(Luận văn thạc sĩ hcmute) nghiên cứu bộ chuyển đổi năng lượng từ pin mặt trời

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRẦN TẤN NGUYỆN

NGHIÊN CỨU BỘ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG
TỪ PIN MẶT TRỜI

NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250

S KC 0 0 4 0 2 9

Tp. Hồ Chí Minh, năm 2013

Luan van


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRẦN TẤN NGUYỆN

NGHIÊN CỨU BỘ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG
TỪ PIN MẶT TRỜI

NGÀNH: TB MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 601401
Hướng dẫn khoa học:

TS TRƯƠNG VIỆT ANH

Luan van


LÝ LỊCH KHOA HỌC

I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:
Họ & tên: Trần Tấn Nguyện

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 01/10/1986

Nơi sinh: Quảng Ngãi

Quê quán: Đức Nhuận - Mộ Đức – Quãng Ngãi

Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: km32, QL51, Long Phước, Long Thành, Đồng Nai
Điện thoại cơ quan:
0986.687.895

Điện thoại nhà riêng:

Fax:


E-mail:

II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung học chuyên nghiệp:
Hệ đào tạo:

Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ ……

Nơi học (trường, thành phố):
Ngành học:
2. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính qui

Thời gian đào tạo từ 9/2005 đến 9/ 2010

Nơi học (trường, thành phố): TP Hồ Chí Minh
Ngành học: Điện khí hóa và cung cấp điện
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Thiết kế cung cấp điện cho cao ốc COFICO
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 1/2010 tại trường ĐH SP KT TP.HCM
Người hướng dẫn: TS. Võ Viết Cường

i

Luan van


III. Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:
Thời gian
3/2010-3/2011

Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm

Cty TNHH XD Cơ Điện Đất Phan

Giám sát M&E

Trường CĐN Đồng Nai

Giáo viện

Trường ĐH SPKT TP.HCM

Học viên

Trường ĐH SPKT TP.HCM

Học viên

Trường ĐH SPKT TP.HCM

Học viên

Trường CĐN Lilama2

Giáo viên

3/2011-7/2011
7/2011-4/2012
4/2012 đến nay

i

Luan van


LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công
bố trong bất kỳ cơng trình nào khác
Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2013
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Trần Tấn Nguyện

ii

Luan van


LỜI CẢM ƠN
Luận văn tốt nghiệp đánh dấu việc hoàn thành gần hai năm cố gắng học tập và
nghiên cứu cũng là luận văn đánh dấu cuối cùng trong quá trình học cao học. Để có
được thành quả hơm nay, em xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đối với Nhà trường,
Thầy Cơ, Gia đình và bạn bè, những người luôn cố gắng tạo mọi điều kiện để em có
được những kết quả tốt nhất trong học tập.
Riêng đối với luận văn này, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với thầy
Trương Việt Anh giáo viên giảng dạy và hướng dẫn. Thầy đã tận tình giảng dạy chỉ
bảo và hướng dẫn cho em, cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp em vượt qua
được rất nhiều trở ngại trong suốt quá trình nghiên cứu. Em xin chân thành cảm ơn

thầy!
Cuối cùng, xin cảm ơn tất cả các bạn, những người đã đồng hành cùng em trong
suốt khố học và trong q trình thực hiện chun đề này.

Học viên thực thực hiện

Trần tấn Nguyện

iii

Luan van


TĨM TẮT
Trong điều kiện thay đổi của mơi trường, làm cho đặc tuyến PV của pin mặt trời
thay đổi. Có nhiều bộ chuyển đổi năng lượng đã được đề xuất từ các nghiên cứu của
các tác giả khác nhau bao gồm giải thuật tìm điểm MPP. Nhưng có ít tác giả xét đặc
tuyến PV trong điều kiện bị bóng che bức xạ. Luận văn này tập trung nghiên cứu và
cải thiện bộ chuyển đổi năng khi cánh đồng pin mặt trời bị bóng che.
Luận văn trình bày phương pháp tìm điểm cực đại của pin mặt trời và cấu hình
bộ chuyển đổi NL cho hệ thống cánh đồng pin mặt trời xét trong điều khiện bị bóng
che. Cấu hình bộ chuyển đổi NL được đề xuất chia cánh đồng pin ra thành nhiều phần
tử pin nhỏ, mỗi phần tử là một tấm pin, mỗi phần từ này được trang bị một bộ DC/DC
riêng, và được ghép song song lại với nhau trên bus voltage. Bộ MPPT dò từ 0 đến
100%, trong q trình dị sẽ lưu lại điểm có cơng suất lớn nhất, khi dị xong sẽ xuất
điểm có cơng suất lớn nhất này ra làm việc.
Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy cấu hình này truyền cơng suất ra
lưới lớn hơn so với cấu hình một bộ chuyển đổi NL dùng chung cho cả cánh đồng pin.
Giải thuật MPPT cũng khắc phục được nhược điểm dò sai tại điểm cực trị địa phương
khi cánh đồng pin bị bóng che.

iv

Luan van


ABSTRACT
In the changing conditions of the environment, PV characteristics of solar are
changed. Energy converters has been proposed from studies of different authors
including algorithm maximum power point tracking. But few authors consider the PV
characteristics under partially shaded insolation conditions. This thesis focus research
and improve energy converters for solar fields under partially shaded insolation
conditions.
This thesis presents the algorithm to maximum power point tracking and energy
converter configuation for solar fields under partially shaded insolation conditions.
Solar fields are divided into several small elements for Energy converter configuation
that is proposed, each element is a solar panel, each of which is equipped with a
saperated DC/DC, and is installed together on the bus voltage parallelly. The MPPT
set tracks from 0 to 100%, in the tracking process, it will save the maximum power
point, when completing the track process, the maximum power point will be output
for working.
Simulation and experimental results shows that this configuration transmits
output power that is larger than configuration of energy converter used for whole the
fields. MPPT algorithm can overcome disadvantages of error detecting at the local
maximum power point when solar fields is under shaded insolation conditions.

iv

Luan van

MỤC LỤC
Trang tựa
Quyết định giao đề tài
Xác nhận của cán bộ hướng dẫn
Lý lịch khoa học
Lời cam đoan
Cảm tạ
Tóm tắt
Abstract
Mục lục
Danh sách các chữ viết tắt
Danh sách các hình
Danh sách các bảng
Chƣơng 1 TỔNG QUAN

TRANG

i
ii
iii
iv
iv
v
vi
vii
viii

1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên
cứu trong và ngoài nước đã cơng bố

1

1.2. Mục đích của đề tài

5

1.3. Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài

6

1.4. Phương pháp nghiên cứu

6

chƣơng 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Mơ hình pin mặt trời

7

2.2. Bộ chuyển đổi DC/DC

11

2.2.1. Bộ chuyển đổi DC/DC boost converter

11

2.2.2. Bộ chuyển đổi DC/DC buck converter

14

2.3. Điểm làm việc cực đại của Pin mặt trời

17

2.4. Các phương pháp tìm điểm cực đại của pin mặt trời phổ biến

20

2.4.1. Phương pháp điện áp hằng số

20

2.4.2. Phương pháp P&O (Perturb and Observe)

22

2.4.3. Phương pháp INC (Incremental Conductance)

23

2.5. Pin mặt trời bị ảnh bởi bóng che.

25

v

Luan van

Chƣơng 3 ĐỀ XUẤT BỘ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƢỢNG ĐÁP
ỨNG CÁC ĐIỀU KIỆN THAY ĐỔI
3.1. Xây dựng cấu hình chung cho bộ chuyển đổi năng lượng.

29

3.2. Giải thuật đề xuất cho việc tìm điểm cực đại cho pin mặt trời khi
bị bóng.

31

3.2.1. Cấu hình một bộ DC/DC cho tồn hệ thống cánh đồng pin
(cấu

hình 1)

31

3.2.2. Cấu hình một bộ DC/DC cho 1 pin (cấu hình 2)
3.3. Xây dựng mơ hình mơ phỏng giải thuật

32
33

3.3.1. Mơ hình Pin mặt trời

33

3.3.2. Cấu hình bộ chuyển đổi NL cho cánh đồng pin mặt trời đề xuất

37

3.3.3. Bộ chuyển đổi DC/DC boost converter

39

Chƣơng 4 KẾT QUẢ MƠ PHỎNG
4.1. Mơ hình mơ phỏng

43

4.1.1. Mơ hình hệ thống mơ phỏng cấu hình 1

43

4.1.2. Mơ hình hệ thống mơ phỏng cấu hình 2

46

4.2. Kết quả mơ phỏng

47

Chƣơng 5 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
5.1. Mơ hình thực nghiệm

56

5.2. Kết quả thực nghiệm

66

chƣơng 6 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
6.1. Kết luận

70

6.2. Hướng phát triển của đề tài

71

TÀI LIỆU THAM KHẢO

72

v

Luan van


DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
P&O (Perturb and Observe)
INC (Incremental Conductance)
NL: Năng lượng
CĐNL: chuyển đổi năng lượng
MPP: Maximum power point (điểm có cơng suất lớn nhất)
MPPPT: Maximum power point tracking (dị tìm điểm có cơng suất lớn nhất)
DC/DC: Direct Curent/ Direct Curent

vi

Luan van


DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH

TRANG

Hình 1.1: Quang phổ mặt trời ngồi khí quyển trái đất

1

Hình 1.2: Thang sóng điện từ của bức xạ mặt trời

1

Hình 1.3: Phân bố tổng số giờ nắng 3 tháng 1,2,3 năm 2011

3

Hình 1.4: Bức xạ mặt trời tại ba thành phố tiêu biểu năm 2009

3

Hình 2.1: Mạch điện tương đương của pin mặt trời

7

Hình 2.2: Mơ hình pin mặt trời lý tưởng

9

Hình 2.3: Mơ đun pin mặt trời

9

Hình 2.4: Đặc tuyến I-V với các bức xạ khác nhau

10

Hình 2.5: Đặc tuyến P-V với các bức xạ khác nhau

11

Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý mạch boost

12

Hình 2.7: Mạch điện khi S đóng

12

Hình 2.8: Dạng sóng điện áp và dịng điện trên cuộn dây L khi S đóng

12

Hình 2.9: Mạch điện khi S mở

13

Hình 2.10: Dạng sóng điện áp và dịng điện trên L khi S mở

13

Hình 2.11: Cấu hình mạch buck

14

Hình 2.12: Đặc tuyến I-V, P-V của pin mặt trời với điểm cơng suất cực đại

17

Hình 2.13: Các điểm MPP dưới các điều kiện môi trường thay đổi

17

Hình 2.14: Sơ đồ khối của hệ thống CĐNL tiêu biểu

18

Hình 2.15: Bộ DC/DC giúp hút cơng suất cực đại từ pin mặt trời

19

Hình 2.16: Tỷ lệ phần trăm của VMPP và VOC như chức năng của nhiệt độ và bức xạ

20

Hình 2.17: Sơ đồ thuật tốn điện áp khơng đổi

21

Hình 2.18: Sự thay đổi điểm MMP của P&O nhanh chóng theo gia tăng bức xạ

22

vii

Luan van


Hình 2.19: Lưu đồ giải thuật P&O

23

Hình 2.20: Độ dốc (dP/dV) của PV

24

Hình 2.21: Giải thuật InC

25

Hình 2.22: Mơ đun pin mặt trời khi bị bóng che một phần

26

Hình 2.23: đặc tuyến P-V tương ứng với bức xạ 0,25-0,5-0,75-1 kW/m2 của

hai dãy pin trong cánh đồng pin gồn 2 dãy pin song song, mỗi dãy có 6 pin
ghép nối tiếp (100W/1pin), trong đó có 1 dãy pin bị bóng che

27

Hình 2.24: Đặc tuyến P-V tổng của hai dãy pin trong hình 2.23

27

Hình 2.25: Cánh đồng pin mặt trời trong thực tế

28

Hình 3.1: Cấu hình bộ chuyển đổi năng lượng cho 1 tấm pin

30

Hình 3.2: Cấu hình bộ chuyển đổi năng lượng cho tồn cánh đồng pin mặt trời

30

Hình 3.3: Lưu đồ giải thuật MPPT cho khi bị ảnh hưởng của bóng che

31

Hình 3.4: Lưu đồ giải thuật MPPT cho cấu hình bộ chuyển đổi NL được đề xuất

33

Hình 3.5: Mơ hình 1 cell pin mặt trời được xây dựng trong Matlab/Simulink

34

Hình 3.6: Mơ hình bên trong 1 tấm pin mặt trời được ghép từ 108 cell pin
xây dựng trong Matlab/Simulink

34

Hình 3.7: Mơ hình pin mặt trời thu gọn

34

Hình 3.8: Bảng thông số đầu vào của 1 cột gồm 36 cell nối tiếp trong pin mặt trời

35

Hình 3.9: Đặc tuyến I-V, P-V với các bức xạ khác nhau, có 3 tấm pin bi bóng
che (Nhiệt độ pin 25oC, trục y hình bên trái là dịng điện A, trục y hình bên
phải là cơng suất, trục x là điện áp V)

36

Hình 3.10: Đặc tuyến I-V, P-V với nhiệt độ vận hành khác nhau, có 3 tấm
pin bi bóng che (bức xạ 1kW/m2)

36

Hình 3.11: Cấu hình của tồn cánh đồng pin mặt trời

37

Hình 3.12: Cách ghép các pin theo cấu hình được đề xuất trong thực tế

38

Hình 3.13: Cấu hình bên trong khối PV sytem

38

vii

Luan van


Hình 3.14: Sơ đồ bên trong khối MPPT

39

Hình 3.15: Mạch boost trong Matlab & Simulink

39

Hình 3.16: Dạng sóng điện áp và dịng điện trên cuộn dây L

40

Hình 4.1: Cấu hình cánh đồng pin NLMT sử dụng 1 bộ DC/DC chung.

43

Hình 4.2: Hệ thống mơ phỏng 2

46

Hình 4.3: Bức xạ mặt trời thay đổi từ 0.5 lên 1 kW/m2

47

Hình 4.4: Đáp ứng của bộ MPP trong cấu hình 1 bộ chuyển đổi NL chung

48

Hình 4.5: (a) Cơng suất, (b) điện áp pin, khi sử dụng 1 bộ DC/DC cho toàn
cánh đồng pin

49

Hình 4.6: (a) Cơng suất, (b) điện áp tải, khi sử dụng cấu hình 1 bộ DC/DC 1
pin trong tồn cánh đồng

50

Hình 4.7: Cơng suất thu được từ 2 cấu hình khác nhau

51

Hình 4.8: Bức xạ mặt trời thay đổi từ 0.5 lên 1 kW/m2

52

Hình 4.9: (a) Cơng suất, (b) điện áp pin, khi sử dụng cấu hình 1. Trong
trường hợp các pin bị che bức xạ chỉ giảm đi ½ lần sơ với các tấm khơng bị
che
53
Hình 4.10: (a) Công suất, (b) điện áp tải, khi sử dụng cấu hình 2. Trong
trường hợp các pin bị che bức xạ chỉ giảm đi ½ lần sơ với các tấm khơng bị
che
54
Hình 4.11: Cơng suất thu được từ 2 cấu hình khác nhau. Trong trường hợp
các pin bị che bức xạ chỉ giảm đi ½ lần sơ với các tấm khơng bị che

54

Hình 4.12: Cơng suất thu được của hai cấu hình

55

Hình 5.1: Mơ hình thực nghiệm

56

Hình 5.2: Pin mặt trời 15W và thơng số của nhà sản xuất

57

Hình 5.3: Pin mặt trời 80W và thơng số của nhà sản xuất

58

Hình 5.4: Sơ đồ mạch công suất và bộ phận đo lường dịng điện

58

Hình 5.5: Sơ đồ ngun lý mạch điều khiển

59

vii

Luan van


Hình 5.6: Sơ đồ mạch in mạch điều khiển

59

Hình 5.7: Sơ đồ mạch in mạch cơng suất

60

Hình 5.8: Mạch điều khiển và mạch cơng suất thi cơng

60

Hình 5.9: Lưu đồ chương trình chính

61

Hình 5.10: Đo pin chưa bi bóng

66

Hình 5.11: Điện áp pin khi chưa bị bóng

66

Hình 5.12: Pin bị che 6 cell

67

Hình 5.13: Cơng suất PV thu được từ 13h30 đến 15h30’ ngày 10/02/2013.

68

Hình 5.14: Sự thay đổi của biến Duty (độ rộng xung)

68

Hình 5.15: Điện áp của PV

69

Hình 5.16: Đặc tuyến P-V mô phỏng khi ghép 2 tấm pin 80W và 15W làm
việc song song tưng ứng với bức xạ 0.25 0.5 0.75 và 1 kW/m2 . Trong đó tấm
pin 80W bị bóng tồn phần 3 cell.

69

vii

Luan van


DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG

TRANG

Bảng 1.1: Phân bố bức xạ mặt trời theo bước sóng

2

Bảng 3.1: Thơng số của pin mặt trời thương mại MSX 100 tại 1 kW/m2 , 25 oC

35

Bảng 5.1: Kết quả điện áp hở mạch pin khi bóng che, thơng số pin hình 5.3 gồm 36 cell nối tiếp.

67

viii

Luan van


Chương 1

Chương 1

TỔNG QUAN

1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và
ngoài nước đã công bố
Năng lượng mặt trời bức xạ ra vũ trụ là một lượng khổng lồ. Mỗi giây nó phát
ra 3,865.1026J, tương đương với năng lượng đốt cháy hết 1,32.1016 tấn than đá tiêu
chuẩn. Nhưng bề mặt quả đất chỉ nhận được một phần năng lượng rất nhỏ và bằng
17,57. 1016 J hay tương đương năng lượng đốt cháy của 6.106 tấn than đá.

Hình 1.1. Quang phổ mặt trời ngồi khí quyển trái đất

Hình 1.2. Thang sóng điện từ của bức xạ mặt trời

1

Luan van


Chương 1

Hình 1.1 Trình bày thang sóng điện từ của bức xạ mặt trời ánh sáng nhìn thấy
được có bước sóng 0,4µm đến gần 0,8µm, chỉ chiếm một phần rất nhỏ trong phổ
sóng điện từ của bức xạ mặt trời.
Bảng 1.1: Phân bố bức xạ mặt trời theo bước sóng
Quang phổ
Tia vũ trụ
Tia x
Tia tử ngoại C
Tia tử ngoại B
Tia t ngoi A

Bc súng
< 1nm
0,1 nm
0,2 ữ 0,28 àm
0,28 ữ 0,32 àm
0,32 ữ 0,4 àm

Mt nng lng (W/m 2 )
6,978.10 5
6,978.10 7
7,864.10 6
2,122.10 1
8,073.10

Tia nhỡn thy

0,4 ữ 0,52 àm
0,52 ÷ 0,62 µm
0,62 ÷ 0,78 µm

Tia hồng ngoại

Sóng vơ tuyến
điện

0,57
1,55
5,90

1

2,24.10 2
1,827.10 2
2,280.10 2
4,125.102
1,836.102
2,637.101
6,987.10-9
6,987.10-10
6,987.10-9

0,78 ữ1,4 àm
1,4 ữ3 àm
3 ữ100 àm
0,1 ữ10 cm
10 ÷100cm
1 ÷ 20cm

Tỷ lệ %

16,39
13,36
16,68
30,18
13,43
1,93

Tuy nhiên, quả đất bị bao bọc xung quanh bởi một tầng khí quyển có chiều dài
khoảng 7991 km bao gồm các phân tử khí, hơi nước, các hạt bụi, các hạt chất lỏng,
chất rắn và các đám mây. Vì vậy, khi bức xạ mặt trời xun qua lớp khí quyển đó

để đến được mặt đất thì năng lượng và phổ của nó bị thay đổi đáng kể.
Ơ bên ngồi lớp khí quyển quả đất, năng lượng bức xạ mặt trời là hằng số và
2

có giá trị 1353 W/m .
Ở Việt Nam, Vị trí địa lý đã ưu ái cho chúng ta một nguồn năng lượng tái tạo
vô cùng lớn, đặc biệt là năng lượng mặt trời. Trải dài từ vĩ độ 23023’ Bắc đến 8027’
Bắc, Việt Nam nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao, năng
lượng bức xạ mặt trời trung bình đạt 4 đến 5kWh/m2 mỗi ngày.

2

Luan van


Chương 1

Hình 1.3. Phân bố tổng số giờ nắng 3 tháng 1,2,3 năm 2011

Hình 1.4. Bức xạ mặt trời tại ba thành phố tiêu biểu năm 2009
Ngày nay, nhu cầu sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo đang tăng lên mạnh
mẽ do bởi các nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt và chúng gây ra

3

Luan van


Chương 1

những hậu quả về môi trường như hiệu ứng nhà kính, lũ lụt… Trong các nguồn
năng lượng tái tạo, năng lượng mặt trời đang dần trở nên rất phổ biến bởi vì chúng
có nhiều ưu điểm trong phương pháp phát điện, chí phí bảo dưỡng thấp, an tồn cho
người sử dụng và không gây ô nhiễm môi trường. Nguồn năng lượng điện mặt trời
đã tăng 20% - 25% so với 20 năm qua do bởi các yếu tố sau:
- Hiệu suất phát điện của pin mặt trời ngày càng được cải thiện
- Cải tiến trong công nghệ sản xuất pin
- Giá thành giảm
Tuy nhiên, ở thời điểm hiện tại giá thành pin mặt trời cịn khá cao. Cơng suất
phát ra bởi pin mặt trời lại phụ thuộc trực tiếp vào bức xạ, nhiệt độ và điều kiện thời
tiết. Đặc tính PV và VI của pin mặt trời lại khơng tuyến tính, trên đường đặc tuyến
đó tồn tại một điểm làm việc cực đại (MPP) mà ở đó cơng suất phát ra của pin mặt
trời là lớn nhất. Nhưng điểm này không phải là hằng số, chúng luôn thay đổi theo
nhiệt độ và bức xạ. Vỳ vậy, dị tìm điểm làm việc cực đại của pin mặt trời (MPPT)
phải được sử dụng để đưa pin mặt trời luôn làm việc tại điểm này, nhằm nâng cao
hiệu suất của pin mặt trời.
Trên thế giới và trong nước đã có nhiều nghiên cứu về hệ thống pin mặt trời
nối lưới. Chủ yếu về các lĩnh vực như:
Ổn định và nâng cao điện áp phát ra của hệ thống pin mặt trời [5,6]
Các phương pháp điều khiển nhằm đưa hệ thống pin mặt trời làm việc tại điểm
công suất cực đại [16-26].
Các phương pháp nghịch lưu nhằm cải thiện chất lượng điện trong hệ thống
năng lượng mặt trời [4-15].
Các phương pháp điều khiển cơng suất tác dụng, cơng suất phản kháng và
dịng điện bơm vào lưới của hệ thống pin mặt trời nối lưới [12,13].
Comparative Study of Maximum Power Point Tracking Algorithms [24].

4

Luan van

Chương 1

Comparison Of Maximum Power Point Tracking Algorithms For Photovoltaic
System [7].
A study of a two stage maximum power point tracking control of a
photovoltaic system under partially shaded insolation conditions [28]
1.2. Mục đích của đề tài
Đề tài tập trung nghiên cứu các phương pháp tìm điểm làm việc cực đại của
pin mặt trời xét trên 1 cá thể pin mặt trời và xét trên toàn thể cách đồng pin năng
lương mặt trời, khi xét điểm làm việc cực đại của hệ thống cánh đồng pin mặt trời
có xét đến ảnh hưởng của bóng. Trên đặc các đặc tuyến của pin mặt trời, tồn tại một
điểm vận hành tối ưu nơi mà công suất nhận được từ pin mặt trời là cực đại. Tuy
nhiên, điểm vận hành tối ưu này không cố định mà nó thay đổi theo các điều kiện
mơi trường đặc biệt là bức xạ mặt trời và nhiệt độ pin, đối với cán đồng pin năng
lượng mặt trời điểm vận hành tối ưu này còn phụ thuộc vào vùng bóng của cách
đồng pin. Vì vậy tìm điểm làm việc cực đại (MPP) của pin mặt trời là một phần
không thể thiếu của hệ thống pin mặt trời nói chung và là của bộ chuyển đổi năng
lượng từ pin mặt trời nói riêng. Bộ chuyển đổi năng lượng có nhiệm vụ chuyển toàn
bộ năng lượng của pin mặt trời ra tải, dưới sự điều khiển của bộ tìm điểm cực đại
của pin mặt trời.
Có rất nhiều bộ chuyển đổi năng lượng từ pin mặt trời đã được nghiên cứu và
công bố. Các bộ chuyển đổi năng lượng này khác nhau ở nhiều khía cạnh như mức
độ phức tạp, thơng số đo lường, số lượng cảm biến yêu cầu, tốc độ chuyển đổi và
giá thành. Đề tài sẽ nghiên cứu các bộ chuyển đổi năng lượng từ pin mặt trời. Mục
đích của nghiên cứu của đề tài là đề xuất bộ chuyển đổi năng lượng kết hợp với
phương pháp MPPT tối ưu với khả năng đáp ứng dưới các điều kiện môi trường
như nhiệt độ, bức xạ thay đổi và chi phí thấp, có khả năng dị được điểm làm việc
tối ưu của hệ thống cánh đồng pin năng lượng mặt trời.

5

Luan van


Chương 1

1.3. Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài
- Xây dựng mơ hình pin mặt trời xét đến ảnh hưởng của bóng che, phân tích
các đặc tuyến I-V, P-V của pin mặt trời, sự phụ thuộc các đặc tính của pin mặt trời
dưới các điều kiện mơi trường
- Nghiên cứu các giải thuật MPPT của pin mặt trời, đề xuất phương pháp
MPPT xét đến ảnh hưởng của bóng che.
- Đề xuất cấu hình cánh đồng pin mặt trời.
- Thi cơng phần cứng dị tìm điểm cực đại khi bị bóng che.
- Dùng phần mềm Matlab/Simulink nghiên cứu xây dựng mơ hình pin mặt
trời, bộ chuyển đổi năng lượng và giải thuật dị tìm điểm làm việc cực đại cho cánh
đồng pin.
1.4. Phương pháp nghiên cứu
- Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu.
- Nghiên cứu các mơ hình tốn học của pin mặt trời. Đề nghị mơ hình tính
tốn cụ thể.
- Xây dựng mơ hình mơ phỏng pin mặt trời và các giải thuật MPPT kết hợp
với bộ chuyển đổi năng lượng DC/DC.
- Phân tích các kết quả nhận được và các kiến nghị.
- Đánh giá tổng quát toàn bộ bản luận văn. Đề nghị hướng phát triển của đề
tài.

6

Luan van


Chương 2

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1. Mơ hình pin mặt trời
Một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ
mặt trời thành điện nhờ hiệu ứng quang điện được gọi là pin mặt trời. Mạch điện
tương đương của pin mặt trời được cho như hình 2.1:

Hình 2.1. Mạch điện tương đương của pin mặt trời
Mạch điện gồm có dịng quang điện Iph, điot, điện trở dòng rò Rsh và điện trở
nối tiếp Rs, đặc tuyến I-V của pin được mô tả bằng biểu thức sau:

𝐼 = 𝐼𝑃𝐻 − 𝐼𝑆 𝑒

𝑞
𝑉+𝐼𝑅
𝑘𝑇 𝐶 𝐴

−1 −

Trong đó:
Iph: dịng quang điện (A)
Is: dịng bão hịa (A)

q: điện tích của electron, q = 1,6x10-19 C

7

Luan van

𝑉 + 𝐼𝑅𝑆
𝑅𝑆𝐻

(2.1)


Chương 2

k: hằng số Boltzmann’s, k =1,38x10-23 J/K
Tc: nhiệt độ vận hành của pin (K)
A: hệ số lý tưởng phụ thuộc vào cơng nghệ chế tạo pin, ví dụ cơng nghệ Simono A=1.2, Si-Poly A = 1.3…
Dòng quang điện Iph phụ thuộc trực tiếp vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ của
pin:
𝐼𝑃𝐻 = 𝐼𝑆𝐶 + 𝐾1 (𝑇𝐶 − 𝑇𝑅𝑒𝐹 ) 𝜆

(2.2)

Trong đó:
Isc: dịng ngắn mạch tại nhiệt độ tiêu chuẩn 250C (A) và bức xạ 1kW/m2
K1: hệ số dòng điện phụ thuộc vào nhiệt độ (A/0C)
Tc: Nhiệt độ vận hành của pin mặt trời (K)
TRef : Nhiệt độ tiêu chuẩn của pin mặt trời (K)
λ: Bức xạ mặt trời (kW/m2)
Mặt khác, dòng bão hòa Is là dòng các hạt tải điện khơng cơ bản được tạo ra

do kích thích nhiệt. Khi nhiệt độ của pin mặt trời tăng dòng bão hòa cũng tăng theo
hàm mũ.

𝐼𝑆 = 𝐼𝑅𝑆

𝑇𝐶
𝑇𝑅𝑒𝑓

3

𝑒

𝑞 𝐸𝐺
1
1
−
𝑘𝐴 𝑇 𝑅𝑒𝑓 𝑇 𝐶

(2.3)

Trong đó:
IRS: Dịng điện ngược bão hịa tại nhiệt độ tiêu chuẩn (A)
EG: Năng lượng lỗ trống của chất bán dẫn

8

Luan van


Chương 2

Đối với pin mặt trời lý tưởng, điện trở dịng rị Rsh = ∞, Rs = 0. Khi đó mạch
điện tương đương của pin mặt trời được cho bởi hình 2.2:

Hình 2.2. Mơ hình pin mặt trời lý tưởng
Khi đó, biểu thức (2.1) có thể được mơ tả như sau:
𝐼 = 𝐼𝑃𝐻 − 𝐼𝑆 𝑒

𝑞𝑉
𝑘𝑇 𝐶 𝐴

−1

(2.4)

Và dòng bão hịa ngược tiêu chuẩn có thể được biểu diễn như sau:
𝐼𝑆𝐶

𝐼𝑅𝑆 =
𝐸

𝑞 𝑉 𝑂𝐶
𝑘𝐴 𝑇 𝑅𝑒𝑓

(2.5)
−1

Thông thường, công suất của pin mặt trời khoảng 2 W và điện áp khoảng 0.5
V. Vì vậy, các pin mặt trời được ghép nối với nhau theo dạng nối tiếp - song song
để sinh ra lượng công suất và điện áp đủ lớn. Mạch điện tương đương của mơ đun

pin mặt trời gồm có Np nhánh song song và Ns pin nối tiếp được mơ tả như hình 2.3:

Hình 2.3. Mơ đun pin mặt trời

9

Luan van