- 102/39 Phan Huy Ích, Phường 15, Q. Tân Bình, TP. HCM
- 0934 033 083
- T2 - CN: 7h45 - 17h
Mục lục
Tương lai của nguồn năng lượng tái tạo bền vững của nhân loại chủ yếu liên quan đến pin mặt trời. Các công nghệ quang điện được sử dụng để chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng để phục vụ cho nhu cầu tiêu thụ điện của con người. Nhiều ứng dụng được xem xét cho các hệ thống năng lượng mặt trời như ô tô, đèn đường, camera v.v. Những tiến bộ công nghệ gần đây thu hút sự chú ý của các nhà nghiên cứu để cải thiện các ứng dụng của hệ thống quang điện mặt trời, ví dụ, điện thoại di động có thể được sạc bằng năng lượng mặt trời hoặc ô tô lái sạc bằng tấm pin mặt trời thay vì năng lượng khí đốt hoặc diesel. Sự nóng lên toàn cầu và biến đổi khí hậu đáng rất đáng báo động và đã hạn chế việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch, do đó chính phủ của các nước khuyến khích người dân sử dụng các hệ thống năng lượng mặt trời và các ứng dụng của chúng. Mặc dù tài nguyên hóa thạch chưa cạn kiệt, nhưng lợi thế của hệ thống điện mặt trời và tác động môi trường của nhiên liệu hóa thạch là những vấn đề rất đáng để chung ta chuyển sang sử dụng tài nguyên năng lượng sạch.
Alexande-Edmond Becquerel lần đầu tiên quan sát khả năng của một số vật liệu cụ thể để hấp thụ sức mạnh của tia mặt trời vào năm 1839. Năm 1881, Charles Fritts đã tạo ra tấm pin mặt trời thương mại đầu tiên. Tuy nhiên, những tấm pin này không đủ hiệu quả, mãi cho đến năm 1939, Russell Ohl đã tạo ra nền tảng cho các tấm pin năng lượng mặt trời hiện đại, từ đó tạo tiền đề cho thiết kế pin mặt trời silicon khả thi đầu tiên của Bell Labs vào năm 1954.
Hệ thống điện năng lượng mặt trời gồm có nhiều thành phần khác nhau, bao gồm các tấm pin mặt trời để hấp thụ và chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng, biến tần năng lượng mặt trời để chuyển đổi dòng điện một chiều DC thành dòng xoay chiều AC, bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời để sạc cho ắc quy năng lượng mặt trời, và một số phụ kiện điện khác để thiết lập hệ thống làm việc.
Bài viết này, tôi sẽ nói về điều khiển sạc năng lượng mặt trời và tác động của chúng đối với hiệu suất tổng thể của hệ thống PV. Bộ điều khiển sạc hoặc bộ điều chỉnh sạc năng lượng mặt trời là thiết bị điều chỉnh điện áp hoặc cường độ dòng điện để bảo vệ pin (ắc quy lưu trữ điện) tránh khỏi sự quá tải. Điện áp hoặc dòng điện đến từ pin năng lượng mặt trời nên được điều chỉnh trước khi kết nối với pin lưu trữ. Bộ điều khiển sạc được sử dụng để điều chỉnh điện áp / dòng điện của tấm pin quang điện. Nói chung, các bảng điện năng thấp (1 đến 5 watt) sẽ không cần đến bộ điều khiển sạc, vì vậy đối với các bảng pin mặt trời công suất nhỏ, điều khiển sạc là không cần thiết.
Trong các hệ thống điện mặt trời độc lập, bộ điều khiển sạc pin năng lượng mặt trời sẽ quản lý dòng năng lượng đến hệ thống, ắc quy và các thiết bị tải bằng cách thu thập thông tin về các hạn chế và yêu cầu năng lượng tối đa cũng như tối thiểu của từng thành phần trong hệ thống. Các loại điều khiển sạc pin khác nhau và đặc điểm của chúng sẽ được thảo luận chi tiết trong các phần dưới. Bộ điều khiển độ rộng xung (PWM) và bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời MPPT theo dõi điểm công suất tối đa là hai loại phổ biến nhất hiện nay.
Công suất cực đại của mặt trời có thể được xác định bằng đường cong I-V của nó(biểu diễn trên đồ thị điện áp và cường độ dòng điện). Trong trường hợp đối với điện áp bằng 0 thì dòng điện cực đại (Isc) và đối với dòng điện bằng 0, điện áp cực đại (Voc) được áp dụng trong một hệ thống quang điện. Bộ điều khiển sạc được sử dụng để tối ưu hóa công suất đầu ra của hệ thống PV để đảm bảo năng lượng được sản xuất tối đa. Hình bên dưới minh họa mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện của hệ thống PV (đường cong I-V).
Các loại điều khiển sạc truyền thống trước đây điều khiển một cách cơ học dòng điện vào pin bằng rơle điện. Nhưng ngày nay, với bộ điều khiển sạc hiện đại sử dụng công nghệ PWM để làm chậm tốc độ truyền năng lượng vào pin cho đến khi nó được sạc đầy. Chế độ sạc PWM có thể được hiểu là một công tắc điện tử sê-ri (MOSFET) trong mạch giữa tấm pin PV và pin lưu trữ. Dạng sóng PWM được tạo ra bởi bộ vi xử lý để điều khiển bật/tắt công tắc điện tử, để điều khiển dòng sạc trung bình từ bảng pin PV đến pin và đạt được điện áp sạc trung bình của pin đó. Sơ đồ nguyên lý của bộ điều khiển PWM được thể hiện trong hình bên dưới:
Trong các phần sau, các đặc tính I-V của bộ điều khiển sạc PWM sẽ được thảo luận chi tiết. Do các xung sắc nét được sử dụng trong bộ điều khiển sạc PWM, vấn đề tiếng ồn nên được chú ý đối với các ứng dụng như TV hoặc radio, nơi nó sẽ gây ra nhiễu trong hoạt động của chúng.
Trong khi sạc bằng bộ điều khiển sạc PWM, điện áp bảng mặt trời sẽ hạ xuống mức điện áp pin (cao hơn một chút). Bằng cách BẬT và TẮT MOSFET, bộ điều khiển sạc PWM kết nối và ngắt kết nối các tấm pin mặt trời với pin lưu trữ. Trong hầu hết các trường hợp, tần số sạc của bộ điều khiển PWM sẽ nằm trong khoảng từ 25Hz đến 100Hz, chủ yếu là 50Hz.
Vì vậy, đối với bộ điều khiển PWM, dòng sạc thấp hơn một chút so với Isc (chúng ta có thể thấy nó từ đường cong V-I của tấm pin năng lượng mặt trời), đồng thời, điện áp làm việc của tấm pin PV bằng với điện áp pin lưu trữ. Vì vậy, năng lượng sạc của nó thấp hơn một chút so với Isc*Vbat. Vì vậy, nếu chúng ta không biết bộ điều khiển PWM có kích thước phù hợp với bảng điều khiển PV, chúng ta chỉ cần đảm bảo rằng Isc của mảng PV không cao hơn dòng sạc định mức của bộ điều khiển. Tất nhiên, chúng ta nên đảm bảo Voc của bảng điều khiển không được cao hơn điện áp tối đa của bộ điều khiển.
Bộ điều khiển sạc pin MPPT là loại công nghệ mới nhất, hiện đại và hiệu quả hơn phần lớn các loại điều chỉnh sạc khác. Chúng khớp với đầu ra của các tấm pin mặt trời và điện áp pin để đảm bảo sạc tối đa. MPPT là một kết nối gián tiếp giữa bảng pin năng lượng mặt trời và ắc quy bao gồm bộ chuyển đổi điện áp DC/DC đến các giá trị dòng điện cao hơn với nguồn cung cấp điện áp thấp hơn để có được sự truyền năng lượng tối đa. Có thể giá cao được coi là nhược điểm của loại điều khiển sạc pin này nhưng hiệu quả chúng rất cao khoảng 94 – 98% chúng ta có thể dễ dàng thấy được tầm quan trọng của các bộ điều khiển MPPT này khi ứng dụng cho các hệ thống điện năng lượng mặt trời quy mô lớn, chúng có thể giúp tiết kiệm một khoản tiền đáng kể vì chúng cung cấp thêm 10 – 30% năng lượng cho pin so với các công nghệ kém hơn.
Ví dụ, một tấm pin mặt trời có công suất 160W sẽ không có được toàn bộ năng lượng cho đến khi pin của nó đạt đến điện áp tối ưu. Với một PWM thông thường, pin của bộ điều khiển sạc sẽ nhận được một lượng điện năng bị hạn chế vì điện áp của mảng đầu vào bị giới hạn ở điện áp của pin và không có quy định nào về dòng điện. Tuy nhiên cũng trường hợp này, nếu sử dụng bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời MPPT, dòng điện được điều chỉnh sao cho với một mức điện áp nhất định, tốc độ dòng điện sẽ tăng, do đó công suất tối đa từ các tấm pin mặt trời sẽ nạp toàn bộ cho hệ thống lưu trữ. Cơ chế này ngăn ngừa mất tới 30% năng lượng so với các bộ điều khiển sạc thông thường.
Bây giờ hãy cùng thảo luận về nguyên tắc vận hành của một bộ điều khiển sạc MPPT; trong đó MCU (thiết bị điều khiển đa điểm) như một bộ não của cấu trúc điều khiển toàn bộ các mạch bao gồm các mạch lấy mẫu và trình điều khiển, giao tiếp, v.v. MCU được cung cấp bởi pin 3.6V trong khi mạch được cung cấp bởi 12 V và điện áp 5V để liên lạc được cung cấp. Mạch lấy mẫu tập hợp điện áp, nhiệt độ của pin mặt trời, pin lưu trữ, thiết bị tải và gửi tín hiệu đến MCU để xử lý dữ liệu và bắt đầu quá trình sạc. Chức năng đa sạc cũng được cung cấp thông qua mạch điều khiển MOSFET để bật/tắt.
Khi MOSFET hoạt động, điện áp của pin quang điện phải là sóng vuông với tần số hoạt động 40kHz để sạc pin. MOSFET xác định điện áp trung bình của tấm PV theo chu kỳ nhiệm vụ của nó. Các tụ điện thể hiện trong sơ đồ nguyên lý được sử dụng để lưu trữ năng lượng và ổn định điện áp. Chất lượng và kích thước của các tụ điện xác định gợn nên gợn càng nhỏ thì hiệu suất và hiệu quả của quá trình sạc càng tốt. Trường hợp MOSFET ở trên các tụ điện và bảng PV đang sạc thì trong lúc MOSFET tắt, pin mặt trời vẫn sạc cho các tụ điện. Điều này sẽ gây ra những dao động nhỏ trong điện áp của tấm pin, minh họa trong hình dưới:
Hi vọng bài viết so sánh chi tiết về bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời MPPT và PWM này sẽ giúp bạn đọc có một cái nhìn rõ ràng hơn về cấu tạo, cách vận hành cũng như hiệu quả của chúng.
Ngoài 2 công nghệ điều khiển sạc pin trên cũng có nhiều phương pháp thiết lập mạch điều khiển sạc năng lượng mặt trời khác mà bạn có thể tham khảo qua bài viết: https://givasolar.com.vn/mach-dieu-khien-sac-nang-luong-mat-troi-pho-bien/
