Tại Sao Phải Dùng Bộ điều Khiển Sạc Cho Pin Mặt Trời? - BKE-Solar

Hỏi câu này có lẽ hơi thừa vì hầu như phần lớn khi lắp hệ thống điện năng lượng mặt trời thì ai cũng có sử dụng 1 bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời trong hệ thống đó, tuy nhiên cũng không ít người "tiết kiệm" không sử dụng hoặc cũng không ít người sử dụng một bộ điều khiển sạc đơn giản đến mức hầu như không có tác dụng gì. Bài viết dưới đây sẽ cho mọi người một cái nhìn toàn cảnh hơn về bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời và thực tế sử dụng thiết bị này.

1. Bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời là gì?

Đó là một thiết bị trung gian giữa hệ các tấm pin mặt trời và hệ các bình ắc quy lưu trữ. Nhiệm vụ chính của nó là "điều khiển" việc sạc bình ắc quy từ nguồn điện sinh ra từ pin mặt trời. Cụ thể là các nhiệm vụ sau:

- Bảo vệ bình ắc quy. Khi bình đầy (VD 13.8V - 14V đối với ắc quy 12V) thì bộ điều khiển ngăn không cho nguồn điện tiếp tục nạp vào ắc quy có thể gây sôi bình và làm ảnh hưởng đến tuổi thọ của bình. Khi bình gần cạn đến ngưỡng phải ngắt để bảo vệ bình (VD 10.5V đối với ắc quy 12V), bộ điều khiển sẽ ngắt không cho sử dụng tải để bảo vệ bình không bị "kiệt".

- Bảo vệ tấm pin mặt trời. Nguyên lý của dòng điện là chảy từ nơi điện thế cao đến nơi điện thế thấp. Ban ngày trời nắng thì điện thế tấm pin cao hơn điện thế ắc quy nên dòng điện sẽ đi từ pin xuống ắc quy. Nhưng ban đêm khi không có ánh nắng, điện thế của pin sẽ thấp hơn điện thế của ắc quy và dòng điện sẽ đi từ ắc quy lên ngược tấm pin và làm nóng tấm pin, làm giảm hiệu suất tấm pin dần dần và có thể hỏng tấm pin. Vậy nên bộ điều khiển sẽ ngăn một cách triệt để không để cho dòng điện có thể đi ngược lên tấm pin để tránh hiện tượng trên.

- Điều quan trọng nhất: giúp chúng ta đạt hiệu suất cao nhất từ tấm pin mặt trời. Có chức năng này thì thiết bi này mới có tên gọi là "điều khiển", nghĩa là thiết bị này điều khiển làm sao để công suất sạc đạt cực đại Pmax, nâng cao hiệu suất sử dụng của tấm pin mặt trời. Các bộ điều khiển sạc kiểu cũ đơn giản thì chỉ điều khiển đóng cắt khi bình đầy hoặc bình cạn và bảo vệ không cho điện trào lên pin, hiện đại hơn là sử dụng phương pháp điều khiển điều rộng xung PWM (Pulse - Width - Modulation) sử dụng mạch Mosfet đóng cắt liên tục để ổn áp sạc cho ắc quy, phương pháp này có nhược điểm lớn là làm hao phí khoảng trên dưới 20% lượng điện sạc từ pin mặt trời. Các bộ điều khiển sạc hiện đại sử dụng phương pháp điều rộng xung không hao phí, có bộ vi xử lý và thiết bị đo chọn được điểm có công suất cực đại MPP (Max Power Point) Pmax để sạc cho ắc quy. Công suất cực đại minh họa trong hình dưới đây là diện tích hình chữ nhật màu xám.

- Phương pháp sạc xung: Các bộ điều khiển sạc xung sẽ kéo dài tốt hơn tuổi thọ của ắc quy. Phương pháp sạc xung hiện nay được ứng dụng trong việc sạc laptop, sạc điện thoại và được đánh giá là phương pháp sạc ưu việt nâng cao tuổi thọ của pin hay ắc quy.

- Một số chức năng khác như: Hiển thị mức điện còn trong hệ bình ắc quy, bảo vệ quá tải, chập mạch trong hệ thống, các chức năng bổ sung như tự động bật tắt thiết bị, tạo dòng 5V để sạc điện thoại...

2. Vậy không dùng bộ điều khiển sạc có được không? Được nhưng tấm pin của bạn sẽ mau hỏng hoặc giảm hiệu suất. Được nhưng bạn sẽ phải thay bình ắc quy thường xuyên hơn. Được nhưng thay vì bạn lấy được nhiều điện từ tấm pin thì bạn chỉ nhận được mức điện trung bình. Được nhưng nếu có sự cố gì thì tất cả sẽ tự hủy vì không có ai bảo vệ chúng..v.v..

3. MPP là gì?

Các tấm pin mặt trời làm từ vật liệu Silicon nên dòng và áp của chúng cũng có quan hệ với nhau, chứ không phải bất kỳ.

Khi pin mặt trời ở một điện thế nào đó thì nó cũng có một dòng điện tương ứng. Vẽ tất cả các cặp điểm này lại ta có Đường cong đặc tính V-I của pin mặt trời.

Với một điểm làm việc nào đó của nó ta sẽ có một V và một I tương ứng, và công suất nó tạo ra sẽ là P = VI

Chắc chắn là P này sẽ thay đổi khi điểm làm việc thay đổi, và điểm nào cho ta P lớn nhất thì gọi là điểm công suất cực đại của tấm pin mặt trời (Maximum Power Point: MPP)

Đường cong đặc tính dòng điện – điện áp của tấm pin mặt trời cho ta quan hệ V và I để từ đó xác định được điểm công suất cực đại của nó có hình dạng như hình sau đây.

4. MPPT là gì?

MPPT hay Maximum Power Point Tracking là thuật toán mà bộ charge controllers sử dụng để làm cho các tấm pin mặt trời kết nối vào nó hấp thụ tối đa năng lượng mặt trời. Khi tia nắng mặt trời thay đổi (như khi trời râm mát hay nắng lên) điểm MPP của tấm pin mặt trời thay đổi theo. Bộ charge controllers có MPPT của Leonics có thiết kế vi xử lý bên trong luôn theo dỏi được quan hệ V-I, ép tấm pin mặt trời phải làm việc tại điểm công suất cực đại, nhằm làm cho các tấm pin mặt trời hấp thụ năng lượng tối đa.

5. Bộ solar charger controller loại PWM và loại bộ solar charger controller MPPT khác nhau như thế nào?

Nhiệm vụ cơ bản nhất của bộ điều khiển charge là điều chỉnh điện áp ra của PV panel thành điện áp thích hợp để nạp cho acquy. Để làm điều này, trước đây người ta dung nguyên tắc PWM (điều rộng xung) và sau này là MPPT (làm việc ở điểm công suất lớn nhất)

Nguyên tắc PWM thường được dùng trong các mạch ổn áp, nếu PV panel có điện áp 17V trong khi điện áp charge cho acquy chỉ có 13.6V, người ta sẽ sử dụng 1 mạch Mosfet để đóng cắt liên tục làm nó chỉ cấp điện trong 80% thời gian (17V * 80% = 13.6V). Có thể hiểu được điều này khi xem hình vẽ sau:

Tuy nhiên phương pháp PWM trên có một nhược điểm quá lớn: nó phung phí 20% năng lượng của pV panel trong trường hợp trên. Và dể thấy rằng nếu dùng bộ charger controller loại PWM cho các PV panel có điện thế cao hơn 17V thì mức độ phung phí càng tăng nhiều. Trong tình hình giá thành PV panel hiện nay còn cao, các solar charger controller PWM hiện nay ít được sử dụng.

Các solar charger controller hiện nay thường dùng phương pháp MPPT. Phương pháp này thoát ra khỏi quan niệm điều áp cũ kỹ của PWM để đưa vào quan điểm khác: làm sao sử dụng tối ưu hiệu suất của PV panel. Do vậy nó khá phức tạp và tốn kém. Nguyên tắc của nó là dùng các mạch vi xử lý để theo dỏi điểm làm việc có công suất cực đại của PV panel, ép PV panel luôn làm việc ở điểm này để lấy tối đa năng lượng của PV panel (điểm MPP của PV panel cũng luôn thay đổi do ánh nắng thay đổi). Sau đó đưa năng lượng này sang 1 mạch charge bình, vì mạch này độc lập nên có thể thiết kế có nhiều chế độ charge, tối ưu hóa việc nạp bình về thời gian nạp và cách nạp để kéo dài tuổi thọ bình. Một ưu điểm khác là vào ban đêm, khi điện áp của PV panel bằng không, năng lượng được dự trữ ở acquy có điện thế lớn có khuynh hướng chạy ngược về panel thì nó cách ly ra chúng ra hoàn toàn, vừa bảo vệ PV panel vừa bảo vệ năng lượng dự trữ ở bình. Điều này thì bộ PWM khó có thể thực hiện hoàn hảo được.

Các solar charger controller MPPT có giá đắt hơn nhiều so với các solar charger controller PWM. Tuy nhiên nó xứng đáng được dùng vì nếu tính trên hiệu suất của cả hệ thống thì nó lại rẻ hơn nhiều so với khi dùng loại PWM cũ, làm mất hiệu suất trên 10% hay hơn thế nữa.