Thiết kế giao diện front-end hiệu quả trong hệ thống năng lượng mặt trời

Thiết kế giao diện front-end hiệu quả trong hệ thống năng lượng mặt trời

Để tối đa hóa tiềm năng củanăng lượng mặt trời, giao diện đầu cuối (nằm giữa pin và mạch khai thác năng lượng) phải tính đến đặc điểm của các loại pin này; thông qua các thuật toán khác nhau và nhiều phần cứng/phần mềm khác nhau, điều này có thể đạt được để tối đa hóa tiềm năng của năng lượng mặt trời.

Năng lượng mặt trời dường như là nguồn năng lượng miễn phí, có thể tái tạo vô hạn. Trên thực tế, việc chuyển đổi các electron tác động trong mặt trời thành các nguồn tài nguyên có thể sử dụng đòi hỏi các giải pháp thiết kế nghiêm ngặt, thiết bị điện tử tiên tiến và quản lý sạc/xả pin tinh vi. Năng lượng mặt trời được sử dụng rộng rãi và có thể được chia thành ba loại chính:

• Thu thập năng lượng cho IoT để ghi dữ liệu (phạm vi công suất là miliwatt, đầu ra DC, điện áp thấp.)

• Nguồn năng lượng dự phòng, bổ sung cho các cơ sở dân dụng hoặc vùng xa. (Có thể vận chuyển, công suất từ ​​hàng trăm watt đến kilowatt, đầu ra AC, điện áp đường dây)

• Là một phần của lưới điện, được cố định tại chỗ, với công suất đạt tới hàng chục nghìn kilowatt và dòng điện xoay chiều đầu ra lên tới hàng nghìn vôn.

Trong Hình 1, thiết bị năng lượng mặt trời (mạch không dây) có một số lượng lớn các chức năng phụ, mặc dù các ứng dụng thực tế có thể bỏ qua sự bất tiện mà người dùng gặp phải. Ở cấp độ cao, hệ thống điện chỉ là một phần nhỏ nhưng thực sự quan trọng của thiết kế: nó bao gồm một đầu cuối giao diện với và thu thập năng lượng từ các tế bào năng lượng mặt trời; nó cung cấp năng lượng cho phần tử lưu trữ (pin hoặc siêu tụ điện), hệ thống cũng bao gồm một khối quản lý tải điện có nhiệm vụ trích xuất năng lượng từ các phần tử lưu trữ. Năng lượng (joule) mà hệ thống thu thập được là có sẵn, nhưng nó được giải phóng dưới dạng công suất (watt) để đáp ứng các yêu cầu của tải. [Công suất là tích số chuyển đổi của năng lượng để vận hành tải; nhưng trước tiên nó phải được thu thập dưới dạng năng lượng.]

Hình 1: Trong trường hợp này, đối với IoT, một hệ thống năng lượng mặt trời hoàn chỉnh bao gồm nhiều khối chức năng; các khối chức năng (như cảm biến và liên kết RF) không có tác dụng khi được sử dụng làm nguồn điện dự phòng hoặc nguồn điện dự phòng. (Nguồn: Mouser)

Trên thực tế, chúng ta phải hiểu chính xác có bao nhiêu năng lượng có thể được khai thác từ mặt trời. Lượng bức xạ mặt trời trung bình đến các lớp trên của bầu khí quyển Trái đất là khoảng 1 kilowatt trên một mét vuông, hoặc 0,1 watt trên một cm vuông.

Có thể thấy từ đây rằng, đặc biệt là trong các ứng dụng thu hoạch phạm vi MW (nơi không cần lo lắng về tổn thất I2R), bất kỳ tổn thất nhỏ nào do hệ thống cung cấp điện mặt trời gây ra đều rất quan trọng. Khía cạnh thách thức nhất của quá trình tối ưu hóa này là ở đầu cuối, nơi công suất đầu ra của các tế bào quang điện phải được trích xuất và thu hoạch. Điều này là do bất kỳ tổn thất hoặc tình trạng kém hiệu quả nào cũng không thể bù đắp được sau thời điểm này và tác động của năng lượng mặt trời sẽ mất mãi mãi.

1. Hiệu quả bắt đầu từ ổ cắm điện

Không giống như hầu hết các nguồn điện thông thường, chẳng hạn như điện trở bên trong, có nguồn điện áp hoặc dòng điện có các thông số cố định, pin mặt trời có các đặc tính khác thường. Bỏ qua điện áp và dòng điện đầu ra, mục tiêu của nhà thiết kế là thu được công suất tối đa từ pin mặt trời, nhưng cả điện áp và dòng điện sẽ thay đổi khi điều kiện vận hành thay đổi.

Dựa trên một tập hợp các điều kiện hoạt động nhất định, có một "điểm hoạt động" duy nhất được gọi là điểm công suất cực đại (MPP) tại đó pin cung cấp công suất đầu ra cực đại (V × I). Để trích xuất công suất, điện trở của mạch được kết nối - phải phù hợp với đặc điểm điện trở của pin.

Tình huống khớp nối này tương tự như khớp nối bất kỳ nguồn điện nào với tải để truyền tải công suất tối đa, chẳng hạn như giữa trở kháng đầu ra của bộ khuếch đại công suất và ăng-ten tải hoặc từ ăng-ten đến đầu cuối RF. Trong hầu hết các trường hợp như vậy, các thông số của trở kháng nguồn và tải tương đối không đổi, do đó, một mạch cố định được hình thành (trong một số ứng dụng, đặc biệt là RF hiệu suất cao, người ta cũng cho rằng do tự làm nóng và điều kiện môi trường, một số thông số không thay đổi theo sự thay đổi của nhiệt độ).

Tuy nhiên, điều kiện hoạt động của pin mặt trời không phải là hằng số và thay đổi liên tục do sự thay đổi của ánh sáng, nhiệt độ của pin, tuổi của pin và các yếu tố khác. Do đó, để đạt được hiệu suất tối đa, hệ thống năng lượng mặt trời phải thay đổi động tải trên pin, được gọi là theo dõi điểm công suất cực đại (sau đây gọi là MPPT). MPPT phản ánh mối quan hệ giữa đường tải, đường công suất cực đại và điện áp dòng điện, mối quan hệ giữa đường tải, đường công suất cực đại và điện áp công suất

MPPT có thể đạt được theo một số cách: Trong kỹ thuật "làm nhiễu và quan sát", điện trở đầu cuối được "dithered" trong khi đầu ra của bo mạch được theo dõi; nếu nó tiếp tục tăng theo hướng này, nó sẽ được phát hiện trong một phạm vi nhất định Khi đầu ra là cực đại, đây là một cách tiếp cận tiêu chuẩn đối với các vấn đề tối ưu hóa. Các phương pháp khác bao gồm thao tác độ dẫn điện của tế bào, điều khiển bằng dòng điện hoặc điện áp quét, để xác định các thông số bên trong của tế bào. Mỗi cách tiếp cận đều có ưu và nhược điểm: dao động quá mức tiềm ẩn hoặc "dao động" trong quá trình tìm kiếm điểm công suất cực đại hoặc hiệu suất không tối ưu trong quá trình tìm kiếm điểm công suất cực đại.

2. Lựa chọn MPPT

Ngoài thuật toán MPPT, theo dõi điểm công suất cực đại thực sự có thể được triển khai thông qua một mạch tích hợp ứng dụng cụ thể trong phần cứng hoặc thông qua phần mềm (còn gọi là phần mềm, như một phần của lập trình vi điều khiển của hệ thống). Việc lựa chọn chương trình cơ sở để tinh chỉnh hoặc thậm chí thay đổi thuật toán theo dõi điểm công suất cực đại (MPPT) ở mức độ lớn nhất cũng có thể trở thành gánh nặng cho hệ thống; so với mạch tích hợp chức năng cố định, cần có bộ xử lý tốc độ cao hơn và tiêu thụ nhiều điện năng hơn. . Như với tất cả các quyết định kỹ thuật, chắc chắn sẽ có những ưu và nhược điểm đối với quyết định và đồng thời, chi phí lớn hoặc gia tăng công suất vượt ngưỡng.

Đối với các hệ thống thu thập nhỏ, theo dõi điểm công suất cực đại đơn lẻ thông qua mạch tích hợp ứng dụng cụ thể thường là hiệu quả và tiết kiệm chi phí nhất; mặc dù vì các ô và vùng riêng lẻ có các đặc điểm khác nhau, vì các mảng nhiều ô được phân bổ trên một diện tích lớn hơn, Một số thậm chí chỉ có diện tích vài mét vuông, do đó cần phải cung cấp các phân vùng cặp MPPT riêng biệt. Lựa chọn giữa IC mặt trước với MPPT chuyên dụng, IC hệ thống thu thập với MPPT nhúng và bộ xử lý MPPT dựa trên chương trình cơ sở, tùy thuộc vào kích thước của mảng năng lượng mặt trời, mức công suất và nhu cầu linh hoạt.

Một ví dụ về IC đầu cuối nhúng với MPPT là SPV1020 từ STMicroelectronics, Hình 3. IC này tích hợp bộ chuyển đổi tăng áp một chiều/một chiều (DC/DC) xen kẽ bốn pha để tối đa hóa công suất do tấm pin quang điện tạo ra. Mức bức xạ công suất được tạo ra. SPV1020 điều khiển điều chế độ rộng xung (PWM) và là bộ chuyển đổi tần số cố định thực hiện điều khiển vòng lặp thông qua thuật toán nhiễu động và quan sát chạy bằng logic nhúng. Tần số chuyển mạch của nguồn điện mặc định bên trong là 100 kHz, tạo ra bộ chuyển đổi, nhưng có thể thay đổi bên ngoài từ 50 kHz đến 200 kHz, trong khi phạm vi chu kỳ nhiệm vụ có thể thay đổi từ 5% đến 90% (tăng dần bước chặt chẽ là 0,2%).

Hình 3: SPV1020 của STMicroelectronics là bộ chuyển đổi tăng áp DC/DC (được nhúng thuật toán MPPT) không yêu cầu quản lý bộ xử lý cho hoạt động cơ bản của nó.

Nhà cung cấp tin rằng vì tính toán điểm công suất cực đại được bản địa hóa (sau đây gọi là MPP), nên hiệu suất hệ thống cao hơn so với khi sử dụng cấu trúc liên kết, trong đó tính toán MPP được thực hiện thông qua cấu trúc liên kết biến tần tập trung. Vì mạch tích hợp bao gồm một bóng bán dẫn hiệu ứng trường và nguồn điện chỉnh lưu đồng bộ, nên số lượng thiết bị bên ngoài được giảm thiểu. Về độ tin cậy lâu dài, cấu trúc liên kết xen kẽ bốn pha của bộ chuyển đổi dòng điện một chiều/dòng điện một chiều (DC/DC) loại bỏ nhu cầu về tụ điện phân, thường hạn chế tuổi thọ của hệ thống. Các nhà thiết kế có thể sử dụng nhiều SPV1020 trong một mảng tấm pin, một thiết bị cho mỗi tấm pin; các tấm pin có thể được kết nối nối tiếp, song song hoặc kết hợp nối tiếp/song song. Các nhà cung cấp cũng cung cấp các bảng đánh giá của các mạch tích hợp chứng minh việc sử dụng ở các mức công suất và kiến ​​trúc khác nhau.

Đối với các mạch điện tử, từ IoT nhỏ đến các bản sao lưu lớn và thậm chí là nguồn điện chính, năng lượng mặt trời có sức hấp dẫn rất lớn vì nó miễn phí và không bao giờ cạn kiệt. Tuy nhiên, chỉ có một phần nhỏ năng lượng mặt trời khả dụng, vì vậy bất kỳ thiết kế nào cũng phải tập trung vào hiệu quả đầu cuối (chẳng hạn như các vấn đề về MPPT) để làm cho cách tiếp cận này hợp lý về mặt kinh tế và khả thi về mặt kỹ thuật. Cho dù nhà thiết kế chọn mạch tích hợp đầu cuối chuyên dụng hay mạch tích hợp có thể lập trình hoàn toàn, thì thiết kế bộ xử lý phải xem xét một số yếu tố: kích thước mảng năng lượng mặt trời, bố cục vật lý, tính mô-đun cần thiết và chi phí.