MPPT (Maximum Power Point Tracker) là phương pháp dò tìm điểm làm việc có công suất tối ưu của hệ thống nguồn điện pin mặt trời qua việc điều khiển chu kỳ đóng mở khoá điện tử dùng trong bộ DC/DC. Phương pháp MPPT được sử dụng rất phổ biến tronghệ thống pin mặt trời làm việc độc lập và đang dần được áp dụng trong hệ quang điện làm việc với lưới. MPPT bản chất là thiết bị điện tử công suất ghép nối nguồn điện PV với tải để khuyếch đại nguồn công suất ra khỏi nguồn pin mặt trời khi điều kiện làm việc thay đổi, và từ đó có thể nâng cao được hiệu suất làm việc của hệ. MPPT được ghép nối với bộ biến đổi DC/DC và một bộ điều khiển.
Hình 2.10:Bộ điều khiển MPPT trong hệ thống pin mặt trời
Bộ điều khiển MPPT có thể là bộ điều khiển tương tự truyền thống. Tuy nhiên, việc sử dụng bộ điều khiển số đang ngày càng phát triển vì nó có nhiều ưu điểm hơn bộ điều khiển tương tự. Thứ nhất là, bộ điều khiển số có thể lập trình được vì vậy khả năng thực hiện các thuật toán cao cấp sẽ dễ dàng hơn. Nó dễ dàng mã hoá biểu thức, ví dụ x = yxz, hơn là thiết kế một mạch điện tương tự để thực hiện cùng một biểu thức đó. Nhờ lý do này mà việc hiệu chỉnh ở bộ điều khiển số được thực hiện dễ dàng hơn nhiều so với bộ điều khiển tương tự. Mặt khác bộ điều khiển số không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi về nhiệt độ và thời gian vì bộ này hoạt động rời rạc, bên ngoài các thành phần tuyến tính. Vì vậy, bộ điều khiển số có trạng thái ổn định lâu hơn. Không chỉ có vậy, bộ điều khiển MPPT số không phụ thuộc vào dung sai của các bộ phận khác vì nó thực hiện thuật toán ở phần mềm, nơi mà các thông số có thể được giữ ổn định hoặc thay đổi được.
Bộ điều khiển loại này cho phép giảm số lượng thành phần vì nó chỉ dùng một chíp đơn để làm nhiều nhiệm vụ khác nhau. Nhiều bộ điều khiển số được trang bị thêm bộ biến đổi A/D nhiều lần và nguồn tạo xung PWM, vì vậy nó có thể điều khiển được nhiều thiết bị chỉ với một bộ điều khiển đơn lẻ.Vì những ưu điểm của bộ điều khiển số mà luận án sẽ chọn phương pháp điều khiển số cho MPPT. Việc thiết kế và mô phỏng MPPT sẽ được thực hiện ở chương 3 với bộ vi xử lý 16F887 và các thuật toán thực hiện.
Khi một tấm PV được mắc trực tiếp vào một tải, điểm làm việc của tấrn PV đó sẽ là giao điểm giữa đường đặc tính làm việc I - V va đường đặc tính I - V của tải. Giả sử nếu tải là thuần trở thì đường đặc tính tải là một đường thẳng với độ dốc là 1/Rtai.
Hình 2.11:Tấm pin mặt trời mắc trực tiếp với tải thuần trở có giá trị thay đổi
Hình 2.12:Đường đặc tính làm việc của pin và tải thuần trở
Nói cách khác, trở kháng của tải bám theo điều kiện làm việc của pin. Nói chung, điểm làm việc hiếm khi ở đúng tại vị trí có công suất lớn nhất, vì vậy nó sẽ không sinh ra công suất lớn nhất. Mạng nguồn pin mặt trời thường bị quá tải khi phải bù cho một lượng công suất thấp vào thời gian ánh sáng yếu kéo dài như trong mùa đông. Sự
không thích ứng giữa tải và các tấm pin mặt trời thường làm cho nguồn pin mặt trời bị quá tải và gây ra tổn hao trong toàn hệ thống. Để giải quyết vấn đề này, phương pháp MPPT được sử dụng duy trì điểm làm việc của nguồn điện pin tại đúng điểm có công suất lớn nhất MPPT. Phương pháp MPPT có thể xác định chính xác đến 97% điểm MPPT.
Phần này đề cập đến đặc tính làm việc I - V của modun pin mặt trời và tải, sự tương thích của cả tải và pin, phương pháp điều khiển MPPT; việc áp dụng thuật toán MPPT để điều khiển bộ biến đổi DC/DC trong hệ thống và giới hạn của phương pháp MPPT.
2.5.2. Nguyên lý dung hợp tải
Như đã trình bày, khi PV được mắc trực tiếp với một tải, điểm làm việc của PV sẽ do đặc tính tải xác định. Điện trở tải được xác định như sau:
Rload=Vo/Io (2.5.2.1)
Trong đó VO điện áp ra ,IO dòng điện ra Tốiưu PV được tính theo:
Ropt=V MPP/IMPP (2.5.2.2)
Trong đó: VMPPvà IMPP là điện áp và dòng điện tại điểm công suất cực đại
Khi giá trị của tải lớn nhất khớp với giá trị Ropt thì công suất truyền từ PV đến tải sẽ là công suất lớn nhất. Tuy nhiên, điều này thường độc lập và hiếm khi khớp với thực tế. Mục đích của MPPT là phối hợp trở kháng của tải với trở kháng lớn nhất của PV Dưới đây là ví dụ của việc dung hợp tải sử dụng mạch Boost
Vin=(1-D) Vout (2.5.2.3)
Ta giả sử rằng đây là bộ biến đổi lý tưởng, công suất trung bình do nguồn cung cấp phải bằng với công suất trung bình tải hấp thụ được.
Pin=Pout Khi đó (2.5.2.4) Từ 2 câu thức (2.5.2.3) và (2.5.2.4) ta có Iin=Iout/(1-D) (2.5.2.5) Suy ra
Hình 2.13:Tổng trở vào Rin được điều chỉnh bằng D
Từ hình vẽ 2.13 trở kháng do PV tạo ra là trở kháng vào Rincho bộ biến đổi. Bằng cách điều chỉnh tỉ lệ làm việc D, giá trị của Rinđược điều chỉnh giá trị phù hợp với Ropt. Vì vậy, trở kháng của tải không cần phải quan tâm nhiều miễn là tỉ lệ làm việc của khoá điện tử trong bộ biến đổi được điều chỉnh đúng quy tắc hợp lý.
2.5.3.Thuật toán xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất MPPT
Tại những thời điểm khác nhau trong ngày, với điều kiện thời tiết và nhiệt độ khác nhau, ta không thể biết trước được điểm công suất cực đại của pin quang điện dựa trên đồ thị đặc tính I-V vì nó luôn thay đổi. Chẳng hạn, hình 2.14 mô tả đặc tính I- V của pin ứng với các mức bức xạ tăng dần ở nhiệt độ không đổi 25oC
1 1.25
0.75
0.5
0.25
Hình 2.14: Đặc tính I-V ứng với bức xạ thay đổi và quỹ đạo của các điểm công suất cực đại (25oC)
Trong khi hình 2.15 mô tả đặc tính I-V của pin ứng với các mức bức xạ tăng dần ở nhiệt độ không đổi 50oC
Hình 2.15:Đặc tính I-V ứng với bức xạ thay đổi và quỹ đạo của điểm công suất cực đại (500C)
Từ hai hình vẽ này, ta nhận thấy có sự dịch chuyển điện áp quan sát được ở vị trí của điểm MPP. Vì vậy điểm MPP cần phải dùng thuật toán để xác định. Thuật toán này là trung tâm của bộ điều khiển MPPT.
Thuật toán MPPT được coi là một phần không thể thiếu trong hệ PV, được áp dụng với mong muốn nâng cao hiệu quả sử dụng của dãy pin mặt trời. Nó được đặt trong bộ điều khiển bộ biến đổi DC/DC. Các thuật toán MPPT điều khiển của bộ biến đổi DC/DC sử dụng nhiều tham số, thường là các tham số như dòng PV, điện áp PV, dòng ra, điện áp ra của bộ DC/DC.
Các thuật toán này được so sánh dựa theo các tiêu chí như hiệu quả định điểm làm việc có công suất lớn nhất, số lượng cảm biến sử dụng, độ phức tạp của hệ thống, tốc độ biến đổi...
Nhìn chung có rất nhiều thuật toán MPPT đã được nghiên cứu và ứng dụng trên nhiều hệ thống. Một phương pháp đo điện áp hở mạch Voc của các pin mặt trời cứ 30 giây một lần bằng cách tách pin mặt trời ra khỏi mạch trong một khoảng thời gian ngắn. Sau khinối mạch trở lại, điện áp pin được điều chỉnh lên 76% của Voc. Tỷ lệ % này phụ thuộc vào loại pin mặt trời sử dụng. Việc thực hiện phương pháp điều khiển mạch hở này đơn giản và ít chi phí mặc dù hiệu quả MPPT là thấp (từ 73% đến 91%).
Phương pháp tính toán cũngcó thể dự đoán vị trí của điểm MPPT, tuy nhiên trong thực tế, phương pháp này làm việc không hiệu quả vì nó không theo được những thay đổi vật lý, tuổi thọ của tấm pin và các ảnh hưởng bên ngoài khác như bóng của các vật cản ... Hơn nữa, giá của một thiết bị đo cường độ bức xạ có giá thành rất đắt.
Các thuật toán sử dụng phương pháp điều khiển kín mạch có thể cho hiệu quả cao hơn, nên các thuật toán này được sử dụng phổ biến hơn cho MPPT. Trong khuôn khổ của luận văn này chỉ phân tích 2 phương pháp MPPT được ứng dụng rộng rãi và đã trở nên phổ biến, quen thuộc và cho được một số hiệu quả làm việc sau đây: Phương pháp nhiễu loạn và quan sát P&O và Phương pháp điện dẫn gia tăng INC.
2.5.3.1.Phương pháp nhiễu loạn và quan sát P&O
Giải thuật P&O hay còn gọi là phương pháp “leo đồi” hiện nay đang rất phổ biến và được sử dụng rộng rãi trong thực tế vì giải thuật tương đối đơn giản và dễ thực thi. Hình 2.16 thể hiện mối quan hệ giữa điện áp và công suất ngõ ra( đặc tính P-V) của một bộ pin quang điện ứng với bức xạ và nhiệt độ không đổi, với giả thiết ban đầu điểm công suất của bộ pin đang ở cách xa điểm có công suất cực đại.
Hình 2.16:Đặc tính công suất-điện áp của pin
Theo giải thuật này,ban đầu điện áp sẽ được tăng một lượng nhỏ rồi quan sát sự thay đổi của công suất. Nếu công suất tăng thêm tức là điểm công suất hiện tại đang tiến gần đến điểm công suất cực đại. Lúc này, ta tiếp tục tăng điện áp để tiếp cận điểm công suất cực đại, cho đến khi thấy công suất bắt đầu giảm, tức là điểm công suất đã vọt lố qua khỏi điểm công suất cực đại, ta phải giảm điện áp để dịch chuyển điểm công suất theo hướng ngược lại trở về điểm công suất cực đại. Lưu đồ minh họa giải thuật này được trình bày trong hình 2.17
Hình 2.17:Lưu đồ thuật toán P&O
Tuy nhiên, có một số hạn chế làm giảm hiệu suất của giải thuật này. Thứ nhất, giải thuật này không thể xác định chính xác điểm có công suất cực đại, mà điểm công suất cứ dao động xung quanh điểm công suất cực đại với tốc độ dao động giảm dần. Điều này làm giảm hiệu suất của pin quang điện trong điều kiện bức xạ không thay đổi. Thứ hai, trong điều kiện thời tiết không ổn định, như trong những ngày có mây, giải thuật này cũng bộc lộ sự hạn chế. Để hiểu rõ hơn, ta hãy phân tích đặc tính P-V trong điều kiện bức xạ thay đổi như Hình 2.18
Hình 2.18:Phản ứng của P&O trong điều kiện bức xạ tăng dần
2.5.3.2 .Phương pháp điện dẫn gia tăng INC
Năm 1993, bốn thành viên của đại học Saga, Nhật Bản là Hussein, Muta, Hosino và Osakada đã đề xuất dùng giải thuật Incremental Conductance để giải quyết hạn chế của giải thuật P&O trong điều kiện thời tiết thay đổi.
Ý tưởng cơ bản của giải thuật này là độ dốc của đặc tính P-V bằng không tại điểm công suất cực đại (tại đỉnh của đặc tuyến), như Hình 2.19. Dựa vào độ dốc của đặc tính này ta có thể xác định chính xác vị trí tương đối của điểm công suất so với điểm công suất cực đại. Độ dốc này là đạo hàm của công suất bộ pin theo điện áp pin, tại điểm công suất cực đại chúng có mối quan hệ như sau:
Hình 2.19:Phương pháp điện dẫn gia tăng
Bên trái điểm công suất cực đại:
> 0 (2.5.2)
Bên phải điểm công suất cực đại:
< 0 (2.5.3) Phương trình 2.5.1 có thể được viết lại như sau:
= = i + v = i + v ( 2.5.4) Tại điểm công suất cực đại, ta có:
i + v = 0(2.5.5)
= - (2.5.6) Nếu điểm công suất nằm bên trái điểm công suất cực đại, ta có:
i + v> 0 (2.5.7)
>- (2.5.8)
Nếu điểm công suất nằm bên phải điểm công suất cực đại, ta có:
i + v< 0 (2.5.9)
Hình 2.20:Lưu đồ giải thuật IncCond
2.6.Bộ ổn áp DC/DC converter
Các loại tải một chiều hoạt động ổn định nhất khi có nguồn cung cấp ổn định, trong khi nguồn năng lượng lưu trữ trong Ắc-quy thường không ổn định mà thay đổi trong một khoảng nào đó, đối với Ắc-quy 12V thì điện áp thay đổi từ 10.5V đến 13.8V khi xả cạn và sạc đầy. Vì vậy để cho tải DC hoạt động ổn định ta cần bộ ổn áp với áp ra luôn cố định dù có sụt áp trên Ắc-quy. Bộ ổn áp có hai dạng là ổn áp theo phương pháp Analog, và phương pháp Digital (phương pháp điều khiển xung PWM). Trong luận văn này phương pháp PWM được chọn vì có hiệu suất cao hơn hẳn so với phương pháp Analog.
Nguồn năng lượng từ Ắc-quy được dùng cho các tải 12VDC như đèn, quạt, bộ Inverter… nên có thể dùng nguồn 12VDC trực tiếp từ Ắc-quy. Ngoài ra, còn có các tải DC như đèn LED, nguồn từ cổng USB dùng để sạc các thiết bị di động… sử dụng nguồn 5VDC.
2.7. Pin mặt trời2.7.1. Cấu tạo 2.7.1. Cấu tạo
Vật liệu sản xuất để làm pin mặt trời silic phải là bán dẫn silic tinh khiết.Ở dạng tinh khiết, còn gọi là bán dẫn ròng số hạt tải (hạt mang điện) là electron và số hạt tải là lỗ trống (hole) như nhau
Về cơ bản cấu tạo của pin mặt trời (hay pin quang điện) là một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ Mặt Trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện bên trong. Cấu tạo của pin mặt trời được thể hiện trong hình 2.20
Hình 2.21:Cấu tạo pin năng lượng mặt trời
2.7.2 .Nguyên lý hoạt động của pin
Nguyên lý hoạt động của pin được thể hiện ở hình bên dưới
Xét một hệ hai mức năng lượng điện tử (Hình 2.23) E1<E2, bình thường điện tử chiếm mức năng lượng thấp hơn E1. Khi nhận bức xạ Mặt Trời, lượng tử ánh sáng photon có năng lượng hv (trong đó h là hằng số Planck, v là vận tốc ánh sáng) bị điện tử hấp thụ và chuyển lên mức năng lượng E2. Ta có phương trình cân bằng năng lượng:
Hv= E2 – E1 (2.7.1)
Hình 2.23:Hệ hai mức năng lượng
Trong các vật thể rắn, do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vòng ngoài, nên các mức năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng lượng sát nhau và tạo thành các vùng năng lượng được mô tả ở hình bên dưới.
Hình 2.24:Các vùng năng lượng
Vùng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm đầy khi ở trạng thái cân bằng gọi là vùng hóa trị, mà mặt trên của nó có mức năng lượng Ev. Vùng năng lượng phía trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi là vùng dẫn, mặt dưới của vùng có năng lượng là Ec. Cách ly giữa hai vùng hóa trị và vùng dẫn là một vùng cấp có độ rộng với năng lượng là Eg, trong đó không có mức năng lượng cho phép nào của điện tử. Khi nhận bức xạ Mặt Trời, photon có năng lượng hv tới hệ thống và bị điện tử ở vùng hóa trị thấp hấp thu và nó có thể chuyển lên vùng dẫn để trở thành điện tử tự do
e-, để lại ở vùng hóa trị một lỗ trống có thể coi như hạt mang điện dương, ký hiệu h+. Lỗ trống này có thể di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện.
Hiệu ứng lượng tử của quá trình hấp thụ photon có thể mô tả bằng phương trình:
Ev + hv → e- + h+(2.7.2)
Điều kiện để điện tử có thể hấp thụ năng lượng của photon và chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử (-) lỗ trống là:
Hv = ≥ Eg = Ec – Ev(2.7.3)
3.1. Hệ thống điều khiển xoay panel theo hướng ánh sáng 3.1.1. Yêu cầu của hệ thống
Động cơ và các cơ cấu truyền động phải đảm bảo xoay tấm panel theo hướng mặt trời nhờ vào tín hiệu từ cảm biến ánh sáng. Toàn bộ hệ thống được đặt ngoài trời, nơi có nhiều nắng, gió, và chịu nhiều ảnh hưởng của thời tiết vì vậy các vật liệu chế tạo cần phải chống chịu với điều kiện khắc nghiệt đó, và bền bỉ theo thời gian.
Để nâng cao hiệu suất của pin cần có một hệ thống điều khiển để luôn xác định được hướng chiếu của ánh sáng mặt trời, từ đó mới điều khiển cho mặt phẳng của tấm