Hình 2.15 Sơđồ tương đương đơn giản của pin mặt trời gồm một nguồn dòng mắc song song với một diode lý tưởng.
Dòng ngắn mạch ISC là dòng điện trong mạch của pin mặt trời khi làm ngắn mạch ngoài (chập các cực ra của pin). Lúc đó hiệu điện thế mạch ngoài của pin bằng V = 0 .Đặt giá trị V = 0 vào phương trình (2.2) ta được:
ISC = Iph – IS(exp – 1) – (2.3)
Ở các điều kiện chiếu sáng bình thường (không có hội tụ) thì hiệu ứng điện trở
nối tiếp RS có thể bỏ qua, và Id =0 và do đó có thể suy ra :
ISC =Iph = α.E (2.4)
Trong đó : E :là cường độ sáng
α :là hệ số tỷ lệ
Ởđiều kiện bình thường dòng ngắn mạch của pin mặt trời tỉ lệ thuận với cường
độ bức xạ chiếu sáng.
2.2.3 Điện áp hở mạch VOC :
Áp hở mạch VOC là hiệu điện thếđược đo khi mạch ngoài của pin mặt trời hở (R=∞). Khi đó dòng mạch ngoài I = 0 .Đặt giá trịđó của dòng mạch ngoài vào (2.2) và giả thiết Rsh rất lớn ta được biểu thức xác định VOC như sau :
VOC = ln (2.5)
Hình 2.16 Đồ thị V-A của pin mặt trời.
Ví dụ: xét pin mặt trời có : Tiết diện 100cm2
Dòng bão hòa của diode I0 = 10-12 A/cm2
Dòng ngắn mạch ISC = 40 mA/cm2ở 250C Dòng bão hòa: Is = 10-12 . 100 = 10-10 A Dòng ngắn mạch: ISC = 40.10-3.100 = 4 A (full sun, 100% bức xạ) ISC = 2 A (half sun, 50% bức xạ) Từ công thức (2.5), ta có áp hở mạch: VOC = ln = ln (full sun) = 0.627 (V) VOC = 0.610 (V) (half sun).
Hình 2.17 Đồ thị V-A của ví dụ trên.
2.2.4 Mạch điện tương đương chính xác:
Với mô hình như khi ta đang khảo sát hai giá trị dòng ngắn mạch Isc và áp hở
mạch Voc thì trong một vài trường hợp mô hình không còn đúng nữa. Ví dụ như
trường hợp sau :
Hình 2.18 Mô hình đơn giản với một pin bị khuất sáng.
Như hình 2.18 là mô hình đơn giản của 2 pin mặt trời mắc nối tiếp nhau nhưng chỉ có 1 pin được chiếu sáng, pin còn lại bị khuất hẳn. Khi đó chỉ có một pin có dòng, pin bị khuất sáng thì hoàn toàn không có (I=0). Mặt khác, diode của các mô hình trên ngăn không cho dòng chạy ngược qua tấm pin bị khuất sáng nên dòng qua tải lúc này I=0. Điều này đòi hỏi ta phải xây dựng một mô hình hoàn chỉnh hơn, phù hợp với tất cả các trường hợp khảo sát thực tế.Qua nghiên cứu người ta đã xây dựng các sơđồ
tương đương sau :
- Sơđồ có điện trở Rsh mắc song song với diode. - Sơđồ có điện trở Rs mắc nối tiếp.
Hình 2.19 Sơđồ tương đương đơn giản với Rsh mắc song song.
Ta có : I = (ISC – Id) – (2.6)
Từ công thức trên ta thấy dòng điện lý tưởng mà pin mặt trời cấp cho tải bị giảm di một lượng bằng V/Rsh. Để tổn hao trên pin nhỏ hơn 1% thì giá trị của Rsh thỏa điều kiện:
Rsh > (2.7)
Với ISC = 4A, VOC khoảng 0,6V thì điện trở Rsh có giá trị khoảng 16Ω là tốt nhất. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 2.20 Đồ thị V-A của sơđồ tương đương có Rsh mắc song song.
Với sơđồ tương đương như hình 2.21 ta có : I = ISC – Id = ISC – I0(eqVd/KT – 1) (2.8) Vd = V + I.RS (2.9) Thế Vd vào công thức 2.8 ta có : I = ISC – I0{exp[ ] – 1} (2.10) Hình 2.22 Đồ thị V – A của mạch điện tương đương có Rs mắc nối tiếp.
Từ hình 2.22 ta thấy đồ thị V – A bị lệch nghiêng về phía bên tráin với một lượng là ∆V = I.Rs. Để tổn hao của pin mặt trời nhỏ hơn 1% thì Rs phải thỏa điều kiện:
Rs < (2.11)
Với ISC = 4A, VOC khoảng 0,6V thì điện trở Rsh có giá trị khoảng 0.0015Ω là tốt nhất.
Cuối cùng, ta xét sơđồ tương đương gồm cảđiện trở mắc song song Rsh và điện trở mắc nối tiếp Rs.
Từ các công thức 2.6, 2.9 và 2.10 ta có công thức :
I = ISC – I0{exp[ ] – 1} – (2.12)
Ởđiều kiện chuẩn là 250C :
I = ISC – I0[e 38,9(V + I.Rs) – 1] – (V + I.Rs) / Rsh (2.13)
Hình 2.24 Đồ thị V – A của sơđồ tương đương trên với Rsh = 1Ω, Rs = 0,05Ω.
Trong thực tế pin mặt trời có Rsh cao hơn nhiều, vào khoảng 300Ω, Rs có giá trị
khoảng 0,01Ω. Khi đó đường biểu diễn đồ thị V – A sẽđược cải thiện hơn. Ta sẽ khảo sát đồ thị này trong phần mô phỏng.
2.2.5 Tấm pin mặt trời:
Hình 2.25 Mắc nối tiếp hoặc song song các pin mặt trời tạo thành tấm hay kết nối các tấm pin lại tạo thành mảng đểđạt công suất cao hơn.
Hình 2.26 Đồ thị V - A của một tấm pin mặt trời.
Tấm pin mặt trời trên gồm 36 cell xếp thành 9 cột và 4 hàng. Trong đó,4 cell trong cột mắc nối tiếp với nhau và 9 cột mắc song song với nhau.
Hình 2.27 Khi mắc nối tiếp các tấm pin mặt trời, dòng ngắn mạch của hệ thống sẽ bằng dòng ngắn mạch của một tấm, áp hở mạch của hệ thống bằng tổng áp hở
Hình 2.28 Khi mắc song song các tấm pin mặt trời, dòng ngắn mạch của hệ thống sẽ bằng tổng dòng ngắn mạch của tất cả tấm pin mặt trời trong hệ thống, áp hở
mạch của hệ thống bằng áp hở mạch của một tấm.
2.2.6 Điểm công suất cực đại MPP(max power point) :
Hình 2.29 Pin mặt trời khi hở mạch, ngắn mạch và mắc với tải.
Ta xét một tấm pin mặt trời trong điều kiện chuẩn.
Trong trường hợp hở mạch, áp ra của pin mặt trời là áp hở mạch VOC, nhưng dòng I=0 nên công suất của pin P = 0.
Trong trường hợp ngắn mạch, V = 0, I = ISC nên công suất của pin P = 0.
Khi mắc tải vào pin thì giá trị dòng, áp khác 0 hay pin cấp nguồn cho tải với công suất là P.
Từđồ thị trên ta thấy, tại hai điểm đầu cuối của đồ thị V – A ứng với hai điểm ISC
và VOC , P = 0. Điểm công suất cực đại (MPP) nằm gần đoạn gấp khúc của đồ thị V – A, là điểm mà tại đó tích của giá trịđiện áp và dòng điện là cực đại. Giá trịđiện áp và dòng điện tại điểm công suất cực đại được ký hiệu là Vm và Im trong tất cả các điều kiện khảo sát, VR và IR (rated voltage : áp định mức và rated current : dòng định mức) trông điều kiện khảo sát lý tưởng.
Hình 2.31 Xác định điểm MPP.
Một cách khác để hình dung ra được vị trí của điểm công suất cực đại là đi tìm hình chữ nhật nằm dưới đường đồ thị V – A có diện tích lớn nhất có thể nhưở hình 2.31. Diện tích của những hình chữ nhật đó chính là công suất ứng với một đỉnh nằm trên đường đồ thị V – A. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Công chức tính công suất của pin mặt trời :
P = V.I = V.[ISC – I0.(exp – 1)] (2.14)
Tại điểm công suất cực đại :
= 0 = ISC – I0.[exp – 1] – . I0. exp (2.15)
Từ công thức trên ta có giá trị dòng điện và điện áp tại điểm cực đại là:
Im = ISC – I0.[exp – 1] (2.16)
2.2.7 Hệ số lấp đầy và hiệu suất của pin mặt trời:
Một thông sốđặc trưng khác của pin mặt trời vẫn thường được sử dụng, đó là hệ
số lấp đầy. Hệ số lấp đầy FF (fill factor) là tỷ số giữa công suất cực đại PR = VR.IR và tích số VOC.ISC :
FF = (VR.IR) / ( VOC.ISC ) (2.18)
Nhưở hình 2.31, hệ số lấp đầy là tỉ số diện tích của hai hình chữ nhật ứng với
điểm MPP và hình chữ nhật ứng với điểm (VOC,ISC).
Hiệu suất của pin mặt trời η là tỉ số giữa công suất cực đại của pin và công suất bức xạ mặt trời trên diện tích bề mặt của pin.
η = = FF. =FF. (2.19)
Trong đó E: cường độ bức xạ mặt trời (W/m2) A: diện tích bề mặt của pin mặt trời (m2)
2.2.8 Mô phỏng pin mặt trời:
Phương trình đặc trưng Volt – Ampere của pin mặt trời : I = Iph – Id – Ish = Iph – IS[exp – 1] –
Từ sơđồ tương đương và công thức trên ta xây dựng sơđồ mô phỏng sau bằng
chương trình Bond-Graph:
Hình 2.32 Mô hình Bond-Graph của pin mặt trời.
Công thức của mô hình Diode:
Hình 2.33 Mô hình nguồn dòng và tải.
Chọn các thông số của pin: (khảo sát trong điều kiện chuẩn E = 1000W/m2)
Dòng bão hòa IS = 10-10 (A)
Nhiệt độ t = 250C, T = 298K
Diode xem như lý tưởng với n = 1
Dòng ngắn mạch ISC = Sf = 4 (A)
Rsh = 300Ω, RS = 0.01Ω
Từ các thông sốđã chọn, ta có giá trịđiện áp hở mạch:
VOC = ln = ln (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
= 0.627 (V)
Hình 2.35 Đường đặc tuyến V-A, đồ thị công suất và điểm cực đại công suất MPP.
Để khảo sát sự phụ thuộc của pin mặt trời vào cường độ ánh sáng, ta lần lượt thay đổi các giá trị cường độ ánh sáng mặt trời từ 1000, 800, 500, 300 và 150 (W/m2). Ta có kết quả mô phỏng như sau:
Hình 2.36 Đồ thị V – A với sự thay đổi của cường độ ánh sáng.
Từđồ thị 2.36 ta thấy cường độ dòng điện I cung cấp cho tải giảm tuyến tính theo cường độ ánh sáng E khi E giảm, đúng theo công thức 2.4: ISC = α.E.
Nhiệt độ môi trường ảnh hưởng rất lớn đến điện áp , dòng điện và công suất của pin mặt trời. Các đại lượng trên phụ thuộc vào nhiệt độ theo các công thức sau:
I = I25°C(1 + αI.∆T) (2.21)
V = V25°C – αV.∆T (2.22)
P = P25°C(1 + αI.∆T) (2.23)
Khi mô phỏng ta có kết quả sau:
Hình 2.37 Đặc tuyến V – A dưới sự thay đổi của nhiệt độ.
Từđồ thị 2.37 ta thấy khi nhiệt độ tăng thì điện áp giảm khá lớn trong khi dòng
điện tăng không đáng kể.
Hình 2.39 Đồ thị V – A khi các pin được mắc song song.
2.3 Mạch biến đổi DC-DC:
Hình 2.40 Sơđồ mạch sạc acquy từ hệ thống pin mặt trời dùng mạch Cuk Converter.
2.3.1 Mạch Cuk converter:
Mạch biến đổi DC – DC là bộ phận nhận nguồn vào DC và cho nguồn ra cũng DC nhưng điện áp đầu vào và đầu ra khác nhau. Mạch biến đổi DC-DC được sử dụng
đểđiều khiển công suất.
Có rất nhiều loại mạch DC – DC, mỗi loại thiên về một ứng dụng khác nhau: - Buck converter: bộ giảm áp, điện áp ngõ ra nhỏ hơn điện áp ngõ vào.
- Boost converter: bộ tăng áp, điện áp ngõ ra lớn hơn điện áp ngõ vào.
- Buck – Boost converter: bộ tăng – giảm áp, điện áp ngõ ra có thể lớn hơn hay nhỏ hơn điện áp ngõ vào tùy người sử dụng.
Đểđiều khiển nạp acquy từ hệ thống pin mặt trời ta sử dụng mạch Cuk là mạch biến đổi DC-DC tăng - giảm áp.
Hình 2.41 Sơđồ mạch nguyên lý.
Khi MOSFET dẫn, điện áp ngõ vào đặt lên cuộn cảm L1,dòng qua L1 tăng dần theo thời gian, năng lượng được tích lại trên L1. Khi Q1 ngắt, điện cảm có khuynh hướng duy trì dòng điện qua nó sẽ tạo điện áp cảm ứng đủđể diode phân cực thuận, dòng điện này sẽ nạp cho tụ C1. Khi Q1 đóng trở lại, C1 phóng điện qua L2 cung cấp cho tải. L2 và C2 đóng vai trò như bộ lọc. Cứ như vậy, năng lượng được tích trữ lại trong cuộn L1 và sẵn sàng cho chu kỳ tiếp theo.
Hình 2.42 Sơđồ tương đương của mạch Cuk khi Q dẫn.
Khi Q1 dẫn: Tính gần đúng:
vL1 = Vg vL1 = Vg (2.24)
vL2 = -v1 – V2 vL2 = -V1 – V2 (2.25)
iC1 = i2 iC1 = I2 (2.26) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
iC2 = i2 – iC2 = I2 – (2.27)
Hình 2.43 Sơđồ tương đương của mạch Cuk khi Q ngắt.
Khi Q1 ngắt, diode D1 dẫn: Tính gần đúng:
vL1 = Vg – v1 vL1 = Vg – V1 (2.28)
vL2 = -v2 vL2 =-V2 (2.29)
iC1 = i1 iC1 = I1 (2.31)
Hình 2.44 Khảo sát chếđộ dòng tải liên tục.
Trong đó: Ts: chu kỳđóng ngắt của MOSFET
DTs: thời gian dẫn của MOSFET trong một chu kỳ
D’Ts: thời gian ngắt của MOSFET trong một chu kỳ
D + D’ = 1
Ởđiều kiện liên tục, cường độ dòng điện trung bình qua cuộn cảm L1, L2 bằng zero. Nên từđồ thị hình 4 ta có: Với L1 Vg.DTs + (Vg – V1).D’Ts = 0 (2.33) Với L2 DTs(-V1 – V2) – V2D’Ts = 0 (2.34) (2.34) ⇒ DTsV1 = (D + D’)TsV2 ⇒ V1 = Thế vào (2.33): (D + D’)TsVg + D’Ts = 0 ⇒ = = Hay = = (2.35)
Theo định luật bảo toàn công suất ta có: VgI1 = V2I2