Cơng nghệ nhiệt mặt trời biến đổi năng lượng bức xạ mặt trời thành nhiệt năng. Người ta sử dụng bộ thu hội tụ đi kèm bộ dõi theo mặt trời, để hội tụ các tia mặt trời đúng diện tích cần thiết kế. Đối với các bộ thu khơng yêu cầu độ hội tụ cao thì sự định hướng bộ thu cĩ thể chỉ cần điều chỉnh vài ba lần trong một ngày và cĩ thể thực hiện bằng tay. Nhưng với các bộ thu yêu cầu độ hội tụ cao thì cần phải điều chỉnh sự định hướng bộ thu một cách liên tục. Đa số các bộ hội tụ này là các bộ hội tụ máng parabol, các tia sáng mặt trời được hội tụ lại trên đường tiêu điểm hội tụ.
2.1.1 Cơng nghệ nhiệt mặt trời nhiệt độ thấp
Cơng nghệ mặt trời nhiệt độ thấp dựa trên hiện tượng hiệu ứng nhà kính. Kính dùng trong hiệu ứng nhà kính cĩ tính chất sau:
- Cho ánh sáng cĩ bước sĩng λ < 0,8 μm qua dễ dàng, ngăn khơng cho ánh sáng cĩ λ > 0,8 μm.
- Khoảng hơn 70% năng lượng mặt trời tập trung ở vùng phổ λ < 0,8 μm.
Hộp thu năng lượng mặt trời hiệu ứng nhà kính.
9
Các tia bức xạ mặt trời cĩ λ < 0,8 μm xuyên qua tấm kính đậy. Các tia mặt trời tới tấm hấp thụ bị hấp thụ và chuyển thành nhiệt. Tấm hấp thụ nĩng lên và phát ra các tia sĩng dài, λ > 0,8 μm, nên bị kính ngăn lại [17].
Kết quả: năng lượng mặt trời đi vào hộp, khơng ra được, lúc này hộp cĩ vai trị giống như là “bẫy nhiệt”. Năng lượng mặt trời tích tụ lại trong hộp, làm tấm hấp thụ và khơng khí trong hộp nĩng lên hàng trăm độ. Đây chính là hiện tượng hiệu ứng nhà kính.
2.1.2 Cơng nghệ nhiệt mặt trời nhiệt độ cao
Nguyên lý: Sử dụng các thiết bị hội tụ bức xạ mặt trời trong một diện tích lớn
vào một khu vực cĩ diện tích nhỏ, do đĩ tăng mật độ năng lượng làm tăng nhiệt độ (hàng trăm hay hàng nghìn độ C)
Các thiết bị hội tụ:
- Gương cầu, gương parabol - Máng parabol
- Các gương phẳng phản xạ hội tụ
10
Hình 2.3: Nhà máy nhiệt điện mặt trời sử máng parapol 2.2 Hệ thống pin mặt trời 2.2 Hệ thống pin mặt trời
Hệ pin mặt trời (hệ PV – Photovoltaic System) hiện nay gồm cĩ: hệ PV làm việc độc lập và hệ PV làm việc nối lưới. Nhưng trong phạm vi nghiên cứu của đề tài này ta chỉ nghiên cứu hệ PV làm việc độc lập [18].
Hệ PV độc lập thường được sử dụng ở những vùng sâu, vùng xa hay nơi mà lưới điện khơng kéo đến được. Sơ đồ khối của hệ này như sau:
Hình 2.4: Sơ đồ khối hệ quang điện làm việc độc lập
Hệ PV làm việc độc lập gồm cĩ 2 thành phần chính là: Thành phần lưu giữ năng lượng và các bộ biến đổi bán dẫn.
2.2.1 Thành phần lưu trữ năng lượng
Hệ quang điện làm việc độc lập cần phải cĩ khâu lưu giữ điện năng để cĩ thể phục vụ cho tải trong những thời gian thiếu nắng, ánh sáng yếu hay vào ban đêm. Cĩ nhiều phương pháp lưu trữ năng lượng trong hệ PV. Phổ biến nhất vẫn là sử
11
dụng Ắc - quy để lưu trữ năng lượng. Ắc quy cần phải cĩ một bộ điều khiển nạp để bảo vệ và đảm bảo cho tuổi thọ của Ắc - quy.
2.2.2 Các bộ biến đổi bán dẫn trong hệ thống Pin mặt trời làm việc độc lập
Bộ điều khiển nạp Ắc- qui năng lượng mặt trời (charge battery) là một thiết bị trung gian giữa hệ các tấm pin mặt trời và hệ các bình Ắc - quy lưu trữ. Nhiệm vụ chính của nĩ là "điều khiển" việc sạc bình Ắc - quy từ nguồn điện sinh ra từ pin mặt trời. Cụ thể là các nhiệm vụ sau:
- Bảo vệ bình Ắc - quy. Khi bình đầy (VD 23.8V - 24V đối với Ắc - quy 24V) thì bộ điều khiển ngăn khơng cho nguồn điện tiếp tục nạp vào Ắc - quy cĩ thể gây sơi bình và làm ảnh hưởng đến tuổi thọ của bình. Khi bình gần cạn đến ngưỡng phải ngắt để bảo vệ bình (VD 18.5V đối với Ắc - quy 24V), bộ điều khiển sẽ ngắt khơng cho sử dụng tải để bảo vệ bình khơng bị "kiệt".
- Bảo vệ tấm pin mặt trời. Nguyên lý của dịng điện là chảy từ nơi điện áp cao
đến nơi điện áp thấp. Ban ngày trời nắng thì điện áp tấm pin loại 24V sẽ từ khoảng 25 đến hơn 30V, cao hơn điện áp Ắc - quy nên dịng điện sẽ đi từ pin xuống Ắc - quy. Nhưng ban đêm khi khơng cĩ ánh nắng, điện áp của pin sẽ thấp hơn điện áp của Ắc - quy và dịng điện sẽ đi từ Ắc - quy lên ngược tấm pin và "đốt" tấm pin, làm giảm hiệu suất tấm pin dần dần và cĩ thể hỏng tấm pin. Vậy nên bộ điều khiển sẽ ngăn một cách triệt để khơng để cho dịng điện cĩ thể đi ngược lên tấm pin để tránh hiện tượng trên.
- Giúp chúng ta đạt hiệu suất cao nhất từ tấm pin mặt trời. Cĩ chức năng này thì thiết bi này mới cĩ tên gọi là "điều khiển", nghĩa là thiết bị này điều khiển làm sao để cơng suất sạc đạt cực đại Pmax, nâng cao hiệu suất sử dụng của tấm pin mặt trời. Các bộ điều khiển sạc kiểu cũ đơn giản thì chỉ điều khiển đĩng cắt khi bình đầy hoặc bình cạn và bảo vệ khơng cho điện trào lên pin, hiện đại hơn là sử dụng phương pháp điều khiển điều rộng xung PWM (Pulse - Width - Modulation) sử dụng mạch Transitor đĩng cắt liên tục để ổn áp sạc cho Ắc - quy, phương pháp này cĩ nhược điểm lớn là làm hao phí khoảng trên dưới 20% lượng điện sạc từ pin mặt trời.
12
Hình 2.5: Biểu đồ so sánh bộ điều khiển sạc thơng thường
và bộ điều khiển sạc điều khiển MPP
Các bộ điều khiển sạc hiện đại sử dụng phương pháp điều rộng xung khơng hao phí, cĩ bộ vi xử lý và thiết bị đo chọn được điểm cĩ cơng suất cực đại MPP (Max Power Point) Pmax để sạc cho Ắc - quy. Cơng suất cực đại minh họa trong hình dưới đây là diện tích hình chữ nhật màu xám.
- Phương pháp sạc xung: các bộ điều khiển sạc xung sẽ kéo dài tốt hơn tuổi thọ của Ắc - quy. Phương pháp sạc xung hiện nay được ứng dụng trong việc sạc laptop, sạc điện thoại và được đánh giá là phương pháp sạc ưu việt nâng cao tuổi thọ của pin hay Ắc - quy.
- Một số chức năng khác như: hiển thị mức điện cịn trong hệ bình Ắc - quy, bảo vệ quá tải, chập mạch trong hệ thống, các chức năng bổ sung như tự động bật tắt thiết bị, tạo dịng 5V để sạc điện thoại...
Về cơ bản ta cĩ 4 phương pháp xử lý cơng suất thơng dụng như sau:
- Chỉnh lưu AC-DC (AC-DC rectification): Cĩ thể điều khiển điện áp DC, dịng điện AC.
- Nghịch lưu DC-AC (DC-AC inversion): Tạo nguồn điện hình sin; điều khiển độ lớn và tần số.
13
- Bộ chuyển đổi AC-AC (AC-AC cycloconversion): Thay đổi độ lớn; điều khiển điện áp và tần số
Sơ đồ khối bộ chuyển đổi
Hình 2.6: Sơ đồ khối bộ xử lý cơng suất 2.3 Bộ biến đổi DC/DC 2.3 Bộ biến đổi DC/DC
Bộ biến đổi DC/DC được sử dụng rộng rãi trong nguồn điện 1 chiều với mục đích chuyển đổi nguồn một chiều khơng ổn định thành nguồn điện một chiều cĩ thể điều khiển được. Trong hệ thống pin mặt trời, bộ biến đổi DC/DC được kết hợp chặt chẽ với MPPT. MPPT sử dụng bộ biến đổi DC/DC để điều chỉnh nguồn điện áp vào lấy từ nguồn pin mặt trời, chuyển đổi và cung cấp điện áp lớn nhất phù hợp với tải. Nhìn chung bộ biến đổi DC/DC thường bao gồm các phần tử cơ bản là một khố điện tử, một cuộn cảm để giữ năng lượng, và một điơt dẫn dịng [17-18].
Các bộ biến đổi DC/DC thường được chia làm 2 loại cĩ cách ly và loại khơng cách ly. Loại cách ly sử dụng máy biến áp cách ly về điện tần số cao kích thước nhỏ để cách ly nguồn điện một chiều đầu vào với nguồn một chiều ra và tăng hay giảm áp bằng cách điều chỉnh hệ số biến áp. Loại này thường được sử dụng cho các nguồn cấp một chiều sử dụng khố điện tử. Phổ biến nhất vẫn là mạch dạng cầu, nửa cầu và flyback. Trong nhiều thiết bị quang điện, hệ thống làm việc với lưới thường dùng loại cĩ cách ly về điện vì nhiều lý do an tồn. Loại DC/DC khơng cách ly khơng sử dụng máy biến áp cách ly. Chúng luơn được dùng trong các bộ điều khiển động cơ một chiều. Các loại bộ biến đổi DC/DC thường dùng trong hệ PV:
- Bộ giảm áp (buck) - Bộ tăng áp (boost)
14 - Bộ đảo dấu điện áp (buck – boost). - Bộ biến đổi tăng – giảm áp Cúk
Việc chọn lựa loại DC/DC nào để sử dụng trong hệ PV cịn tuỳ thuộc vào yêu cầu của Ắc - quy và tải đối với điện áp ra của dãy panel mặt trời.
Bộ giảm áp buck cĩ thể định được điểm làm việc cĩ cơng suất tối ưu mỗi khi điện áp vào vượt quá điện áp ra của bộ biến đổi, trường hợp này ít thực hiện được khi cường độ bức xạ của ánh sáng xuống thấp.
Bộ tăng áp boost cĩ thể định điểm làm việc tối ưu ngay cả với cường độ ánh sáng yếu. Hệ thống làm việc với lưới dùng bộ Boost để tăng điện áp ra cấp cho tải trước khi đưa vào bộ biến đổi DC/AC.
Bộ Buck – boost vừa cĩ thể tăng, vừa cĩ thể giảm áp.
2.3.1 Mạch Buck
Khĩa K trong mạch là những khĩa điện tử BJT, MOSFET, hay IGBT. Mạch Buck cĩ chức năng giảm điện áp đầu vào xuống thành điện áp nạp Ắc - quy. Khĩa transitor được đĩng mở với tần số cao. Hệ số làm việc D của khĩa được xác định theo cơng thức sau:
t ¾ c dãng on on T .f T T D (2.3)
Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý bộ giảm áp Buck
Trong thời gian mở, khĩa K thơng cho dịng đi qua, điện áp một chiều được nạp vào tụ C2 và cấp năng lượng cho tải qua cuộn kháng L. Trong thời gian đĩng, khĩa K đĩng lại khơng cho dịng qua nữa, năng lượng 1 chiều từ đầu vào bằng 0. Tuy nhiên tải vẫn được cung cấp đầy đủ điện nhờ năng lượng lưu trên cuộn kháng và tụ điện do Điốt khép kín mạch. Như vậy cuộn kháng và tụ điện cĩ tác dụng lưu giữ năng lượng trong thời gian ngắn để duy trì mạch khi khĩa K đĩng.
K
C1 C2
L
Đ
15
Hình 2.8: Dạng sĩng điện áp và dịng điện của mạch Buck
Phân tích mạch dựa trên sự cân bằng năng lượng qua chu kỳ đĩng cắt của khĩa: Năng lượng cấp cho tải trong toàn bộ chu kỳ = năng lượng thu từ nguồn trong thời gian khĩa mở, và năng lượng cấp cho tải trong suốt thời gian K khĩa = năng lượng lấy từ cuộn kháng và tụ điện trong thời gian K khĩa.
Hay cũng cĩ thể phân tích dựa trên phương pháp sau:
Ở điều kiện xác lập, sự cân bằng năng lượng trên cuộn kháng trong thời gian khĩa đĩng mở được duy trì.
Do: dt dI . L v L L (2.4)
nên khi K mở (ton):
on out in L.L (V V ).T I (2.5)
khi K khĩa (toff):
off out L.L V .T
I
(2.6)
Nếu cuộn kháng đủ lớn, thì dịng điện cảm ứng biến thiên ít, giá trị cực đại của dịng điện được tính như sau:
ton toff T -Vo Vin-Vo V1 IL I IK ID t t t t t
16 L 2 1 o max L I I I (2.7)
Trong đĩ: Io là dịng tải = Vout/Rtải = giá trị trung bình của dịng điện cảm ứng.
Từ các cơng thức trên suy ra:
Vout = Vin.D (2.8)
Cơng thức (2.8) cho thấy điện áp ra cĩ thể điều khiển được bằng cách điều khiển hệ số làm việc D thơng qua một mạch vịng hồi tiếp lấy giá trị dịng điện nạp Ắc - quy làm chuẩn. Hệ số làm việc được điều khiển bằng cách phương pháp điều chỉnh độ rộng xung thời gian mở ton. Do đĩ, bộ biến đổi này cịn được biết đến như là bộ điều chế xung PWM.
Trong 3 loại bộ biến đổi DC/DC trên, bộ Buck được sử dụng nhiều trong hệ thống pin mặt trời nhất vì nhiều ưu điểm phù hợp với các đặc điểm của hệ pin mặt trời.
2.3.2 Mạch Boost
Hình 2.9: Sơ đồ nguyên lý mạch Boost
Giống như bộ Buck, hoạt động của bộ Boost được thực hiện qua cuộn kháng L. Chuyển mạch K đĩng mở theo chu kỳ. Khi K mở cho dịng qua (ton) cuộn kháng tích năng lượng, khi K đĩng (toff) cuộn kháng giải phĩng năng lượng qua điơt tới tải. dt dI . L V V1 0 L (2.9)
Mạch này tăng điện áp võng khi phĩng của Ắc - quy lên để đáp ứng điện áp ra. Khi khĩa K mở, cuộn cảm được nối với nguồn 1 chiều.Khĩa K đĩng, dịng điện
K
C1 C2
L
Đ
17
cảm ứng chạy vào tải qua Điốt. Với hệ số làm việc D của khĩa K, điện áp ra được tính theo: D 1 V Vout in (2.10)
Với phương pháp này cũng cĩ thể điều chỉnh T trong chế độ dẫn liên tục để điều chỉnh điện áp vào V1 ở điểm cơng suất cực đại theo điện áp của tải Vo.
Hình 2.10: Dạng sĩng dịng điện của mạch Boost 2.3.3 Mạch Buck – Boost: 2.3.3 Mạch Buck – Boost:
Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý mạch Buck – Boost
Từ cơng thức (2.10): Do D < 1 nên điện áp ra luơn lớn hơn điện áp vào. Vì vậy mạch Boost chỉ cĩ thể tăng áp trong khi mạch Buck đã trình bày ở trên thì chỉ cĩ thể giảm điện áp vào. Kết hợp cả hai mạch này với nhau tạo thành mạch Buck – Boost vừa cĩ thể tăng và giảm điện áp vào.
Khi khĩa đĩng, điện áp vào đặt lên điện cảm, làm dịng điện trong điện cảm tăng dần theo thời gian. Khi khĩa ngắt, điện cảm cĩ khuynh hướng duy trì dịng
L C Đ V0 K V1
18
điện qua nĩ sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để Điot phân cực thuận.Tùy vào tỷ lệ giữa thời gian đĩng khĩa và mở khĩa mà giá trị điện áp ra cĩ thể nhỏ hơn, bằng hay lớn hơn giá trị điện áp vào. Trong mọi trường hợp thì dấu của điện áp ra là ngược với dấu của điện áp vào, do đĩ dịng điện đi qua điện cảm sẽ giảm dần theo thời gian.
Ta cĩ cơng thức: D 1 D V Vout in (2.11)
Cơng thức (2-11) cho thấy điện áp ra cĩ thể lớn hơn hay nhỏ hơn điện áp vào tùy thuộc vào hệ số làm việc D.
Khi D = 0.5 thì Vin = Vout Khi D < 0.5 thì Vin> Vout Khi D > 0.5 thì Vin< Vout
Như vậy nguyên tắc điều khiển điện áp ra của cả ba bộ biến đổi trên đều bằng cách điều chỉnh tần số đĩng mở khĩa K. Việc sử dụng bộ biến đổi nào trong hệ là tùy thuộc vào nhu cầu và mục đích sử dụng.
2.3.4 Mạch Cúk
Hình 2.12: Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi Cúk
Bộ Cúk vừa cĩ thể tăng, vừa cĩ thể giảm áp. Cúk dùng một tụ điện để lưu giữ năng lượng vì vậy dịng điện vào sẽ liên tục. Mạch Cúk ít gây tổn hao trên khố điện tử hơn và cho hiệu quả cao. Nhược điểm của Cúk là điện áp ra cĩ cực tính ngược với điện áp vào nhưng bộ Cúk cho đặc tính dịng ra tốt hơn do cĩ cuộn cảm đặt ở tầng ra. Chính từ ưu điểm chính này của Cúk (tức là cĩ đặc tính dịng vào và dịng ra tốt.
19
Nguyên lý hoạt động của Cúk là chế độ dẫn liên tục.ở trạng thái ổn định, điện áp trung bình rơi trên cuộn cảm bằng 0, theo định luật điện áp Kiếchơp ở vịng mạch ngồi cùng hình vẽ 2.12 ta cĩ:
VC1 = VS + Vo (2.12)
Giả sử tụ C1 cĩ dung lượng đủ lớn và điện áp trên tụ khơng gợn sĩng mặc dù