ph ti mt chiu Hỡnh 3 1 Mụ hỡnh khai thỏc ngun pin mt tri c lp Cỏc thnh phn trong s nh sau: B bin i DC/DC: bin... cỏc dn pin cú b nh hng s cn cụng sut t nh hn so vi cỏc dn pin lp c nh m vn sn ra cựng mc in nng 20 Hỡnh 3 10 C cu iu chnh gúc nghiờng cho tm pin mt tri Phng phỏp iu chnh ny cú nhc im l ũi hi phi cú tớnh toỏn khỏ phc tp, tn nng lng cho vic iu chnh gúc nghiờng v gúc quay nờn thng ch ỏp dng cho nh mỏy in ln 3.3.2 iu chnh im lm vic trờn ng cong c tớnh [7] Do cú s tn ti ca 1 im trờn ng cong I-V ca pin mt... 27 CHNG 4 THIT K THC NGHIM H THNG KHAI THC PIN MT TRI S DNG THUT TON INC 4.1 Xõy dng mụ hỡnh H thng c thit k õy l mng in cụ lp cú s dng cỏc tm pin mt tri (hỡnh 4.1) Nhim v ca cỏc tm pin mt tri l cp ngun cho mch iu khin, cp nng lng np in cho c quy vo nhng thi im cú bc x mt tri c quy s cp in cho ốn chiu sỏng H thng theo dừi, iu khin v hin th thụng tin u i Tm pin mt tri u i B bin i DC/DC ốn chiu sỏng... vn hnh ca h thng luụn ri vo im cụng sut cc i ca tm pin mt tri Hin nay, khai thỏc im cc i ny thỡ cú th thc hin xoay dn pin theo hng mt tri hoc iu khin b bin i DC/DC thụng qua tớn hiu iu khin Cng tựy theo phng phỏp iu khin m tớn hiu u vo cú th khỏc nhau iu ny s c lm rừ trong cỏc mc tip theo 3.2 B bin i v vn iu khin b bin i trong h thng khai thỏc ngun pin mt tri 15 3.2.1 B bin i DC/DC I 1 I 0 V 1 V 0... trng VA ca pin mt tri v ng cụng sut khụng i (ng cụng sut khụng i IV=const l cỏc ng hypecbol) Gớa tr ca in tr ti ti u R OPT c xỏc nh t cỏc th v dũng ca nú theo nh lut Ohm: (2- 40) - iu kin cng bc x khụng i v nhit cho trc cú: Nu in tr ti R nh, R < Ropt, pin mt tri s lm vic trong min MN (hỡnh 2.22) l min m cng dũng in gn nh khụng i v gn bng dũng ngn mch ISC 13 - Nu in tr ti R ln, R > Ropt, pin mt tri... hỡnh kt ni mt h thng PV Trong thc t vi mi mt cell PV ch cú th to ra mt in ỏp u ra ớt hn 1V (thng l 0.5V hay 0.6V) cho mi tinh th silicon (Si) ca pin PV ỏp ng c in ỏp u ra cỏc Pin PV c kt ni li vi nhau cú th t c mc in ỏp u ra theo yờu cu thit k Khi kt ni li cỏc Pin PV c t li trong mt khung (khi) chỳng c gi l module Hỡnh 2 8 Cỏc module PV bao gm chi nhỏnh NPM song song, mi NSM cỏc t bo nng lng mt tri trong... các xung hình chữ nhật cùng biên độ tơng đơng với sóng hình sin a) sóng hình sin b) đồ thị sóng tơng đơng của SPWM b Nguyờn lý lm vờc Hỡnh 3 9 Phơng pháp điều chế độ rộng xung và đồ thị kiểu một cấp a)Sóng truyền tải tam giác và sóng điều chế hình sin b)Đồ thị sóng đầu ra SPWM 19 c Quan h gia in ỏp u ra v rng xung ca b nghch lu Trong h thng iu tc bin tn, ng c ph ti c dn ng nh tip nhn in ỏp u ra ca... min PS (hỡnh 2.22), vi hiu in th gn nh khụng i v bng th h mch VOC Rừ rng l pin mt tri ch lm vic cú hiu qu khi ti tiờu th in cú giỏ tr lõn cn ROPT iu ny khụng phi lỳc no cng d dng t c bi vỡ im lm vic ngay i vi mt mỏy tiờu th in cng thay i Ngoi ra bc x mt tri v nhit ca mụi trng thay i liờn tc theo thi gian, nờn ng c trng VA ca pin mt tri cng thay i v do ú lm dch chuyn im lm vic ra khi im lm vic ti u . sẽ tập trung vào việc dò tìm điểm làm việc cực đại, vấn đề khai thác năng lượng từ pin mặt trời thông qua các bộ biến đổi. 6 CHƯƠNG 2 PIN MẶT TRỜI VÀ VẤN ĐỀ TÌM ĐIỂM LÀM VIỆC CỰC ĐẠI 2.1. Cấu. tối ưu. Hình 2. 10. Điểm làm việc và điểm làm việc công suất cực đại Tấm pin mặt trời Bộ biến đổi DC/DC Bộ theo dõi điểm làm việc cực đại Phụ tải xoay chiều Tín hiệu điều khiển Mặt trời Hình 3. 1 (về biên độ và tần số). Bộ theo dõi điểm làm việc cực đại: làm cho điểm vận hành của hệ thống luôn rơi vào điểm công suất cực đại của tấm pin mặt trời. Hiện nay, để khai thác điểm cực đại này thì