TIN TỨC

Năng lượng điện mặt trời và những phương pháp nâng cao chất lượng và hiệu suất

Posted On Tháng Tám 4, 2017 at 10:50 sáng by / No Comments

Bài báo này giới thiệu về năng lượng điện mặt trời và các biện pháp Nâng cao chất lượng và hiệu suất cho điện năng lượng mặt trời

Theo hiệp ước Kyoto nhân loại cần giảm tác động của môi trường, điều đó dẫn đến yêu cầu sử dụng năng lượng sạch. Năng lượng điện mặt trời là loại năng lượng tái sinh có nhiều ưu điểm:

– Dễ dàng lắp đặt tại các tòa nhà cao tầng

– Ít tác động tới môi trường

– Dữ trữ là một nguồn vô tận

1 Mở đầu

Hiệp ước Kyoto đã yêu cầu giảm tác động lên môi trường, điều đó đặt ra với thế giới cần phải sử dụng năng lượng sạch. Hạn chế sử dụng năng lượng từ nhiên liệu. Hiện tượng cạn kiệt năng lượng có nguồn gốc từ khoáng sản đã đẩy các nhà khoa học phải nghiên cứu các loại năng lượng mới nhằm đáp ứng về sử dụng năng lượng của loài người

Ngày nay việc sử dụng điện năng lượng mặt trời đang ngày càng phát triển. Hệ thống điện năng lượng mặt trời được sử dụng chủ yếu dưới 2 dạng:

  •  Hệ thống điện năng lượng mặt trời nối trực tiếp với lưới điện quốc gia. Hệ thống loại này không cần bộ tích trữ năng lượng, nó cung cấp điện năng được tạo ra trực tiếp cho lưới điện và được xem như một nguồn điện bổ sung cho lưới điện quốc gia
  • Hệ thống lưới điện độc lập và phải sử dụng hệ thống tich trữ năng lượng thường là các nhóm ắc quy. Ở hệ thống này tải (các thiết bị tiêu thụ điện) chỉ được cấp điện từ hệ thống điện mặt trời. Hệ thống có ưu điểm về mặt sinh thái và kinh tế cao. Tạo ra nguồn điện xoay chiều cho các khu dân cư hẻo lánh cách xa điện lướ quốc gia. Tuy nhiên hệ thống này Ắc quy là phần tử có qía trị đắt nhất của hệ thống, chiếm khoảng 15% giá thành lắp đặt hoặc 45% nếu tính giá thành khai thác và bảo trì

2 Cấu hình chính của lưới điện mặt trời

Tổng quát, cấu trúc chuẩn của lưới điện mặt trời có công suất cực đại gọi là lưới điện mặt trời có điều kiện PV PCS(Photovoltaic Power Conditioning System) gồm: loại không cách li gồm một module điện mặt trời PV(Photovoltaic), một bộ biến đổi(converter) DC/DC và một bộ biến đổi DC/AC, còn mạng cách li có thêm biến áp. Hệ thống không cách li do không có biến áp nên hiệu suất cao hơn; còn loại cách li có biến áp, hiệu suất thấp hơn. Trên hình 1 biểu diễn một lưới điện không cách li chứa bộ biến đổi DC/DC không cách li để điều chỉnh bộ ngược lưu điện áp liên kết DC và ngược lưu DC/AC nối với lưới xoay chiều. Hình 2 là bộ biến đổi không cách li, đây chính là bộ ngắt mạch song song DC/DC dùng cho lưới điện PV PCS. Sơ đồ loại này rẻ tiền và đơn giảntrong sử dụng, nhưng khi điện áp cực đại của pin lớn hơn 900V thì lúc này điện áp tải của bộ ngắt

mạch công suất có giá trị nhỏ nhất cũng phải trên 1200V. Điều này gây khó khăn cho lựa chọn các thành phần của bộ ngắt công suất và khó khăn thiết kế cuộn cản của bộ ngắt mạch song song.

Căn cứ vào cấu tạo lưới điện người ta chia ra làm:

– Lưới một pha  có kích thước nhỏ khoảng 5-6KWp. Ở hệ thống này công suất xoay chiều bị dao động nên cần các tụ điện lớn để tích lũy năng lượng và giảm độ dao động công suất. Các tụ điện này phải thực hiện động tác phóng nạp của ác qui với thời gian lớn do đó tuổi thọ của chúng giảm nên giá thành của hệ thống tăng.

Nâng cao hiệu suất cho điện năng lượng mặt trời
Nâng cao hiệu suất cho điện năng lượng mặt trời

–  Lưới điện 3pha có công suất AC không đổi ở lối ra được nối trực tiếp với luois điện quốc gia không cần thiết tụ điện lớn nên giá thành hạ, tuổi thọ của hệ thống tăng và công suất ra của hệthống cũng lớn có thể đạt 10-15KWp trong trường hợp sử dụng trên mái nhà

3 Mô hình pin điện mặt trời

Một tấm pin mặt trời PV (Photovoltaic cell) gồm các lớp bán dẫn chịu tác dụng của quang học để biến đổi các năng lượng phô tôn bức xạ mặt trời thành điện năng.Theo quan điểm năng lượng điện tử, thì pin mặt trời có thể được coi như những nguồn dòng  biểu diễn mối quan hệ phi tuyến I(V) như trên hình 3a, còn sơ đồ tương đương trên h.3b. Hiệu suất của tấm pin mặt trời sẽ lớn nhất  khi pin mặt trời cung cấp cho ta công suất cực đại.Theo đặc tính phi tuyến trên hình 3a thì nó sẽ xảy ra khi P(V) là cực đại tức là P(V)=Pmax tại điểm (Imax.Vmax) được gọi là điểm cực đại MPP(Maximum Point Power) . Hệ bám điểm công suất cực đại MPPT(Maximum Point Power Tracking) được sử dụng để đảm bảo rằng pin mặt trời sẽ luôn luôn làm việc ở điểm MPP bất chấp tải được nối vào pin

dac-tinh-pin-mat-troi

4. Các phương pháp nâng cao chất lượng và hiệu suất nguồn điện mặt trời

Từ cấu tạo của lưới điện mặt trời ta thấy để tăng hiệu suất và chất lượng của hệ thống điện mặt trời cần thực hiện nghững nội dung sau:

  4.1.Điều khiển bám điểm công suất cực đại

Vì  rằng nguồn năng lượng điện mặt trời có quan hệ phi tuyến giữa V-I, công suất ra của nó phụ thuộc chủ yếu vào các tải. Do đó  khi tải nối trực tiếp vào PV làm hiệu suất hệ thống giảm. Vì rằng giá một tấm pin mặt trời c̣n đắt  nên việc tăng hiệu suất phát điện của pin, kéo dài tuổi thọ của nó trở thành vấn đề chủ yếu. Công suất sinh ra do tấm PV phụ thuộc vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ  v́ thế để tăng hiệu suất của pin mặt trời cần có hệ thống điều khiển PV bám điểm công suất cực đại MPP nhằm t́m sự hoạt động tối ưu về điện áp của tấm PV để tăng hiệu suất của PV.

Để đạt được điều này ta phải có một thuật giải thay đổi dơi theo điểm công suất cực đại của tấm

PV.

Có rất nhiều kỹ thuật thực hiện để pin mặt trời bám điểm cực đại. Những kỹ thuật này có thểphân thành 2 nhóm chính: Kỹ thuật t́m kiếm và kỹ thuật t́m kiếm dựa trên mô h́nh. Kỹ thuật t́m kiếm dễ thực hiện nhưng đ̣i hỏi một số bước lớn mới hội tụ được điểm MPP[1] trong khi đó sẽ hội tụ rất nhanh điểm MPP với kỹ thuật t́m kiếm dựa trên mô h́nh. Kỹ thuật này đ̣i hỏi phải biết chính xác các thông số  của pin mặt trời  và các số đo  cả nhiệt độ  và bức xạ mặt trời.

Kỹ thuật tìm kiếm có thể gói gọn trong 3 bước sau:1.Làm nhiễu loạn PV, 2.Quan sát  đáp ứng của pin, 3.Thực hiện thay đổi nối các tấm pin thích hợp. Nhóm phương pháp này không sử dụng các thông số của pin, tính toán ít nhưng cần các cảm biến đo điện áp và ḍng điện của pin. Nhược điểm cơ bản của phương pháp là  cần một số lượng lớn động tác lặp để t́m điểm MPP.

Loại thứ 2 là tìm kiếm dựa trên mô hình.  Ở phương pháp này phải thực hiện: hoặc  mô h́nh máy phát, mô h́nh hoặc tải  để đạt được sự bám nhanh điểm MPP. Phương pháp có thời gian t́m điểm MPP nhỏ nhất nhưng cần một máy tính có CPU với độ nhạy cao và các cảm biến đobức xạ mặt trời.

Nhiệm vụ cơ bản ở đây là xây dựng các thuật toán t́m kiếm và bám điểm công suất cực đại của pin. Đă có nhiều công tŕnh công bố các thuật giải t́m và bám điểm MPP, tuy nhiên phần lớn các thuật giải chỉ phù hợp với điều kiện lư tưởng và nó cũng không đạt được sự bám chính xác điểm cực đại công suất trong điều kiện một phần bị bóng che khuất. Nếu một phần của ma trận tấm PV bị các ṭa nhà, bóng cây che khuất th́ việc t́m các điểm MPP rất khó khăn. Nếu module với những ḍng tối ưu khác nhau gây nên bởi những vùng cách li bất thường được mắc nối tiếp song Song thí điểm công suất cực đại địa phương (MPPs) thường xuất hiện ở đặc tính von-công suất. Điều này dẫn đến thực tế là, ḍng tối ưu của mỗi module PV gần như tỷ lệ với phần cách li đặt lên nó. Trong điều kiện này, th́ một bộ điều chỉnh bám điểm MPPT thông thường được dùng để bám điểm cực đại địa phương. Tuy nhiên việc tạo năng lượng sẽ bị giảm và hiệu suất cả hệ PV sẽ nhỏ đi. Có hàng loạt nghiên cứu nhằm thực hiện thuật giải t́m MPP[1], tuy nhiên phần lớn các thuật giải đó đều liên quan tới tính toán dài ḍng, trực tuyến gửi dữ liệu hoặc phải dùng một sơ đồ phức tạp.

4.2.Xây dựng các bộ biến đổi có hiệu xuất cao

   4.2.1 Các loại bộ biến đổi dùng cho lưới điện mặt trời.

Bộ biến đổi có thể được chia thành 2  nhóm chính: nguồn điện áp (VSI) và nguồn  dụng điện (CSI). Gần đây xuất hiện loại  biến đổi nguồn Z kết hợp giữa 2 loại này[6].  Một bộ VSI với điểm nối zero cần một bộ liên kết ḍng một chiều DC  650V để cấp điện cho lưới điện 3 pha 400V, khi tụ điện kết nối ḍng một chiều cần có có biên độ điện áp lớn hơn  biên độ điện áp pha. Trong thiết kế thực tế, khâu kết nối ḍng một chiều  thường có điện áp 700-750V do có khoảng 10% sai số của lưới và để dự trữ điều khiển. Lư do điểm trung tính cần được nối vào khâu kết nối DC chính là để tối thiểu hóa  điện áp chung ở các module PV. Một CSI nối với module PV cần điện áp làm việc cao hơn tại MPP do dung sai của nhà sản xuất module. Một điểm MPP có điện áp cao như vậy có thể thực hiện được. Cần bổ xung một bộ ngắt mạch ḍng một chiều nối  tiếp (BC), để  có thể làm việc với MPP điện áp thấp (hình 4).

Một CSI (h́nh 5) có thể thay cho cấu trúc VSI+BC do tính nhảy bậc điện áp của module. Bộ CSI nối trực tiếp với module PV là đặc trưng của tầng biến đổi công suất cấp điện cho lưới điện và cho MPPT. Muốn có hệ số công suất của CSI bằng 1, th́ giá trị điện áp của MPP có giới hạn trên khoảng 400V. Điện áp này được lấy từ điện áp dây  chỉnh lưu thấp nhất trừ đi dung sai của lưới. Khi thực hiện so sánh với cấu trúc cơ bản của 2 bộ biến đổi loại trên, thấy thấy rằng một bộ VSI+BC được xây dựng bằng IGBT có tính chất tốt hơn khi làm việc ở vùng công suất trung bình với pin nhiên liệu[5], nhưng tính chất này lại không có được khi làm việc ở vùng công suất thấp với PV. Ví dụ một bộ CSI rất phù hợp khi sử dụng MOSFET như các diod mắc nối tiếp cung cấp một điện áp dự trữ để không cho ḍng điện chạy từ lưới vào các điod. Một bộ VSI dùng diod ngoài cần một diod mắc nối tiếp như mô tả ở h.4. Do có 2 tầng biến đổi và giá thành VSI+BC lớn nên người ta dùng CSI. Gần đây CSI được biết như là nguồn công suất lớn  và được sử dụng cho một hệ thống pin nhiên liệu có công suất cỡ KW. Người ta đă nghĩ tới thiết kế , sử dụng bộ biến nguợc 200W cho  PV.

Để loại trừ những nhược điểm của hệ thống PV không cách li, mà sử dụng bộ biến đổi DC/DC(h.2).người ta đề xuất một sơ đồ bộ biến đỏi DC/DC mới. Sơ đồ mới này mắc nối tiếp 4 cầu diot DC/DC đối xứng cách li hoàn toàn. Đặc biệt, điện áp vào PV được nối với anod của cầu chỉnh lưu DC/DC diod. Bây giờ điện áp kết nối một chiều(điện áp vào của bộ biến đổi ) biểu diễn bằng:

VDC = VC + VPH  (1)

trong đó VDC là điện áp ra, VC là điện áp ra của bộ biến đổi, VPH là điện áp của tế bào pin mặt trời.Ưu điểm của hệ thống mới như sau:

– Có hiệu suất sử dụng cao với phạm vi tải rộng.

– Tỷ số điện áp công suất đóng mở thấp(do mắc nối tiếp)

– Công suất bộ biến đổi DC/DC chỉ cần một phần 3 công suất so với bộ biến đổi DC/DC

cổ điển.

Bộ biến đổi này cho phép tăng hiệu suất trong phạm vi toàn tải và được xác định như

sau[4]:

ξC = (PB + PC . ξdc/dc)   (2)

Trong đó ξC là hiệu suất bộ biến đổi mới, PB là phần trăm công suất tổn hao, PC-là phần trăm công suất của bộ biến đổi, ξdc/dc là hiệu suất của cầu chỉnh lưu DC/DC đối xứng.

[Còn nữa]

Các Tin khác

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

Tư Vấn Kỹ Thuật
Copy Protected by Chetan's WP-Copyprotect.