Chương 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.2 Các ứng dụng chủ yếu của PV
Việc sử dụng pin NLMT đã được thực hiện trong nhiều năm qua, các tiến bộ mới trong sản xuất pin đã được ứng dụng vào chế tạo các thiết bị tương thích với hầu hết các hệ thống được lắp đặt tại nhiều nơi trên thế giới.
Vật liệu mới của tế bào PV gần đây đã được giới thiệu và các kỹ thuật mới đã được phát triển để nâng cao hiệu quả của một hệ thống dựa trên PV. Các hệ thống PV hiện tại được sử dụng trên mái nhà, các tòa nhà nhỏ hoặc lớn, trong các trang trại NLMT kết nối lưới, trong các hệ thống độc lập như đèn chiếu sáng đường phố, nhà ở, buồng điện thoại, trạm sạc điện thoại di động, dùng các đoàn lữ hành, vệ tinh trong không gian, máy bơm nước / nồi hơi và các thiết bị nhỏ như quạt NLMT nhỏ, đèn pin mặt trời, sạc pin và máy tính. Với những cải tiến dự kiến về công nghệ PV, những ứng dụng trong tương lai của các hệ thống PV có thể bao gồm các trang trại pin mặt trời trên mặt nước, xe không gian, ô tô, máy bay không người lái….
Trong chương này sẽ trình bày chi tiết các phương trình tốn của các thành phần một hệ thống NLMT. Ngoài ra các lưu đồ và thuật tốn tính tốn được dừng trong luận văn cũng được thảo luận trong phần này. Các nội dung cụ thể sẽ được trình bày chi tiết như bên dưới.
18
2.3 Pin NLMT và phương trình toán của pin NLMT
Ngày nay, loại pin NLMT được dùng chủ yếu là loại bán dẫn Silic với tiếp xúc p-n. Với loại pin NLMT này, để thuận tiện trong việc tính tốn, thiết kế, một mạch điện tương đương được đưa ra để thay thế pin mặt trời
Hình 2. 5 Mạch điện tương đương của pin mặt trời
Mạch điện gồm có dịng quang điện Iph, điot, điện trở dịng rò Rsh và điện trở nối tiếp Rs, dòng điện ngõ ra I và điện áp ngõ ra V.
2.3.1 Phương trình tương đương của pin NLMT
Dựa trên mạch điện tương đương của pin NLMT được đưa ra trong Hình 2.5, một phương trình tốn học được đưa ra để thể hiện mối tương quan giữa dòng điện và điện áp ngõ ra của pin NLMT.
) ( 1 R c q V I kT A R PH s SH V I I I I e R (2.1) Trong đó:
Iph: dịng quang điện (A) Is: dòng bão hòa (A)
q: điện tích của electron, q = 1,6x10-19 C k: hằng số Boltzmann’s, k =1,38x10-23 J/K TC: nhiệt độ vận hành của pin (K)
A: hệ số lý tưởng phụ thuộc vào cơng nghệ chế tạo pin, ví dụ cơng nghệ Si-mono A=1.2, Si-Poly A = 1.3…
2.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến pin NLMT
Dòng quang điện Iph phụ thuộc trực tiếp vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ của pin:
1( Re )
PH SC C f
I I K T T
19 Trong đó:
Isc: dịng ngắn mạch tại nhiệt độ tiêu chuẩn 250C (A) và bức xạ 1kW/m2 K1: hệ số dòng điện phụ thuộc vào nhiệt độ (A/0C)
Tc: Nhiệt độ vận hành của pin mặt trời (K) TRef : Nhiệt độ tiêu chuẩn của pin mặt trời (K) λ: Bức xạ mặt trời (kW/m2)
Mặt khác, dòng bão hòa Is là dòng các hạt tải điện khơng cơ bản được tạo ra do kích thích nhiệt. Khi nhiệt độ của pin mặt trời tăng dòng bão hòa cũng tăng theo hàm mũ. 3 G 1 1 Ref C qE kA T T C S RS Ref T I I e T (2.3) Trong đó:
IRS: Dịng điện ngược bão hịa tại nhiệt độ tiêu chuẩn (A) EG: Năng lượng lỗ trống của chất bán dẫn
Đối với pin mặt trời lý tưởng, điện trở dòng rò Rsh = ∞, Rs = 0. Khi đó mạch điện tương đương của pin mặt trời được cho bởi hình 2.6:
Hình 2. 6 Mơ hình pin mặt trời lý tưởng Khi đó, biểu thức (2.1) có thể được mơ tả như sau: Khi đó, biểu thức (2.1) có thể được mơ tả như sau:
1 C qV kT A PH S I I I e (2.4)
Và dịng bão hịa ngược tiêu chuẩn có thể được biểu diễn như sau:
1 OC Ref SC RS qV kAT I I e (2.5)
20
2.3.3 Phương trình tương đương của bộ pin NLMT
Thông thường, công suất của pin mặt trời khoảng 2 W và điện áp khoảng 0.5 V. Vì vậy, các pin mặt trời được ghép nối với nhau theo dạng nối tiếp - song song để sinh ra lượng công suất và điện áp đủ lớn. Mạch điện tương đương của mơ đun pin mặt trời gồm có Np nhánh song song và Ns pin nối tiếp được mơ tả như Hình 2.7:
Hình 2. 7 Mơ đun pin mặt trời Mạch điện Hình 2.7 được miêu tả bởi biểu thức sau: Mạch điện Hình 2.7 được miêu tả bởi biểu thức sau:
1 S C PH qV N kT A P P S I N I N I e (2.6)
Pin mặt trời chuyển một phần bức xạ mặt trời trực tiếp thành năng lượng điện, nhưng một phần đó chuyển thành nhiệt cộng với pin mặt trời có màu dễ hấp thụ nhiệt nên nhiệt độ vận hành của pin có thể cao hơn nhiệt độ mơi trường. Nhiệt độ của pin dưới các điều kiện khác nhau có thể được đánh giá qua nhiệt độ vận hành bình thường (NOCT- Normal Operating Cell Temperature).
21
Hình 2. 8 Đặc tuyến I-V với các bức xạ khác nhau
Hình 2. 9 Đặc tuyến P-V với các bức xạ khác nhau
Qua phương trình (2.6) nhận thấy rằng ngồi việc thay đổi đường đặc tuyến I-V và P-V theo cường độ bức xạ thì đường đặc tuyến này cũng thay đổi theo sự thay đổi của nhiệt độ của pin. Mối tương quan giữa nhiệt độ và đường đặc tuyến I-V và P-V được thể hiện lần lượt qua các Hình 2.10 và 2.11.
22
Hình 2. 10 Đường đặc tuyến I-V tại S=1000W/m2 khi nhiệt độ pin thay đổi
Hình 2. 11 Đường đặc tuyến P-V tại S=1000W/m2 khi nhiệt độ pin thay đổi Như vậy, vị trí của điểm MPP trên đường đặc tính là khơng biết trước và nó ln Như vậy, vị trí của điểm MPP trên đường đặc tính là khơng biết trước và nó ln thay đổi phụ thuộc vào điều kiện bức xạ và nhiệt độ. Do đó, cần có một thuật tốn để theo dõi điểm MPP, thuật toán này chính là trái tim của bộ điều khiển MPPT.
23
Cấu trúc của hệ thống MPPT điều khiển theo điện áp tham chiếu được trình bày như Hình 2.12.
Hình 2. 12 Cấu trúc điều khiển MPPT của dàn PV
2.4.1 Thuật toán nhiễu loạn và quan sát P&O
Trong thuật toán này điện áp hoạt động của pin mặt trời (PMT) bị nhiễu bởi một gia số nhỏ ΔV và kết quả làm thay đổi công suất, ΔP được quan sát như trình bày trong [16, 17] lần lượt bởi Sivagamasundari và Chaudhari.
Hình 2.13 mô tả nguyên lý hoạt động của thuật toán P&O, từ đó có thể suy ra cách thức hoạt động của thuật toán như sau:
− Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang di chuyển theo hướng 1 (ΔP < 0 và ΔV < 0) thì cần tăng điện áp hoạt động lên để di chuyển điểm hoạt động tới điểm MPP.
− Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang di chuyển theo hướng 2 (ΔP > 0 và ΔV > 0) thì cần tăng điện áp hoạt động lên để di chuyển điểm hoạt động tới điểm MPP.
− Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang di chuyển theo hướng 3 (ΔP > 0 và ΔV < 0) thì cần giảm điện áp hoạt động để di chuyển điểm hoạt động tới điểm MPP.
− Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang di chuyển theo hướng 4 (ΔP < 0 và ΔV > 0) thì cần giảm điện áp hoạt động để di chuyển điểm hoạt động tới điểm MPP.
24
Hình 2. 13 Đường đặc tính P-V và thuật tốn P&O
Để thực hiện được nguyên tắc xác định điểm MPP, một lưu đồ thuật toán được đưa như trong Hình 2.14 như sau:
− Bộ điều khiển MPPT sẽ đo các giá trị dòng điện I và điện áp V, sau đó tính tốn độ sai lệch ∆P, ∆V và kiểm tra:
− Nếu ∆P. ∆V > 0 thì tăng giá trị điện áp tham chiếu Vref.
− Nếu ∆P. ∆V < 0 thì giảm giá trị điện áp tham chiếu Vref.
− Sau đó cập nhật các giá trị mới thay cho giá trị trước đó của V, P và tiến hành đo các thơng số I, V cho chu kỳ làm việc tiếp theo.
25
Hình 2. 14 Lưu đồ thuật tốn P&O
2.4.2 Thuật toán điện dẫn gia tăng INC
Thuật toán INC dựa trên thực tế độ dốc của đường cong công suất bằng không tại điểm MPP được trình bày lần lượt trong các nghiên cứu [25-28] đã cho thấy:
− Độ dốc dương ở bên trái điểm MPP.
− Độ dốc âm ở bên phải điểm MPP.
Đặc tính P-V và thuật tốn INC được minh hoạ trên Hình 2.15.
− dP/dV = 0, tại MPP
− dP/dV > 0, ở bên trái MPP
− dP/dV < 0, ở bên phải MPP
dP / dV=d(IV) / dV=I+V(dI / dV)≈I+V(ΔI /ΔV) nên ta có thể viết lại là :
− ∆I/∆V = -I/V, tại MPP
− ∆I/∆V> -I/V, ở bên trái MPP
26
Hình 2. 15 Đường đặc tính P-V và thuật tốn INC
Lưu đồ thuật tốn Hình 2.16 giải thích sự hoạt động của thuật toán INC điều khiển theo điện áp tham chiếu. Các giá trị ḍng điện và điện áp của PV được đo và sau đó sử dụng các giá trị tức thời và giá trị trước đó để tính tốn các giá trị gia tăng của ∆I và ∆V. Thuật toán sẽ kiểm tra điều kiện của phương trình ở Hình 2.15.
− Nếu điểm hoạt động nằm phía bên trái điểm MPP thì chúng ta phải di chuyển nó sang bên phải bằng cách tăng điện áp của PMT.
− Nếu điểm hoạt động nằm bên phải điểm MPP thì chúng ta lại phải di chuyển nó sang bên trái tức là phải giảm điện áp PMT.
− Khi điều kiện ∆I/∆V = -I/V được thỏa mãn (chính là các điểm MPP) thì thuật toán này sẽ bỏ qua việc điều chỉnh điện áp.
− Một kiểm tra quan trọng của thuật toán này là phát hiện điều kiện của môi trường. Nếu điểm hoạt động vẫn ở điểm MPP (điều kiện ΔV= 0) và điều kiện bức xạ không thay đổi (ΔI = 0) thì sẽ khơng phải điều chỉnh điện áp hoạt động. Nếu như bức xạ tăng (ΔI > 0) thì điện áp MPP giảm nên thuật tốn INC phải tăng điện áp hoạt động để theo dõi điểm MPP. Nếu bức xạ giảm (ΔI < 0) dẫn tới điện áp điểm MPP cao hơn, phải giảm điện áp hoạt động để theo dõi
27
điểm MPP. Vào chu kỳ cuối, nó sẽ cập nhật lịch sử bằng cách lưu các giá trị điện áp và dòng điện hiện tại, sẽ sử dụng chúng như là các giá trị trước đó cho chu kỳ tiếp theo.
Hình 2. 16 Lưu đồ thuật tốn INC
2.5 Hiện tượng bóng che một phần và các ảnh hưởng
Bóng che một phần (Partial Shading Conditions -PSC) là một điều kiện mà tại đó ánh sáng mặt trời không chiếu sáng đều trên tất cả các tấm pin, các tế bào quang điện. Điều này dẫn đến hiện tượng bất ổn và các đặc tính I-V và P-V phức tạp. Hầu hết, bóng che một phần xảy ra khi các tế bào PV nhất định trên tấm PV hoặc cả tấm được che khuất khỏi ánh sáng mặt trời trực tiếp. Nghiên cứu chỉ ra rằng hầu hết các bóng che một phần xảy ra do cây xung quanh, mây che phủ, nhà cửa, phân chim, bụi / lá, nước và góc độ nghiêng của tấm pin mặt trời. Bóng che hồn tồn cũng tạo ra những vấn đề tương tự cho các hệ thống PV nhưng không được thảo luận nhiều như bóng che một phần vì lượng bức xạ mặt trời chiếu xuống các tấm pin PV là như nhau.
28
Hình 2. 17 Minh họa hiện tượng bóng che một phần
Ví dụ ở Hình 2.17 các cây cối, các tịa nhà và những đám mây gần đó là những lý do chính cho việc che bóng từng phần. Các lý do khác, khơng được hiển thị trong biểu đồ, cũng ảnh hưởng đến hiệu suất của một hệ thống PV và bao gồm nhiệt độ khác nhau, điều kiện thời tiết và mức độ cách ly.
Phương pháp theo dõi điểm cực đại (MPPT) thường là một phần thiết yếu của một hệ thống PV vì các đặc tính phi tuyến tính của mảng PV. Trong các điều kiện khí quyển thống nhất, mảng PV thể hiện một điểm cơng suất lớn nhất (MPP) có thể được theo dõi bằng các kỹ thuật MPPT thơng thường . Dưới điều kiện bóng che từng phần, tình huống trở nên phức tạp hơn khi PV tạo ra nhiều điểm công suất cực đại cục bộ (LMs) [6-9], một trong số đó là một GM tồn cục. Bóng che một phần là một hiện tượng khi một số mô-đun trong mảng PV nhận được mức chiếu xạ khác nhau do bụi, thời tiết nhiều mây hoặc từ bóng của các tịa nhà gần đó, cây cối, núi, vv. Thật vậy, che chắn một phần thực tế không thể tránh khỏi trong việc xây dựng các hệ thống PV tích hợp. Thật khơng may, các phương pháp MPPT thông thường không đủ khả năng để xử lý các điều kiện bóng mờ một phần. Theo [10,11], tổn thất năng lượng do sự hội tụ thuật tốn MPPT đến điểm cơng suất cực đại địa phương (LM) thay vì GM có thể lên tới 70%. Do đó, cần phải phát triển các phương pháp tìm MPPT mới có thể tìm kiếm GM từ tất cả các LM hiện có.
29
Hình 2.18 (a) cho thấy một sự sắp xếp thực tế hơn của mảng PV, trong đó có hai loại điốt (đường vịng và chặn) được nối vào. Trong suốt một phần bóng, nhiều mơ- đun PV được chiếu sáng ít hơn và hoạt động như một bộ phận thay thế máy phát [18- 19,20]. Tình trạng này làm giảm tổng phát điện và có thể gây ra vấn đề nóng [12]. Để bảo vệ các mơ-đun khỏi vấn đề nóng, một hoặc nhiều điốt bypass được nối song song với một nhóm các tế bào trong mỗi mơ-đun PV [13]. Các khóa điốt được kết nối vào cuối mỗi chuỗi PV để bảo vệ mảng không bị ảnh hưởng bởi sự mất cân bằng hiện tại giữa các dãy PV khác nhau tạo nên các dòng điện ngược.
Hình 2. 18 Vai trị Diode bảo vệ trong dãy PV
Hình 2.18 (a) cho thấy rằng mảng PV nhận được một bức xạ đồng đều, các điốt bypass của mỗi chuỗi đều có xu hướng phân cực ngược. Do đó, dịng điện trong PV chảy qua mô-đun PV và kết quả đường cong P-V biểu diễn một MPP duy nhất. Tuy nhiên, trong điều kiện bóng mờ từng phần thể hiện trong hình. 2.18 (b), chuỗi S1 nhận được mức chiếu xạ đồng đều, nhưng mơ đun được tơ bóng của chuỗi S2 nhận được bức xạ mặt trời giảm. Sự khác biệt về điện áp giữa hai mô-đun được chiếu xạ khác nhau của S2 chạy qua diode bỏ qua S2 của mơ-đun bóng mờ. Kết quả là đường cong P-V cho S2 được đặc trưng bởi hai LMs. Có thể khẳng định rằng trong suốt q trình
30
bóng mờ một phần, việc kích hoạt các điốt bằng đường vòng biến đổi đường cong P-V thành đường cong phức tạp hơn - đặc trưng bởi nhiều LM.
Hình 2. 19 Đồ thị mối tương quan P-V khi có hiện tượng bóng che
Các đặc tính P-V thể hiện trong Hình 2.2 có thể đại diện cho một tấm PV trong điều kiện bình thường. Tuy nhiên, ví dụ được thấy trong Hình 2.19 cho thấy các đặc tính P-V của mảng PV có thể bị ảnh hưởng bởi các bóng che trong các điều kiện khác nhau. Đường cong P-V có nhiều đỉnh do đó nó có nhiều điểm cơng suất cực đại (MPP) và trong trường hợp này có ba điểm. Chỉ có một MPP tồn cục và hai MPP địa phương, trong đó MPP tồn cục có giá trị MPP cao nhất trong đường cong P-V.