ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN QUANG THỌ

Chương 2.
GIỚI THIỆU VỀ BỘ DÒ CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI VÀ
ACQUY.
2.1 Vai trò của việc dò công suất cực đại:
Tại những thời điểm khác nhau trong ngày, với điều kiện thời tiết và nhiệt độ khác
nhau, ta không thể biết trước được điểm công suất cực đại của pin quang điện dựa trên đồ
thị đặc tính I-V vì nó luôn thay đổi. Chẳng hạn, Hình 2.1 mô tả đặc tính I-V của pin ứng
với các mức bức xạ tăng dần ở nhiệt độ không đổi 25oC, trong khi Hình 2.2 mô tả đặc tính
I-V của pin ứng với các mức bức xạ tăng dần ở nhiệt độ không đổi 50 oC, ta thấy điểm
công suất cực đại trên hai đặc tính này là hoàn toàn khác nhau. Do đó, cần phải dò điểm
công suất cực đại bằng các thuật toán dò tìm, đây cũng là nhiệm vụ quan trọng nhất của
bộ dò công suất cực đại.
Có nhiều giải thuật phù hợp giúp ta thực hiện điều này, chẳng hạn như hai phương
pháp điều khiển vòng hở sau đây. Phương pháp thứ nhất, tiến hành đo lường điện áp hở
mạch (Voc) của pin quang điện mỗi 30 giây bằng cách tháo pin ra khỏi mạch điện trong
một thời gian ngắn. Sau đó lắp pin trở lại, rồi điều chỉnh điện áp của pin bằng 76% điện
áp hở mạch vừa đo. Đây là cách đơn giản nhất giúp ta tìm được điện áp ứng với điểm
công suất cực đại, tuy nhiên tỉ lệ phần trăm này thay đổi phụ thuộc vào loại pin quang
điện được sử dụng. Hơn nữa, hiệu suất của phương pháp này cũng tương đối thấp, khoảng
73÷91%. Phương pháp thứ hai, ta có thể mua một thiết bị đo độ rọi bức xạ rồi dùng các
phép tính đơn giản để phỏng đoán vị trí điểm công suất cực đại. Tuy nhiên, trong thực tế
phương pháp này ít được sử dụng vì không đáp ứng kịp thời các thay đổi vật lý. Hơn nữa,
giá của một bộ thiết bị đo bức xạ cũng tương đối đắt tiền.
Những nhược điểm trên có thể được khắc phục nếu ta sử dụng phương pháp điều
khiển vòng kín. Điều khiển vòng kín cho phép nâng cao hiệu suất, đáp ứng nhanh hơn,
đồng thời tiết kiệm chi phí. Nội dung chương này sẽ trình bày thuật toán điều khiển vòng
kín là Perturb & Observe (P&O).

2.3 thể hiện mối quan hệ giữa điện áp và công suất ngõ ra (đặc tính P-V) của một bộ pin
quang điện ứng với bức xạ và nhiệt độ không đổi, với giả thiết ban đầu điểm công suất
của bộ pin đang ở cách xa điểm công suất cực đại. Theo giải thuật này, ban đầu điện áp sẽ
được tăng một lượng nhỏ rồi quan sát sự thay đổi của công suất. Nếu công suất tăng thêm
tức là điểm công suất hiện tại đang tiến gần đến điểm công suất cực đại. Lúc này, ta tiếp
tục tăng điện áp để tiếp cận điểm công suất cực đại. Cho đến khi thấy công suất bắt đầu
giảm, tức là điểm công suất đã vọt lố qua khỏi điểm công suất cực đại, ta phải giảm độ
rộng xung để dịch chuyển điểm công suất theo hướng ngược lại trở về điểm công suất cực
đại. Lưu đồ minh họa giải thuật này được trình bày trong Hình 2.4.

Công suất (W)

Điện áp (V)

Trang 3

Hình 2.3: Đặc tính công suất – điện áp của pin.


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN QUANG THỌ

Bắt đầu

Đo : I(k), V(k)

P(k)=V(k)×I(k)
ΔP=P(k) - P(k-1)



Giải thuật này không thể xác định chính xác điểm có công suất cực đại, mà điểm công
suất cứ dao động xung quanh điểm công suất cực đại với tốc độ dao động giảm dần. Điều
này làm giảm hiệu suất của pin quang điện trong điều kiện bức xạ không thay đổi.
Trang 4


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

-

GVHD: ThS. TRẦN QUANG THỌ

Trong điều kiện thời tiết không ổn định, như trong những ngày có mây, giải thuật này
cũng bộc lộ sự hạn chế. Để hiểu rõ hơn, ta hãy phân tích đặc tính P-V trong điều kiện bức
xạ thay đổi như Hình 2.5.
Công suất

Điện áp (V)
`
Hình 2.5: Phản ứng của giải thuật P&O trong điều kiện bức xạ tăng dần.
Giả sử ban đầu điểm công suất đang dao động xung quanh điểm công suất cực đại A
tại thời điểm có độ rọi 250W/m2. Vì lý do nào đó, bức xạ tăng lên 500W/m 2, công suất thu
được sẽ tăng lên một lượng ΔP>0. Nếu điểm công suất này chạy từ bên phải sang bên trái
của điểm công suất cực đại, lúc này giải thuật P&O vẫn cho rằng nó đang đi đúng đường
và đang tiến đến điểm công suất cực đại vì ΔP>0, trong khi thực tế nó đang tiến đến điểm
E thay vì điểm B như mong đợi. Đây chính là điểm yếu của giải thuật này, vì nó không
phân biệt được lượng công suất tăng lên ΔP>0 là kết quả của việc gia tăng lượng bức xạ
Mặt Trời. Tương tự, nếu bức xạ vẫn tiếp tục tăng lên, giải thuật lại thấy công suất tăng lên
một lượng ΔP>0, và lại cho rằng nó đang di chuyển đúng đường đến điểm công suất cực

của pin hai lần tại cùng một mức điện áp, cách này giúp phân biệt được khi nào công suất
thay đổi do nguyên nhân thay đổi bức xạ Mặt Trời, khi nào công suất thay đổi do điểm
công suất đang đi đúng hướng tiến đến điểm công suất cực đại. Vấn đề còn lại là khi số
lượng mẫu quá lớn sẽ làm giảm thời gian đáp ứng cũng như tăng tính phức tạp của thuật
toán.
2.3 Tính toán và chế tạo mạch dò công suất cực đại (MPPT):
2.3.1 Cơ sở tính toán:

Trang 6


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN QUANG THỌ

Hình 2.6: Sơ đồ bộ chuyển đổi DC/DC.
Tổng trở ngõ vào của bộ chuyển đổi được điều chỉnh bằng với tổng trở tối ưu của
pin Mặt Trời, thể hiện ở công thức 2.2:
Rin = =

(2.2)

Trong đó:
VMPP : là điện áp pin tại điểm công suất cực đại.
IMPP : là dòng điện pin tại điểm công suất cực đại.
Mối quan hệ giữa tổng trở tải và hệ số D được biểu diễn như sau:
D =1+

(2.3)


D : là chu trình làm việc.
L : là điện cảm cuộn dây (H).
Từ phương trình 2.6, ta rút ra điện cảm cuộn dây :
L=

(2.7)

Giả sử tại điểm công suất cực đại, dòng điện lại dao động cực đại (5%). Lúc này,
dòng điện trung bình IL của cuộn dây L bằng 4,35A, và độ dao động của dòng điện IL là:
ΔiL = 0,05*IL = (0,05)*(4,35) = 0,2175 A
Từ phương trình 2.7, ta có :
L = = = 2,54 mH

(2.8)
(2.9)

2.3.3 Lựa chọn tụ điện:
Tiêu chí lựa chọn thông số điện dung cho tụ điện là phải đảm bảo điện áp rơi trên tụ
không vượt quá 5%. Điện áp trung bình rơi trên tụ điện C là:
VC = VS + VO = 21 + 21 = 42 (V)
Điện áp gợn sóng tối đa có thể là:
ΔVC = 0,05*42 = 2,1 (V)
Điện trở tải tương đương là:
R = = = 6,3 (Ω)
Giá trị tụ C được tính theo công thức sau:
C = = = 42 (µF)

(2.10)
(2.11)
(2.12)

Sulfuric. Các bản cực thường có cấu trúc phẳng, dẹp, dạng khung lưới, làm bằng hợp
kim Chì - Antimone, có nhồi các hạt hóa chất tích cực. Các hóa chất này khi được nạp
đầy là Dioxit chì ở cực dương, và chì nguyên chất ở cực âm.
Các bản cực được nối với nhau bằng những thanh chì ở phía trên, bản cực dương
nối với bản cực dương, bản cực âm nối với bản cực âm. Chiều dài, chiều ngang, chiều
dầy và số lượng các bản cực sẽ xác định dung lượng của bình Acquy. Thông thường,
Trang 9


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN QUANG THỌ

các bản cực âm được đặt ở bên ngoài, do đó số lượng các bản cực âm nhiều hơn bản
cực dương. Các bản cực âm ngoài cùng thường mỏng hơn, vì chúng sử dụng diện tích
tiếp xúc ít hơn.
Chất lỏng dùng trong bình Acquy này là dung dịch Acid Sulfuric. Nồng độ của
dung dịch biểu trưng bằng tỷ trọng đo được, tuỳ thuộc vào loại bình Acquy, và tình
trạng phóng nạp của bình.
Trước khi dùng làm nguồn điện ta phải nạp điện cho Acquy. Lúc này Acquy đóng
vai trò một máy thu, tích trữ điện năng dưới dạng hóa năng. Khi nạp điện cho Acquy
người ta cho dòng điện một chiều đi vào Acquy. Dung dịch axit sunfuric bị điện phân,
làm xuất hiện hiđrô và ôxit ở hai bản chì. ở bản nối với cực âm của nguồn điện chì ôxit
PbO2 bị khử mất ôxi và thành chì Pb. Bản này sẽ thành cực âm của Acquy. Còn ở bản
nối với cực dương của nguồn điện thì có ôxit bám vào, ôxi hóa Pb3O4 thành chì điôxit
PbO2. Bản này sẽ trở thành cực dương của Acquy. Khi hai cực đã trở thành Pb và PbO2
thì giữa chúng có một hiệu điện thế. Acquy trở thành nguồn điện và bây giờ tự nó có thể
phát ra dòng điện.
Nếu ta nối hai cực của acquy đã được nạp điện bằng một dây dẫn thì dòng điện
chạy trong dây sẽ có chiều ngược với dòng điện lúc nạp vào Acquy. Dòng điện này sẽ

phát điện với dòng điện nhỏ trong 20 giờ.
Ví dụ Acquy 100Ah phát điện với dòng điện 5A sẽ dùng được trong 20 giờ.
Khi dòng điện phát ra càng lớn thì thời gian phát điện càng nhỏ nhưng thời gian
giảm rất nhanh chứ không theo tỉ lệ nghịch với dòng điện. Nghĩa là dòng điện càng lớn
thì điện tích phát ra càng giảm.
2.4.2 Các phương pháp phóng và nạp Acquy:
2.4.2.1 Phóng điện Acquy:
Phóng điện có thể tiến hành vào bất kỳ thời điểm nào và bất kỳ dòng điện nào nhỏ
hơn trị số ghi trong bảng chỉ dẫn của nhà chế tạo.
Khi phóng điện bằng chế độ 3 giờ hoặc dài hơn, có thể phóng liên tục cho đến khi
điện thế ở mỗi ngăn giảm xuống đến 1,8V.
Khi phóng với chế độ 1, 2 giờ, thì ngừng phóng khi điện thế ở mỗi ngăn xuống đến
1,75V.
Khi phóng với dòng điện nhỏ thì không xác định việc kết thúc phóng theo điện
thế. Trong trường hợp này, việc kết thúc phóng được xác định theo tỷ trọng chất điện
Trang 11


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN QUANG THỌ

phân. Việc phóng được kết thúc khi tỷ trọng giảm đi từ 0,03 đến 0,06 g/cm3 so với tỷ
trọng ban đầu. (Nhưng cũng không được để điện thế mỗi ngăn giảm xuống thấp hơn
1,75V).
Việc nạp Acquy lần sau được tiến hành sau khi phóng thử dung lượng Acquy
nhưng không được quá 12 giờ tính từ lúc ngừng phóng.
Tuỳ theo phương pháp vận hành Acquy, thiết bị nạp và thời gian cho phép nạp,
phương pháp nạp, việc nạp có thể được thực hiện theo các cách như sau:
• Nạp với dòng điện không đổi.

lên. Dấu hiệu kết thúc nạp cũng giống như trường hợp nạp với dòng điện không đổi.

2.4.2.4 Nạp với điện thế không đổi:
Nạp với điện thế không đổi được tiến hành với thiết bị nạp làm việc với chế độ ổn
áp. Điện thế được chọn trong giới hạn từ 2,2V- 2,35 V và được duy trì ổn định trong
suốt quá trình nạp. Thời gian nạp độ vài ngày đêm. Trong 10 giờ nạp đầu tiên, Acquy
có thể nhận được tới 80% dung lượng bị mất khi phóng.
Khi tỷ trọng chất điện phân giữ nguyên trong 10 giờ thì có thể kết thúc việc nạp.

2.4.2.5 Nạp thay đổi với điện thế không đổi:
Việc nạp được tiến hành theo 2 bước:
Bước 1: dòng điện nạp được hạn chế ở 0,25xC(10), còn điện thế thay đổi tự do cho
đến khi tăng lên đến 2,2V-2,35V thì chuyển sang bước 2.
Bước 2: nạp với điện thế không đổi.

2.4.3 Các chế độ vận hành:
2.4.3.1 Chế độ nạp thường xuyên:
Đối với các loại bình Acquy tĩnh điện, việc vận hành Acquy được tiến hành theo
chế độ phụ nạp thường xuyên. Acquy được đấu vào thanh cái một chiều song song với
thiết bị nạp. Nhờ vậy, tuổi thọ và độ tin cậy của Acquy tăng lên và hạ thấp cho phí bảo
dưỡng.
Để bảo đảm chất lượng Acquy, trước khi đưa vào chế độ phụ nạp thường xuyên
phải phóng nạp tập dợt 4 lần. Trong quá trình vận hành Acquy ở chế độ phụ nạp thường
Trang 13


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN QUANG THỌ


Trang 14