Nâng cao hiệu suất pin năng lượng mặt trời kết hợp với hệ thống bơm nước tưới

Các hệ thống pin mặt trời công suất vừa và nhỏ có thể vận hành độc lập sẽ là những hệ thống năng lượng điện phù hợp cho việc cung cấp điện cho các vùng mà lưới điện khó có thể cung cấp được. Bài báo này đề xuất phương pháp nghiên cứu tối đa hóa công suất hệ thống mặt trời công suất nhỏ và vận hành độc lập dùng trong bơm nước tưới tiêu bằng cách vừa biến đổi điện áp vừa thay đổi tổng trở tải. Kết quả nghiên cứu ban đầu đã được thực nghiệm dựa trên mô phỏng trên PSIM và một mô hình thực tế sử dụng 3 động cơ DC.

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 NÂNG CAO HIỆU SUẤT PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KẾT HỢP VỚI HỆ THỐNG BƠM NƯỚC TƯỚI ENHANCE ENERGY SOLAR CELL WITH COMPATIBILITY WATER PUMP SYSTEM Lương Xuân Trường1, Nguyễn Tùng Linh2,*, Trương Việt Anh1 TÓM TẮT Các hệ thống pin mặt trời cơng suất vừa nhỏ vận hành độc lập hệ thống lượng điện phù hợp cho việc cung cấp điện cho vùng mà lưới điện khó cung cấp Bài báo đề xuất phương pháp nghiên cứu tối đa hóa cơng suất hệ thống mặt trời cơng suất nhỏ vận hành độc lập dùng bơm nước tưới tiêu cách vừa biến đổi điện áp vừa thay đổi tổng trở tải Kết nghiên cứu ban đầu thực nghiệm dựa mô PSIM mơ hình thực tế sử dụng động DC Từ khóa: Hệ thống bơm nước dùng pin mặt trời; dò điểm cơng suất cực đại; biến đổi điện áp DC - DC; động chiều; điều khiển ổn áp ABSTRACT Independent PV system with small and moderate power is the suitable solution for thsese areas, which are far away from the grid This paper propose a new method to optimize the power of the small independent PV systems for irrigation by combining voltage converter with load impedance adjustment The initial results are tested on a PSIM simulation model and one prototype using DC motors Keywords: PV pumping system, MPPT, DC - DC converter, DC motor, voltage regulator Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật TP.HCM Trường Đại học Điện lực * Email: linhnt@epu.edu.vn Ngày nhận bài: 05/10/2019 Ngày nhận sửa sau phản biện: 18/12/2019 Ngày chấp nhận đăng: 20/12/2019 không lưu trữ phù hợp hệ thống bơm nhiên liệu hóa thạch Vấn đề lớn việc sử dụng pin quang điện để lấy công suất cực đại, đặc điểm công suất phát phụ thuộc vào điều kiện môi trường pin Hiện phương pháp dò điểm cực đại phổ biến biến đổi điện áp [2] Một so sánh giải thuật MPPT đơn giản thể [3] cho thấy phương pháp dò theo đạ hàm ΔP/ΔV tối ưu phương pháp khảo sát Tuy nhiên, công suất phát ngày pin mặt trời biến động mạnh, dẫn tới việc phải lựa chọn thiết bị bơm có phạm vi điện áp hoạt động lớn tương ứng Điều kiện trở nên bất khả thi với thiết bị dân dụng đồng thời hiệu suất động bị giảm mạnh Bài báo [3] đề xuất phương án kết hợp với acquy để tạo bus DC ổn áp mà thu công suất tối đa Nhược điểm phương pháp chi phí dầu tư chi phí vận hành tăng lên phải thay acquy Chính vậy, báo đề xuất phương án chia tải thành nhiều động vừa dò điểm cực đại biến đổi điện áp vừa thay đổi số động tùy vào cường độ xạ MƠ HÌNH BÀI TỐN Hệ thống đề xuất mơ tả hình Trong đó, điều khiển đóng vai trò điều khiển tham số: Hệ số biến đổi điện áp số đợng tải, động lại nối trực tiếp với hệ thống Số động hoạt động phụ thuộc vào công suất lớn nguồn phát M2 GIỚI THIỆU Cùng với biến đổi khí hậu phát triển đập thủy điện biên giới Việt Nam, nhu cầu cung cấp nước tưới tiêu cho nơng nghiệp ngày gặp khó khăn hệ thống tưới tiêu cho vùng sâu vùng xa đồng sơng Cửu Long khơng đủ khả tự chảy [1] Vì vậy, để đảm bảo nước cho khu vực cần có hệ thống tưới tiêu có chi phí thấp hiệu Tuy nhiên, việc kéo điện để lập trạm bơm hệ thống dẫn nước vùng cần có chi phí lớn Việc xây dựng trạm bơm lưu động, công suất nhỏ tỏ phù hợp với nhu cầu kinh phí người dân địa phương Các hệ thống pin quang điện (PV) độc lập, 10 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ● Số 55.2019 M1 M3 S1 S2 Bộ điều khiển Hình Sơ đồ khối hệ thống 2.1 Mơ hình Pin mặt trời Một module pin mặt trời gồm nhiều tế bào quang điện ghép nối tiếp song song với Mơ hình tốn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 tế bào quang điện thường sử dụng mơ hình diode hình Nguồn phát nguồn dòng mắc song song ngược với diode điện trở mắc nối tiếp song song đại diện cho tổn hao pin Áp dụng định luật Kirchhoff ta có cơng thức cho cell sau: (1) Ipv  Iph  Id  IRsh Từ (1) ta tổng quát thành công thức cho module pin mặt trời: Ipv  NP Iph  P1.E[1 P2 (E  Eref )  P2 (TTC  Tref ) V )  1]  NP Irs [ exp( A.NS VT (2) Trong đó, Np Ns số pin mắc nối tiếp song song với nhau, Iph dòng điện tạo hiệu ứng quang điện phụ thuộc vào cường độ xạ, q điện tích electron (1,02.10-19C), A hệ số lý tưởng diode T nhiệt độ môi trường (oC) Hình Mơ hình tế bào quang điện Hình Điểm hoạt động hệ PV Để đơn giản, việc mơ hình hóa hệ thống PV thường sử dụng với tải trở Hình biểu diễn quan hệ tải đặc tuyến điển hình pin PV Điểm làm việc hệ thống giao điểm đường I - V pin đường đặc tính tải (I = U/R) 2.2 Dò điểm cực đại Pin mặt trời Hình Sơ đồ tương đương pin mặt trời nối tải Áp dụng phép biến đổi tương đương Thevenin Norton, mơ hình tương đương chia làm hai trường hợp Trường hợp 1, điện áp Rsh lớn điện áp phân cực thuận diode, diode dẫn, Ipv = Ngược lại, diode khơng dẫn, biến đổi nguồn dòng Iph thành nguồn áp ta có sơ đồ hình với: (3) E  Iph R sh Rin  Rsh  Rs (4) Công suất tiêu thụ tải tính cơng thức: PL  U.I  ( E RL ) RL  E Rin  RL (R s  RL ) (5) Điều kiện cần để công suất tải đạt cực đại đạo hàm PL 0: P 'L   E R s  RL (R s  RL )   Rin  RL (6) Công thức điều kiện để đạt công suất cực đại pin với Rs nội trở pin PV ứng với xạ nhiệt độ thời điểm t Tuy nhiên, tthực tế điều kiện môi trường (bức xạ nhiệt độ) biến thiên liên tục theo thời gian Nói cách khác, nội trở Rin số Ý nghĩa tốn dò điểm cơng suất cực đại (MPPT) biến đổi tổng trở tải cho điện trở biến đổi có giá trị với Rin thời điểm xét Hiện nay, phương pháp phổ biến biến đổi điện áp 2.3 Sử dụng biến đổi điện áp DC Khi đặt biến đổi điện áp DC - DC làm mạch trung gian nguồn pin mặt trời tải, ta quy đổi tồn mạch điện phía sau tấm pin thành điện trở tương đương RL’ với công suất vào công suất ngõ mạch DC - DC số Việc tính tốn biến đổi điện trở tương đương hệ thống tương tự máy biến áp Ta có sơ đồ khối hệ thống hình 5, điện áp đặt pin U1, dòng điện từ pin vào biến đổi I1, điện áp dòng điện tải U2, I2 Hình Sơ đồ khối biến đổi điện áp nối pin mặt trời Điện trở tương đương tải nhìn từ pin: RL '  U1 U2 / k U2 RL    I1 k.I2 I2 k k (7) Như vậy, thay đổi tỉ số điện áp k, điện trở tương đương nối với pin PV đồng thời thay đổi Ta điều chỉnh cơng suất tải cách thay đổi hệ số k Đối với mạch tăng áp hình 6, hệ số k điều chỉnh cách thay đổi thời gian dẫn khóa điện chu kỳ Quan hệ điện áp tính theo cơng thức: k U2  U1  D (8) Với D hệ số chu kỳ khóa điện (%) No 55.2019 ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 11 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 2.4 Thay đổi tải Nhờ biến đổi điện áp MPPT, hệ thống thu cơng suất cực đại thời gian ngắn Tuy nhiên, việc sử dụng biến đổi điện áp có nhược điểm lớn điện áp tải thay đổi mạnh, thiết bị dân dụng công suất nhỏ thường có tầm điện áp hoạt động bé, tầm điện áp tạo rào giới hạn mặt công suất không để thiết bị hư hỏng áp P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO HIỆU SUẤT PIN MẶT TRỜI KẾT HỢP VỚI BƠM NƯỚC Start Đo V(k), I(k) P(k) = V(k).I(k) − ( − 1) 100 ( ) − ( − 1) 100 ( ) ∆ = ∆ = ∆ D= ≥2 − xl = Hình Đồ thị P - V thay đổi tải Để điện áp nằm phạm vi cho phép mà có cơng suất lớn nhất, phương pháp chia phụ tải thành nhiều tải nhỏ sử dụng Trong nghiên cứu này, tính phức tạp tác động trình độ khởi động động không xét đến Giả sử hệ thống chạy với n động cơ, gọi U(n) điện áp tải với số động hoạt động n Ta có điều kiện để bật thêm động điện áp tải lớn giá trị cho phép: U(n) > 1,1Uđm Điều kiện để cắt giảm số động thiếu áp: U(n) < 0,6Uđm Tuy nhiên, muốn đạt hiệu suất tối đa càn thỏa mãn điều kiện điện áp động điện áp lớn phạm vi cho phép Hay nói cách khác, n giảm động không bị áp U(n - 1) < 1,1Uđm Giả sử đặc tính động tuyễn tính nhau, ta được: n n U(n1)  Un  Un  1, 1Udm n 1 n 1 (9) n 1  Un  1, 1Udm n Hệ thống cần phải cắt giảm tải thỏa mãn hai điều kiện Ngoài ra, ứng dụng điều khiển động cơ, cường độ xạ xuống thấp, điện áp đặt vào đầu cực động giảm theo khơng có đủ cơng suất từ nguồn mặt trời Như vậy, momen sinh bị giảm đáng kể Với hệ thống lượng mặt trờ nhỏ không sử dụng acquy, sử dụng động có khả không khởi động Điều dẫn đến hiệu suất hệ thống thấp tính tốn hoạt động mức xạ trung bình trở lên Do vậy, mơ hình báo đề xuất lựa chọn kết hợp hai phương án vừa sử dụng mạch biến đổi điện áp vừa linh hoạt thay đổi số động 12 Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ● Số 55.2019