Những phương pháp mạch điều khiển sạc năng lượng mặt trời phổ biến

Các tấm pin năng lượng mặt trời cung cấp điện năng cho các thiết bị điện – điện tử cần thiết trong nhà, bên ngoài và bất cứ nơi nào bạn cần. Một giải hệ thống năng lượng mặt trời hoàn chỉnh bao gồm các tấm pin mặt trời, bộ ắc quy lưu trữ điện và bộ điều khiển sạc để quản lý mối liên hệ giữa pin mặt trời và ắc quy. Điều thường bị hiểu lầm hoặc bị bỏ qua hoàn toàn là các bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời đóng một vai trò cực kỳ quan trọng đối với các hệ thống điện mặt trời có ắc quy lưu trữ. Việc lựa chọn bộ điều khiển không chính xác có thể làm giảm tuổi thọ của ắc quy, chi phí cao hơn hoặc hiểu quả thấp hơn kỳ vọng.

Ở bài viết này, chúng ta sẽ so sánh 8 ứng dụng mạch điều khiển sạc năng lượng mặt trời thông dụng hiện nay bao gồm sạc trực tiếp, sạc diode điều chỉnh, sạc điều chỉnh thấp, sạc chuyển đổi DC-DC, theo dõi điểm công suất tối đa (MPPT), theo dõi điểm công suất tỷ lệ (RPPT), điểm đặt cố định theo dõi (FPPT) và sạc điều chế độ rộng xung (PWM).

Chúng tôi sẽ giới thiệu về từng ưu điểm, nhược điểm và lý do tại sao bạn nên sử dụng loại công nghệ nào trong một môi trường cụ thể hoặc trường hợp sử dụng phù hợp.

I. Hiểu về bộ điều khiển sạc pin năng lượng mặt trời

Việc hiểu được khi nào bộ điều khiển sạc là cần thiết và chọn bộ điều khiển sạc như thế nào cho một ứng dụng cụ thể là rất quan trọng.

Trước khi đi sâu vào bộ điều khiển sạc, điều quan trọng là phải hiểu rằng một tấm pin mặt trời trong bóng tối sẽ hoạt động giống như một điốt được kết nối qua pin (ắc quy).

Điều này có nghĩa là bất kỳ mạch nào mà pin năng lượng mặt trời có kết nối trực tiếp với các cực của pin lưu trữ thì khi trời tối các tấm pin mặt trời sẽ làm cạn kiệt pin lưu trữ. Để ngăn chặn điều này, một diode chặn phải được đặt giữa bảng pin năng lượng mặt trời và pin để đảm bảo rằng dòng điện không thể chảy ngược từ pin dự phòng trở lại pin mặt trời.

II. Các loại mạch điều khiển sạc năng lượng mặt trời

Ở bài viết này tôi sẽ giới thiệu cho các bạn những ứng dụng điều khiển sạc năng lượng mặt trời khác nhau, chi tiết về những điểm mạnh và yếu của từng loại:

1. Sạc trực tiếp

Tức là không sử dụng bộ điều khiển sạc pin năng lượng mặt trời. Sạc trực tiếp từ tấm pin mặt trời có thể thực hiện an toàn nếu bạn dùng để sạc cho pin axit-chì. Đối với pin axit-chì, nếu dòng điện sạc vào pin nhỏ hơn 1/100 công suất amp giờ của pin thì có thể sạc an toàn mà không cần bộ điều khiển sạc.

Ví dụ: nếu pin có dung lượng 80Ah thì 80/100 = 0,8. Điều này có nghĩa là pin có thể được sạc một cách an toàn bởi một tấm thu năng lượng mặt trời không quá 0,8A ở điện áp nổi của pin lưu trữ, xấp xỉ 13,8V. Đây là giải pháp sạc chi phí thấp nhất nhưng nó không cho phép sạc pin nhanh vì bạn chỉ có thể sử dụng bảng pin mặt trời công suất thấp.

Ngoài ra, phương pháp này có hiệu quả tương đối thấp vì tấm pin sẽ phải giữ ở mức điện áp pin thay vì ở điểm năng lượng tối đa. Phương pháp này hoạt động tốt đối với các hệ thống có mức tải pin thấp và mục tiêu chính là duy trì pin trạng thái sạc trong thời gian nhàn rỗi, chẳng hạn như trong bể mô-tơ.

2. Điốt điều tiết sạc

Loại hệ thống sạc thứ hai sử dụng một diode zener làm thiết bị điều chỉnh điện áp đầu ra để giữ cho điện áp không vượt quá mức tối đa. Ví dụ về một mạch điều khiển sạc năng lượng mặt trời như thế này được chúng tôi thể hiện trong hình bên dưới đây. Lưu ý rằng trong hệ thống D1 này được kết hợp như một điốt chặn.

Những phương pháp mạch điều khiển sạc năng lượng mặt trời phổ biến 1
Hình 1.

Nhánh mạch với R2 và đèn LED màu xanh lá cây là mục đích làm chỉ báo của chúng ta. Điều này là để giúp ta nhận biết được rằng tấm pin năng lượng mặt trời có đang tạo ra một lượng điện hay không.

Loại chỉ báo này sẽ bật ngay cả khi không có đủ nguồn điện từ tấm pin mặt trời để sạc đầy đủ cho một thiết bị. Trong một số trường hợp, một thiết bị có thể chỉ báo sạc do sự hiện diện của điện áp sạc mặc dù thiết bị vẫn đang xả do tốc độ tiêu thụ thiết bị cao hơn tốc độ phát điện mặt trời.

Ngoài ra, việc bổ sung các mạch chỉ báo như đèn LED có thể làm giảm tốc độ sạc chung của bạn. Khi sạc các thiết bị năng lượng cao như điện thoại, năng lượng tiêu thụ của đèn LED nhỏ so với năng lượng của thiết bị, nhưng nếu chỉ báo tương tự được đặt trên thiết bị công suất thấp, đèn LED có thể tiêu thụ nhiều năng lượng hơn chính thiết bị đó.

Trong quá trình hoạt động khi bảng năng lượng mặt trời được chiếu sáng, nó sẽ tạo ra một điện áp dựa trên loại pin mặt trời và dòng điện dựa trên mức độ ánh sáng. Khi đầu ra thấp hơn 4,7V, một số dòng điện được sản xuất được tiêu thụ bởi diode zener, sau đó làm lệch bóng bán dẫn và cho phép dòng điện chạy vào pin.

Khi điện áp đầu ra tăng, điện trở hiệu dụng của bóng bán dẫn sẽ bắt đầu tăng cho đến khi bóng bán dẫn tắt và quá trình sạc pin bị chấm dứt.

Để mạch này hoạt động với hiệu suất hợp lý, điện áp điểm năng lượng mặt trời phải phù hợp tốt với pin hoặc điện áp tải. Dòng sạc tối đa vào pin được điều khiển bởi dòng tối đa do bảng năng lượng mặt trời tạo ra và không bị giới hạn trong mạch.

Mạch diode này là một lựa chọn rẻ tiền để sạc nhưng không có hiệu quả hoặc bảo vệ pin tích hợp của các hệ thống khác. Phải hết sức cẩn thận khi sử dụng một mạch điều khiển sạc năng lượng mặt trời như thế này vì nếu một trong các thành phần mạch không chính xác, nó có thể sạc pin quá mức và làm hỏng hoặc thậm chí là gây cháy. Ngoài ra, nếu nó được kết nối với pin ngược lại, nó có thể làm hỏng pin.

3. Sạc điều chỉnh điện áp thấp

Bộ điều chỉnh điện áp thấp (LDOs) có thể được sử dụng cho bộ điều khiển sạc trên nhiều loại pin. Chúng hoạt động bằng cách đặt điện áp sạc tối đa.

Các hệ thống này có chi phí tương đối thấp và có thể được thiết kế để hạn chế dòng sạc vào pin. Hiệu suất thấp khi điện áp của tấm pin mặt trời cao hơn nhiều so với điện áp pin lưu trữ vì LDO thực sự là một điện trở thay đổi, do đó trở kháng đầu vào không được thiết lập để lấy năng lượng từ mặt trời ở điểm công suất tối đa.

LDO sạc hiệu quả nhất khi tấm pin năng lượng mặt trời được thiết kế với điện áp điểm nguồn gần với dải điện áp sạc của pin. Chúng cũng chủ yếu được sử dụng trên các hệ thống năng lượng thấp để giữ cho tản nhiệt thông qua LDO ở mức có thể quản lý được.

Hình bên dưới đây sẽ giúp bạn dễ hình dung hơn. Sử dụng phương trình cho IF cho phép tính toán dòng điện của hệ thống và giới hạn được đặt. Hệ thống này chỉ hoạt động đối với các LDO là đầu ra điện áp thay đổi.

LDO cố định cũng có thể được sử dụng để sạc pin nhưng không có khả năng kiểm soát tốc độ dòng sạc.

Những phương pháp mạch điều khiển sạc năng lượng mặt trời phổ biến 2
Hình 2.

4. Sạc chuyển đổi DC-DC

Bộ chuyển đổi DC-DC, Buck hoặc Boost, có thể được sử dụng làm bộ sạc pin. Các hệ thống này đắt hơn ba tùy chọn trước, nhưng cung cấp hiệu quả cao hơn và có nhiều tính năng hơn. Chúng có thể được xây dựng bằng cách sử dụng buck hoặc boost thiết kế tham chiếu với việc bổ sung mạch theo dõi điểm công suất hoặc một trong nhiều IC ngoài kệ có mạch theo dõi điểm công suất được tích hợp.

Bộ chuyển đổi DC-DC rất hữu ích cho việc sạc pin trên một phạm vi năng lượng từ μW đến kW. Chúng có nhiều mức độ phức tạp khác nhau, nhưng điều quan trọng nhất cần thiết để chúng tương thích với tấm pin năng lượng mặt trời là khả năng duy trì điện áp đầu vào của bảng gần điểm nguồn của nó.

Theo dõi điểm công suất là quan trọng để duy trì chức năng của bộ sạc trong tất cả các tình huống ánh sáng. Ví dụ, trong trường hợp bộ chuyển đổi buck nếu tải có dòng điện lớn hơn tấm pin thì MOSFET (transistor hiệu ứng trường) phía cao sẽ bật và tấm pin sẽ được kéo xuống điện áp pin. Điều này sẽ dẫn đến việc mất điện đáng kể nếu điện áp pin của pin cách xa điểm công suất tối đa của pin năng lượng mặt trời.

Đối với bộ chuyển đổi tăng áp nếu không có đủ nguồn từ bảng điều khiển, bộ chuyển đổi sẽ rút đủ dòng để giảm điện áp dưới ngưỡng “bật” của bộ chuyển đổi và không cho phép hệ thống hoạt động. Bằng cách thêm một hệ thống theo dõi điểm công suất, những vấn đề này có thể được khắc phục.

Hệ thống theo dõi điểm công suất có ba biến thể: theo dõi điểm công suất tối đa (MPPT), theo dõi điểm công suất tỷ lệ (RPPT) và theo dõi điểm công suất cố định (FPPT). Hãy cẩn thận khi chọn loại theo dõi điểm công suất. Để tìm hiểu điểm khác biệt giữa 3 biến thể này hãy tiếp tục đọc bài viết nhé!

5. Điều khiển sạc năng lượng mặt trời theo dõi điểm công suất tối đa (MPPT)

Một hệ thống theo dõi điểm công suất tối đa thường sẽ có một vi điều khiển, thực hiện một thuật toán như là “nhiễu loạn và quan sát” để xác định và duy trì trở kháng đầu vào của hệ thống tại điểm công suất tối đa cho một bảng pin năng lượng mặt trời. Nó hoạt động bằng cách quét định kỳ trở kháng đầu vào của bộ chuyển đổi và đo lường sự thay đổi công suất tương ứng.

Khi kết thúc quá trình quét, trở kháng đầu vào của hệ thống được đặt tại điểm thu thập công suất tối đa cho đến khi quá trình quét tiếp theo được thực hiện. Các hệ thống này có thể rút ra lượng điện năng tối ưu từ một tấm pin mặt trời trong mọi điều kiện ánh sáng bao gồm cả tình huống bị bóng râm che khuất một phần.

6. Bộ điều khiển sạc pin năng lượng mặt trời theo dõi điểm công suất tỷ lệ (RPPT)

Một bộ điều khiển sạc điện mặt trời RPPT cũng sử dụng một vi điều khiển, nhưng thay vì định kỳ thay đổi trở kháng đầu vào thì nó đo công suất theo dõi tỷ lệ định kỳ đo điện áp mạch mở (không tải) và đặt trở kháng đầu vào của bộ chuyển đổi, để giữ điện áp của pin mặt trời ở một tỷ lệ cố định của điện áp mạch mở đo được.

Loại hệ thống này hoạt động tương đối tốt và ít tốn kém để thực hiện hơn một hệ thống theo dõi điểm công suất tối đa chính xác. Nó hoạt động tốt bởi vì khi cường độ ánh sáng thay đổi hoặc nếu một tế bào quang điện riêng lẻ bị hỏng hoặc bị che khuất thì các tế bào còn lại sẽ tạo ra một tỷ lệ tương tự như toàn bộ mảng. Tỷ lệ phần trăm là rõ ràng cho công nghệ năng lượng mặt trời. Ví dụ, tỷ lệ đối với silic vô định hình sẽ vào khoảng 0,7, trong khi tỷ lệ đối với silic đơn tinh thể sẽ là 0,8.

7. Điều khiển sạc theo dõi công suất điểm đặt cố định (FPPT)

Các bộ điều khiển sạc pin FPPT là các hệ thống theo dõi điểm công suất ít tốn kém nhất và hoạt động rất tốt khi được khớp với một tấm pin cụ thể và hoạt động trong môi trường ánh sáng khoảng 150W/m² đến 1000W/m². Chúng sẽ hoạt động ở mức ánh sáng thấp hơn, nhưng do điện áp pin mặt trời giảm khi mức ánh sáng giảm nên chúng sẽ không chạy gần điểm công suất tối đa như hai hệ thống theo dõi điểm công suất kể trên.

8. Điều chế độ rộng xung

Loại bộ điều khiển sạc cuối cùng là bộ điều khiển sạc điện năng lượng mặt trời PWM. Hệ thống này kết nối và ngắt kết nối bảng điều khiển đến và ra khỏi pin lưu trữ trong từng đợt ngắn và theo dõi điện áp của pin để xác định trạng thái sạc. Bộ sạc PWM sẽ chỉ hoạt động với các tấm pin mặt trời có điện áp cao hơn pin mà chúng đang sạc.

Các hệ thống này kém hiệu quả hơn nhiều so với các hệ thống chuyển đổi DC-DC vì mỗi lần hệ thống xung động và kết nối pin lưu trữ với pin năng lượng mặt trời, điện áp của bảng được đặt ở điện áp pin. Hình 3 sẽ cho thấy phần trăm điểm năng lượng tối đa mà một tấm pin năng lượng mặt trời đang hoạt động tại ba bộ điều khiển khác nhau bao gồm cả PWM.

Bộ điều khiển PWM chỉ có thể đặt 60 – 80% năng lượng đỉnh của bảng pin quang điện vào ắc quy lưu trữ. Điều này có nghĩa là nếu bạn có tấm pin có điểm nguồn 18V, giống như nhiều bảng c-Si có sẵn trên thị trường, bộ điều khiển PWM sẽ đặt điện áp bảng ở mức 10,5 đến 14,5V tùy thuộc vào mức sạc pin. Đây là khoảng biên độ điện áp rộng từ điểm công suất của tấm pin, do đó, năng lượng từ tấm pin đưa vào ắc quy năng lượng mặt trời sẽ thấp hơn nhiều so với công suất đầu ra định mức của tấm pin PV.

Những phương pháp mạch điều khiển sạc năng lượng mặt trời phổ biến 3
Hình 3.

Có một số tùy chọn khác nhau để sạc pin bằng năng lượng mặt trời. Bảng 1 dưới đây sẽ giúp bạn so sánh sơ bộ của các phương pháp điều khiển sạc. Như với tất cả các lần sạc pin, điều quan trọng là nhà thiết kế phải hiểu thuật toán sạc và các yêu cầu đối với pin mà họ dự định sử dụng và thực hiện một hệ thống sạc tương thích và an toàn cho pin đó.

Những phương pháp mạch điều khiển sạc năng lượng mặt trời phổ biến 4
Bảng 1.

Khi chọn phương pháp điều khiển sạc năng lượng mặt trời, hãy cẩn thận mổ xẻ từng trường hợp sử dụng của bạn để đảm bảo rằng công nghệ được chọn của bạn sẽ thực hiện cho bạn mà không gặp sự cố.

Như vậy, sau khi đã đọc hết bài viết bạn đã có quyết định riêng cho mình về việc lựa chọn một phương pháp điều khiển sạc năng lượng mặt trời tối ưu nhất chưa?

Game bài đổi thưởng
Link with us