Hệ thống điện mặt trời (p2)

Trong bài viết trước, chúng tôi đã giới thiệu tổng quan về Hệ thống điện mặt trời. Sơ đồ khối một lần nữa được mô tả như Hình GA2-1. Bạn đã biết những thành phần cơ bản của một hệ thống điện mặt trời là tấm pin mặt trời, bộ điều khiển sạc, ắc-qui, và bộ biến đổi. Bây giờ chúng ta sẽ tiếp tục với điện mặt trời và tập trung vào bộ điều khiển sạc và ắc-qui.

ẮC-QUI

Ắc-qui chì-axit đóng kín chu kỳ sâu (xả sâu) là loại ắc-qui phổ biến nhất được sử dụng trong hệ thống điện mặt trời bởi vì giá thành ban đầu của nó thấp và chúng hiện đang sẵn có. Không giống như ắc-qui trên ô tô, là loại chu kỳ nông, ắc-qui chu kỳ sâu có thể xả một cách lặp đi lặp lại tới 80% dung lượng của nó, mặc dùng tuổi thọ của nó có thể dài hơn nếu chu kỳ nông hơn.

Ắc-qui chu kỳ sâu cần thiết trong hệ thống điện mặt trời đơn giản bởi vì ánh sáng mặt trời không cực đại trong toàn bộ thời gian – nó là một nguồn năng lượng gián đoạn. Khi cường độ ánh nắng từ mặt trời giảm do bị mây che hoặc hoàn toàn biến mất vào buổi tối, điện áp ra tấm pin mặt trời giảm nhanh chóng hoặc tiến về không. Trong khoảng thời gian ánh nắng yếu hoặc không có ánh nắng, ắc-qui sẽ xả một cách đáng kể khi có tải mắc vào. Thông thường điện áp ra của tấm pin mặt trời phải ít nhất bằng 13.6 V để nạp cho ắc-qui 12 V. Pin mặt trời thường có điện áp định mức lớn hơn điện áp ra danh định. Ví dụ, hầu hết pin mặt trời 12 V đều cho điện áp ra 16 V đến 20 V trong điều kiện ánh sáng tối ưu. Điện áp ra càng cao thì càng cần thiết bởi vì pin mặt trời sẽ tiếp tục tạo ra đủ điện áp sạc trong một số điều kiện không tối ưu.

Kết nối ắc-qui: Ắc-qui có thể mắc nối tiếp để tăng điện áp ra và mắc song song để tăng dung lượng ampe-giờ, như mô tả trong Hình GA2-2 cho một số ắc-qui. Nhiều ắc-qui nối tiếp có thể mắc song song để đạt được vừa tăng ampe-giờ vừa tăng điện áp ra. Ví dụ, giả sử hệ thống sử dụng ắc-qui 12 V, 200 Ah. Nếu hệ thống cần 12 V và 600 Ah, ba ắc-qui mắc song song sẽ được sử dụng. Nếu hệ thống cần 24 V và 200 Ah, hai ắc-qui mắc nối tiếp sẽ được sử dụng. Nếu cần 24 V và 600 Ah, ba cặp ắc-qui nối tiếp sẽ được mắc song song.

Bộ điều khiển sạc rất cần thiết trong hệ thống điện mặt trời sử dụng ắc-qi để lưu điện, trừ một số hệ thống yêu cầu công suất rất thấp. Bộ điều khiển sạc ổn định điện từ tấm pin mặt trời chủ yếu để ngăn ngừa sự quá sạc đối với ắc-qui. Quá sạc với ắc-qui làm giảm tuổi thọ của ắc-qui và có thể làm hỏng ắc-qui.

Nhìn chung, không cần bộ điều khiển sạc với hệ thống pin sạc nhỏ giọt, ví dụ hệ thống tạo ra công suất nhỏ hơn hoặc bằng 5 watt. Nguyên tắc chung là nếu pin mặt trời tạo ra nhỏ hơn hai watt nhỏ hơn trên mỗi 50 ampe-giờ của ắc-qui, thì không cần bộ điều khiển sạc. Bộ điều khiển sạc chỉ cần thiết nếu tấm pin mặt trời tạo ra hơn hai watt trên mỗi 50 Ah của ắc-qui. Ví dụ, nếu một ắc-qui 12 V định mức ở 120 Ah sẽ không cần bộ điều khiển sạc, như thể hiện ở những phương trình dưới đây, bởi vì công suất pin mặt trời nhỏ hơn 5 W.

Trong trường hợp này, mạch sạc được cho như Hình GA2-3. Đi-ốt ngăn chặn ắc-qui xả điện trở lại tấm pin mặt trời khi điện áp tấm pin rơi xuống dưới điện áp ắc-qui. Ví dụ, khi tấm pin mặt trời tạo ra 16 V, đi-ốt phân cực thuận và ắc-qui được sạc. Khi điện áp ắc-qui là 12 V và điện áp tấm pin rơi xuống dưới 12.7 V, đi-ốt phân cực ngược và ắc-qui không thể xả ngược lại tấm pin

Đối với hệ thống điện mặt trời công suất lớn hơn 5 W, bộ điều khiển sạc là cần thiết. Một cách căn bản, bộ điều khiển sạc ổn định điện áp 16 – 20 V đầu ra của tấm pin 12 V thông thường xuống đến mức ắc-qui cần và phụ thuộc vào lượng ắc-qui sạc, loại ắc-qui và nhiệt độ. Pin mặt trời tạo ra điện áp lớn hơn ở nhiệt độ thấp.

Các loại điều khiển sạc: Có ba loại bộ điều khiển sạc là on/off, PWM và MPPT. Loại cơ bản nhất là on/off, chỉ đơn giản theo dõi điện áp ắc-qui và dừng sạc khi điện áp ắc qui đạt đến một mức cho trước nào đó để ngăn ngừa quá sạc. Sau đó nó sẽ sạc trở lại khi điện áp ắc-qui rơi xuống dưới một mức định trước. Hình GA2-4 chỉ ra nguyên lý cơ bản. Chuyển mạch được thể hiện bằng một transistor để đóng và ngắt. Điện áp của ắc-qui được phản hồi lại mạch điều khiển. Khi điện áp dưới một mức thấp đã đặt trước, mạch điều khiển bật chuyển mạch đóng để sạc cho ắc-qui. Khi ắc-qui được sạc tới gia trị điện áp cao định trước, mạch điện khiển điều khiển chuyển mạch ngắt. Đi-ốt ngăn ngừa quá trình xả ngược trở lại mạch điều khiển khi điện áp ra của tấm pin nhỏ hơn ắc-qui.

Mạc điều khiển sạc PWM (pulse width modulation: Điều chế độ rộng xung) giảm dần dần lượng điện đưa đến ắc-qui khi ắc-qui đến gần hơn với mức đầy. Loại mạch điều khiển sạc này cho phép ắc-qui được sạc đầy hơn và giảm gánh nặng cho ắc-qui hơn. Điều này làm kéo dài tuổi thọ của ắc-qui và giữ cho ắc-qui ổn định ở trạng thái đầy (gọi là “nổi”) trong thời gian có nắng. Bộ điều khiển sạc PWM tạo ra một chuỗi các xung để sạc cho ắc-qui thay vì sạc cố định. Điện áp của ắc-qui liên tục được theo dõi để xác định điều chỉnh tần số và độ rộng của xung như thế nào. Khi ắc-qui được sạc đầy và không có tải nối với nó, bộ điều khiển tạo ra những xung với tốc độ rất thấp hoặc không có xung nào được tạo ra. Khi ắc-qui xả, xung dài hơn và có tốc độ lớn hơn sẽ được gửi đi hoặc bộ điều khiển sạc có thể đi vào chế độ sạc cố định, phụ thuộc vào lượng điện đã xả ra.

Hình GA2-5 chỉ ra nguyên lý cơ bản của bộ điều khiển sạc PWM. Ở phần (a), khối PWM và mạch điều khiển tạo ra những xung dựa trên đầu vào từ mạch lấy mẫu. Mạc lấy mẫu xác định điện áp thực sự trên ắc-qui bằng các lấy mẫu điện áp giữa các xung. Đi-ốt hoạt động như là một mạch chỉnh lưu và đồng thời ngăn sự xả ngược của ắc-qui trở lại bộ sạc vào ban đêm. Phần (b) diễn giải ắc-qui sạc như thế nào giữa mỗi xung và độ rộng và thời gian giữa các xung thay đổi khi ắc-qui sạc như thế nào.

Như bạn đã học, điện áp ra của pin mặt trời thay đổi mạnh với ánh nắng và nhiệt độ. Vì lý do này, pin mặt trời với điện áp định mức lớn hơn điện áp ắc-qui phải được sử dụng để cung cấp đủ điện áp sạc cho ắc-qui dưới trong điều kiện dưới mức lý tưởng. Như đã đề cập trước đây, pin mặt trời 12 V có thể tạo ra điện áp 20 V đưới điều kiện tối ưu nhưng chỉ có thể tạo ra một lượng dòng điện nhất định. Ví dụ, nếu một tấm pin mặt trời có thể tạo ra 8 A tại 20 V, nó đạt định mức tại 160 W. Ắc-qui thích hợp khi được sạc ở điện áp lớn hơn điện áp định mức của nó một chút. Nếu một ắc-qui 12 V đang được sạc ở 14 V, và dòng điện cực đại từ tấm pin bằng 8 A, công suất đưa đến ắc-qui là 8 A × 14 V = 112 W thay vì 160 W tạo ra bởi tấm pin mặt trời tại 20 V. Ắc-qui chỉ lưu được 70% năng lượng hiên có bởi vì ắc-qui 12 V không thể hoạt động được ở 20 V.

Bộ điều khiển sạc MPPT (maximum power point tracker: bám theo điểm công suất lớn nhất) loại bỏ đi nhiều phần năng lượng bị mất trong những bộ điều khiển sạc khác và tạo ra hiệu suất cao hơn. MPPT liên tục bám theo điện áp vào và dòng điện từ pin mặt trời để tìm ra khi nào công suất đỉnh xuất hiện sau đó điều chỉnh điện áp của ắc-qui để tối ưu quá trình sạc. Điều này tạo ra kết quả là công suất cực đại được chuyển từ tấm pin mặt trời sang ắc-qui. Trong Hình GA2-6, đường cong màu xanh lam là đặc tuyến điện áp-dòng điện của một tấm pin mặt trời dưới một điều kiện nhất định của ánh sáng tới. Đường cong màu xanh lá cây là công suất khi đỉnh xuất hiện, tại điểm uốn của đặc tuyến V-I. Nếu ánh sáng tới giảm, đường cong sẽ dịch xuống.

MPPT cơ bản là một bộ chuyển đổi DC-DC. Sơ đồ khối rút gọn cho biết nguyên lý chức năng cơ bản của nó được cho ở Hình GA2-7. Mặc dù có rất nhiều cách để xây dựng MPPT, nhưng hình vẽ mô tả các chức năng cơ bản. Bộ chuyển đổi DC/AC, máy biến áp, và bộ biến đổi AC/DC cách ly điện áp một chiều đầu vào và điện áp một chiều đầu ra, do vậy đầu ra sẽ được điều chỉnh để có công suất lớn nhất. Ví dụ, nếu một tấm pin 160 W tạo ra 20 V tại 8 A, nó cần phải giảm xuống xấp xỉ 13.6 V để sạc cho ắc-qui 12 V. Một bộ sạc thông thường sẽ không thể tạo ra dòng điện hơn 8 A tại 13.6 V (hoặc 109 W), điều đó có nghĩa là tấm pin không được sử dụng một cách hiệu quả và chỉ có 76% năng lượng hiện có từ tấm pin được sử dụng. Một bộ điều khiển sạc MPPT có thể cung cấp khoảng 11 A tại 13.6 V (150 W), do vậy giảm thời gian sạc và tạo ra phù hợp hơn giữa tấm pin và ắc-qui. Trong trường hợp này, tấm pin được sử dụng hiệu quả hơn bởi vì nó có thể chuyển tơi 94% công suất hiện có tới ắc-qui.