nghiên cứu thuật toán điều khiển bám điểm công suất cực đại cho pin mặt trời

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HOÁ XNCN
====o0o====




ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐIỂM
CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CHO PIN MẶT TRỜI


Trưởng bộ môn : TS. Trần Trọng Minh
Giáo viên hướng dẫn : ThS. Nguyễn Duy Đỉnh
Sinh viên thực hiện : Trương Văn Trọng
Lớp : ĐK&TĐH – K54
MSSV : 20092846



Hà Nội, 6-2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HN

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: Trương văn Trọng Số hiệu sinh viên: 20092846
Khóa: 54 Khoa/Viện: Điện Ngành: Tự động hóa

1. Đầu đề thiết kế:
Nghiên cứu các thuật toán bám công suất cực đại cho pin mặt trời.


2. Các số liệu ban đầu:
- Pin mặt trời có thông số kỹ thuật cơ bản ở điều kiện tiêu chuẩn: Công suất lớn
nhất tại bức xạ 1000 w/m
2
là 80W
- Điện áp tại điểm lớn nhất 18V.




3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:
- Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng của pin mặt trời
- Đặc tính I – V và P – V của pin mặt trời
- Ngyên lý dung hợp tải cho bộ biến đổi tăng áp Boost và các thuật toán INC và
P&O theo hai phương pháp điều khiển trực tiếp chu kỳ nhiệm vụ D, điều khiển
gián tiếp qua dòng điện tham chiếu.
- Tính toán giá trị của phần tử cho bộ biến đổi Boost và thiết kế bộ điều khiển dòng
điện cho Boost.

- Mô phỏng hệ thống bám công suất cực đại cho hệ thống pin mặt trời.







4. Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):
Từ 4 tới 6 bản vẽ trên A0


5. Họ tên cán bộ hướng dẫn:
ThS. Nguyễn Duy Đỉnh


6. Ngày giao nhiệm vụ đồ án:………………………………………………………………

7. Ngày hoàn thành đồ án: 10/06/2014

Ngày tháng năm ….
Trưởng bộ môn
( Ký, ghi rõ họ, tên)
Cán bộ hướng dẫn
( Ký, ghi rõ họ, tên)

Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày 12 tháng 06 năm 2014

Người duyệt
( Ký, ghi rõ họ, tên)

Sinh viên
( Ký, ghi rõ họ, tên)



LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: “ Nghiên cứu các thuật toán bám công
suất cực đại cho pin mặt trời” do em tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của thầy giáo là
ThS. Nguyễn Duy Đỉnh. Các số liệu và kết quả là hoàn toàn đúng với thực tế.
Để hoàn thành đồ án này em chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mục
tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác. Nếu phát hiện
có sự sao chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.

Hà Nội, ngày 12 tháng 06 năm 2014
Sinh viên thực hiện


Trương Văn Trọng



MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ i
DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU ii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT iii
LỜI NÓI ĐẦU 1
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI 2
1.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

1.2. Giới thiệu về pin mặt trời 3
1.2.1. Định nghĩa 3
1.2.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 3
1.3. Đặc tính làm việc của pin mặt trời 4
1.3.1. Sơ đồ tương đương của pin mặt trời 4
1.3.2. Đặc tính của pin mặt trời 6
1.4. Những yếu tố bên ngoài ảnh hưởng tới pin mặt trời 9
1.4.1. Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng 9
1.4.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ 10
1.5. Ứng dụng của pin mặt trời 11
1.5.1. Tích hợp vào thiết bị 11
1.5.2. Nguồn điện di động 11
1.5.3. Nguồn điện cho tòa nhà 12
1.5.4. Nhà máy điện mặt trời 12
1.6. Đặc điểm chính của hệ thống Pin mặt trời 13
1.7. Kết luận 13
Chương 2. THUẬT TOÁN BÁM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI 14
2.1. Giới thiệu chung 14
2.2. Nguyên lý dung hợp tải 15
2.3. Thuật toán xác định điểm có công suất cực đại 19
2.3.1. Phương pháp nhiễu loạn và quan sát P&O 19
2.3.2. Phương pháp điện dẫn gia tăng INC 23
2.4. Kết luận 27
Chương 3. BỘ BIẾN ĐỔI DC – DC 29
3.1. Yêu cầu thiết kế 29


3.2. Bộ biến đổi Boost 29
3.3. Tính toán lựa chọn tham số cơ bản 33
3.3.1. Tính toán cuộn cảm 34

3.3.2. Tính toán tụ lọc đầu ra 36
3.4. Mô hình và thiết kế bộ điều khiển 37
3.4.1. Mô hình hóa bộ biến đổi Boost bằng phương pháp trung bình hóa mạng đóng
cắt 37
3.4.2. Cấu trúc bộ điều khiển 43
3.4.3. Thiết kế bộ điều khiển dòng điện 43
3.5. Kết luận 49
Chương 4. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG BÁM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI 50
4.1. Mô phỏng bộ biến đổi Boost 50
4.2. So sánh hai thuật toán bám công suất cực đại 51
4.3. Mô phỏng thuật toán bám công suất cực đại theo phương pháp điều khiển trực tiếp
chu kỳ nhiệm vụ D ghép nối với tải thuẩn trở 53
4.3.1. Mô phỏng thuật toán P&O điều khiển trực tiếp chu kỳ nhiệm vụ D 54
4.3.2. Mô phỏng thuật toán INC điều khiển trực tiếp chu kỳ nhiệm vụ 56
4.3.3. So sánh hai thuật toán điều khiển trực tiếp chu kỳ nhiệm vụ P&O và INC 57
4.4. Mô phỏng thuật toán bám điểm công suất cực đại gián tiếp thông qua bộ điều
khiển và ghép nối với tải thuần trở 58
4.4.1. Thuật toán P&O điều khiển gián tiếp 59
4.4.2. Thuật toán INC điều khiển gián tiếp 60
4.4.3. So sánh hai thuật toán điều khiển gián tiếp thông qua dòng tham chiếu INC và
P&O 61
KẾT LUẬN 64
TÀI LIỆU THAM KHẢO 66
PHỤ LỤC 68




Danh mục hình vẽ
i

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Cấu trúc hệ thống bám công suất cực đại MPPT. 2
Hình 1.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin mặt trời. 3
Hình 1.3. Mạch tương đương của một tế bào pin mặt trời. 4
Hình 1.4. Sơ đồ khối chi tiết bên trong của pin mặt trời. 6
Hình 1.5. Mô hình lý tưởng của tế bao pin mặt trời. 6
Hình 1.6. Đặc tính I – V và P – V của pin mặt trời. 7
Hình 1.7. Mạch của pin mặt trời xét tới ảnh hưởng của R
sh
. 7
Hình 1.8. Đặc tính I – V khi có R
sh
. 8
Hình 1.9. Mạch của pin mặt trời xét tới ảnh hưởng của R
s
. 8
Hình 1.10. Đặc tính I – V khi có R
sh
. 8
Hình 1.11. Đặc tính I – V và P – V khi cường độ chiếu sáng thay đổi. 9
Hình 1.12. Đặc tính I – V và P – V của pin mặt trời khi nhiệt độ thay đổi từ 25
0
C÷75
0
C.
10
Hình 1.13. Trạm vũ trụ ISS và Robot tự hành trên sao hỏa. 11
Hình 1.14. Nguồn sạc di động và hệ thống điện trên tàu[15] 11
Hình 1.15. Nguồn điện năng lượng mặt trời cung cấp tòa nhà [15]. 12

Hình 1.16. Nhà máy điện sử dụng pin mặt trời [15]. 12
Hình 2.1. Bộ điều khiển MPPT trong hệ thống pin mặt trời. 14
Hình 2.2. Pin mặt trời mắc trực tiếp với tải thuần trở có thể thay đổi giá trị. 14
Hình 2.3. Đặc tính làm việc của pin mặt trời và của tải có thể thay đổi giá trị. 15
Hình 2.4. Pin mặt trời kết nối với tải qua bộ biến đổi DC – DC. 16
Hình 2.5. PMT với điện trở R
ei
. 17
Hình 2.6. Đặc tính của pin mặt trời và của tải thuần trở [4] 17
Hình 2.7. Khoảng làm việc của bộ biến đổi tăng áp Boost [4]. 18

Danh mục hình vẽ
ii
Hình 2.8. Đặc tính I – V khi bức xạ thay đổi và vị trí các điểm MPP. 19
Hình 2.9. Sơ đồ hệ thống MPPT điều khiển theo dòng điện tham chiếu I
ref
. 20
Hình 2.10. Đường đặc tính quan hệ giữa công suất và dòng điện P – I của pin mặt trời. 20
Hình 2.11. Lưu đồ thuật toán P&O điều khiển thông qua dòng tham chiếu I
ref
. 21
Hình 2.12. Sơ đồ khối của phương pháp MPPT điều khiển trực tiếp chu kỳ nhiệm vụ D.
22
Hình 2.13. Mối quan hệ giữa tổng trở vào của mạch boost với chu kỳ nhiệm vụ D. 22
Hình 2.14. Lưu đồ thuật toán P&O điều khiển trực tiếp chu kỳ nhiệm vụ D. 23
Hình 2.15. Đường đặc tính P – I và thuật toán INC. 24
Hình 2.16. Lưu đồ thuật toán INC điều khiển gián tiếp qua I
ref
. 25
Hình 2.17. Lưu đồ thuật toán INC điều khiển trực tiếp hệ số D. 26

Hình 3.1. Mô hình BBĐ boost. 29
Hình 3.2. Mạch tương đương khi Q
1
mở và D khóa. 30
Hình 3.3. Mạch tương đương khi Q
1
khóa và D mở. 30
Hình 3.4. Dạng sóng trên cuộn cảm L và dạng sóng trên tụ C 31
Hình 3.5. Dạng sóng dòng điện trên cuộn cảm L. 32
Hình 3.6. Dạng sóng điện áp đầu ra. 33
Hình 3.7. Hình dạng chung của lõi EE
[2]
35
Hình 3.8. Đặc tính thể hiện quan hệ ESR/ESR
0
theo tần số [18]. 37
Hình 3.9. Mạch đóng cắt trong sơ đồ BBĐ Boost. 38
Hình 3.10. Mô hình mạng đóng cắt. 38
Hình 3.11. Dạng điện áp v
1
(t) trên MOSFET và dạng dòng i
2
(t) qua diode . 38
Hình 3.12. Mô hình trung bình. 39
Hình 3.13. Mô hình trung bình mạng đóng cắt cho mạch boost. 40
Hình 3.14. Mô hình trung bình cho mạch Boost. 40
Hình 3.15. Mô hình trung bình tín hiệu nhỏ cho mạch Boost. 41

Danh mục hình vẽ
iii

Hình 3.16. Mô hình trung bình tín hiệu nhỏ cho mạch Boost khi loại
ˆ
0
g
v 
. 41
Hình 3.17. a) Mô hình quy đổi về thứ cấp. b) laplace hóa mạch quy dổi. 41
Hình 3.18. Cấu trúc điều khiển dòng cho bộ biến đổi Boost. 43
Hình 3.19. Cấu trúc bộ bù loại 2. 43
Hình 3.20. Sơ đồ điều khiển mạch vòng dòng điện. 46
Hình 3.21. Sơ đồ khối và dạng sóng của khối PWM. 46
Hình 3.22. Đồ thị bode của đối tượng dòng điện 47
Hình 3.23. Đồ thị bode của mạch vòng dòng điện sau khi được bù. 48
Hình 4.1. Sơ đồ mô phỏng BBĐ Boost. 50
Hình 4.2. Diện áp trên cuộn cảm. 50
Hình 4.3. Dòng điện trên cuộn cảm. 51
Hình 4.4. Điện áp ra trên tụ điện C 51
Hình 4.5. dữ liệu bức xạ mặt trời dùng cho mô phỏng. 52
Hình 4.6. Dấu vết theo dõi điểm MPP trong ngày nhiều nắng (25
0
C). 52
Hình 4.7. dữ liệu bức xạ mặt trời trong ngày nhiều mây. 53
Hình 4.8. Dấu vết theo dõi điểm MPP trong ngày nhiều mây (25
0
C). 53
Hình 4.9. Sơ đồ mô phỏng MPPT với thuật toán P&O điều khiển trực tiếp chu kỳ D. 54
Hình 4.10. Bức xạ mặt trời thay đổi. 54
Hình 4.11. Thuật toán P&O với ∆D thay đổi và Ts cố định 55
Hình 4.12. Thuật toán P&O với ∆D cố định và Ts thay đổi. 55
Hình 4.13. Sơ đồ mô phỏng MPPT với thuật toán INC điều khiển trực tiếp chu kỳ D. 56

Hình 4.14.Thuật toán INC với ∆D thay đổi và Ts cố định. 56
Hình 4.15. Mô phỏng INC với ∆D cố định và Ts thay đổi. 57
Hình 4.16. So sánh thuật toán P&O và INC điều khiển gián tiếp với Ts không đổi 57
Hình 4.17. So sánh thuật toán P&O và INC điều khiển gián tiếp với ∆D không đổi. 58
Hình 4.18. Mô phỏng thuật toán INC điều khiển trực tiếp. 59

Danh mục hình vẽ
iv
Hình 4.19. Thuật toán P&O điều khiển gián tiếp với giá trị Ts không đổi. 59
Hình 4.20. Thuật toán P&O gián tiếp với Ts thay đổi và ∆I cố định. 60
Hình 4.21. Sơ đồ điều khiển bám công suất cực đại sử dụng INC gián tiếp 60
Hình 4.22. Thuật toán INC điều khiển gián tiếp với Ts cố địn và ∆I thay đổi. 61
Hình 4.23. Thuật toán INC với chu kỳ trính mẫu Ts thay dổi và ∆I cố định. 61
Hình 4.24. So sánh hai thuật toán INC và P&O điều khiển gián tiếp với ∆I thay đổi. 62
Hình 4.25. So sánh hai thuật toán INC và P&O điều khiển gián tiếp với Ts thay đổi. 62



Danh mục bảng số liệu
ii
DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU

Bảng 1.1. Thông số kỹ thuật của pin mặt trời [17]. 2
Bảng 4.1. Dữ liệu các điểm công suất cực đại ứng với các bức xạ khác nhau. 54




Danh mục từ viết tắt
iii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

PMT

Pin mặt trời
NLMT

Năng lượng mặt trời
KVL
Kirchhoff's Voltage Law
Định luật kirchhoff điện áp
KCL
Kirchhoff's Current Law
Định luật kirchhoff dòng điện
BBĐ

Bộ biến đổi
PWM
Pulse Width Modulation
Điều chế độ rộng xung
MPP
Maximum Power Point
Điểm công suất lớn nhất
MPPT
Maximum Power Point Tracking
Bám công suất cực đại
P&O
Purturb and Observer
Nhiễu loạn và quan sát
INC

Incremental Conductance
Điện dẫn gia tăng
OPT
Optimal
Tối ưu


Lời nói đầu
1
LỜI NÓI ĐẦU

Nhu cầu về năng lượng trong thời đại khoa học kỹ thuật không ngừng gia tăng.
Tuy nghiên các nguồn năng lượng truyền thống đang được khai thác như : than đá, dầu
mỏ, khí đốt, khí thiên nhiên và ngay cả thủy điện…đang ngày càng cạn kiệt. Không
những thế chúng còn có tác hại xấu đối với môi trường như: gây ra ô nhiễm môi trường,
ô nhiễm tiếng ồn, mưa axit, trái đất ấm dần lên, thủng tầng ozon Do đó, việc tìm ra và
khai thác các nguồn năng lượng mới như năng lượng hạt nhân, năng lượng địa nhiệt,
năng lượng gió và năng lượng mặt trời… là rất cần thiết.
Việc nghiên cứu năng lượng mặt trời ngày càng thu hút sự quan tâm của các nhà
nghiên cứu, nhất là trong tình trạng thiếu hụt nghiêm trọng năng lượng hiện nay. Năng
lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch, dồi dào, hoàn toàn miễn phí, không gây ô
nhiễm môi trường và không gây ô nhiễm tiếng ồn … Hiện nay, năng lượng mặt trời đã
dần dần đi vào cuộc sống của con người, chúng được áp dụng khá rộng rãi trong dân
dụng và trong công nghiệp dưới nhiều hình thức khác nhau.
Pin mặt trời có rất nhiều các ưu điểm ưu việt nhưng giá thành của tấm pin mặt trời
còn đắt nên việc tăng hiệu suất và kéo dài tuổi thọ của pin trở thành một vấn đề rất quan
trọng. Để tăng hiệu suất và kéo dài tuổi thọ của pin thì cần phải để hệ thống pin năng
lượng mặt trời hoạt động ổn định tại điểm có công suất cực đại. Bởi vì, điều kiện tự nhiên
bao gồm bức xạ mặt trời và nhiệt độ lại luôn thay đổi nên điểm làm cho hệ thống có công
suất cực đại cũng thay đổi theo. Vì vậy, cần có một phương pháp nào đó để theo dõi được

sự di chuyển của điểm có công suất cực đại và áp đặt cho hệ thống làm việc tại đó. Do đó
nên em đã chọn đề tài: “ Nghiên cứu các thuật toán điều khiển bám công suất cực đại
cho pin mặt trời ”. Đề tài này được trình bày trong 4 chương:
Chương 1. Tổng quan về hệ thống pin mặt trời
Chương 2. Thuật toán bám điểm công suất cực đại
Chương 3. Bộ biến đổi DC – DC
Chương 4. Mô phỏng hệ thống
Trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp, em đã cố gắng tìm tòi, học hỏi và
nghiên cứu kiến thức để hoàn thành bản đồ án. Do kinh nghiệm và kiến thức của bản thân
còn nhiều hạn chế nên báo cáo đồ án tốt nghiệp này của em khó tránh khỏi những thiếu

Lời nói đầu
2
sót. Vậy em rất mong nhận được sự góp ý từ phía thầy cô để em hoàn thiện thêm kiến
thức cho bản thân.
Qua đây em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo ThS. Nguyễn Duy Đỉnh
cùng cán bộ nghiên cứu tại trung tâm CTI đã hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt quá
trình làm đồ án tốt nghiệp.




Hà Nội, ngày 12 tháng 06 năm 2014
Sinh viên thực hiện


Trương Văn Trọng

Chương 1. Tổng quan về hệ thống pin mặt trời
2

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI

1.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
+
–
DC
DC
Tải
I
PV
V
PV
Bộ điều khiển
MPPT
Tín hiệu
PWM

Hình 1.1. Cấu trúc hệ thống bám công suất cực đại MPPT.
Hệ thống bám công suất cực đại của pin mặt trời có cấu trúc cơ bản như được trình
bày trên hình 1.1. Các thành phần cơ bản trong cấu trúc của hệ thống bám công suất cực
đại gồm:
 Tấm pin năng lượng mặt trời: có các thông số kỹ thuật cơ bản trong điều kiện tiêu
chuẩn (bức xạ mặt trời 1000W/m
2
và nhiệt độ 25
0
C) như được liệt kê trong bảng 1.1.
Bảng 1.1. Thông số kỹ thuật của pin mặt trời [17].
Thông số

Ký hiệu
Giá trị
Công suất lớn nhất
P
max

80W
Điện áp tại điểm cực đại MPP
V
MPP

18V
Dòng điện tại điểm cực đại MPP
I
MPP

4,444A
Điện áp hở mạch
V
OC

22V
Dòng điện ngắn mạch
I
SC

5A
 Bộ điều khiển MPPT: là linh hồn của hệ thống. Nó làm cho hệ thống pin mặt trời bám
được công suất cực đại, giúp tăng hiệu suất làm việc của hệ thống PMT.
 Bộ biến đổi DC – DC: có nhiệm vụ đóng cắt van bán dẫn để thay đổi trở kháng vào

của PMT.

Chương 1. Tổng quan về hệ thống pin mặt trời
3
Phạm vi nghiên cứu của đồ án này là: nghiên cứu lý thuyết về các thuật toán bám
công suất cực đại và tính toán mạch lực cho bộ biến đổi DC – DC, thiết kế bộ điều khiển
cho hệ thống bám công suất cực đại. Mô phỏng hệ thống để kiểm chứng lại lý thuyết đã
nghiên cứu.
1.2. Giới thiệu về pin mặt trời
1.2.1. Định nghĩa
Pin mặt trời hay còn gọi là pin quang điện là thiết bị ứng dụng hiệu ứng quang
điện trong lớp bán dẫn (thường gọi là hiện tượng quang điện trong – quang dẫn) để tạo ra
dòng điện một chiều khi được chiếu sáng.
1.2.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Hình 1.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin mặt trời.
a. Cấu tạo pin mặt trời
Gồm ba thàn phần chính như đã mô tả trên hình 1.2:
- Mặt ghép bán dẫn p – n: sử dụng tinh thể Silic, đây là thành phần chính của pin
và lớp n thường mỏng để ánh sáng có thể chiếu tới lớp tiếp xúc p – n.
- Điện cực: là thành phần dẫn điện ra phụ tải, vật liệu làm điện cực vừa phải có
độ dẫn tốt vừa phải bám dính tốt vào chất bán dẫn.
- Lớp chống phản quang: nếu sự phản xạ ánh sáng càng nhiều sẽ làm cho hiệu
suất của pin giảm. Vì vậy phải phủ một lớp chống phản quang.
b. Nguyên lý hoạt động
Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời dựa trên hiện tượng quang điện trong như
được mô tả trong hình 1.2. Khi lớp p – n hấp thụ ánh sáng có bước sóng hv
≥
E
g

= E
c
– E
v


Chương 1. Tổng quan về hệ thống pin mặt trời
4
tạo ra cặp điện tử – lỗ trống và trở thành các hạt tải điện tự do. Điện tử di chuyển về phía
cực của bán dẫn loại n và lỗ trống di chuyển về phía cực của bán dẫn loại p. Nếu bên
ngoài nối giữa bán dẫn loại n và bán dẫn loại p thì xuất hiện dòng điện.
c. Phân loại loại pin mặt trời
Cho tới nay vật liệu chế tạo pin mặt trời chủ yếu là Silic và được chi thành ba loại
chính:
- Đơn tinh thể: có hiệu suất tới 16% và loại này thường đắt tiền do được cắt từ
các thỏi hình ống.
- Đa tinh thể: làm từ thỏi đúc từ Silic nung chảy, sau đó làm nguội và làm rắn.
Loại này rẻ hơn pin đơn tinh thể nhưng hiệu suất lại thấp hơn.
- Dải Silic tạo từ các miếng phim mỏng từ Silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh
thể. Loại này có hiệu suất thấp nhất nhưng giá rẻ nhất.
1.3. Đặc tính làm việc của pin mặt trời
1.3.1. Sơ đồ tương đương của pin mặt trời
a. Mô hình toán học của pin mặt trời
Iph
PV lý tưởng
Rsh
D
I
D
V

PV
I
PV
+
_
Rs

Hình 1.3. Mạch tương đương của một tế bào pin mặt trời.
Khi được chiếu sáng thì pin mặt trời phát ra một dòng quang điện I
ph
vì vậy pin
mặt trời có thể xem như một nguồn dòng.
Lớp tiếp xúc p – n có tính chất chỉnh lưu tương đương như một diode D. Tuy
nhiên khi phân cực ngược, do điện trở tiếp xúc có giới hạn nên vẫn có một dòng điện rò
qua nó. Đặc trưng cho dòng điện rò qua lớp tiếp xúc p – n là điện trở shunt R
sh
.
Dòng quang điện chạy trong mạch phải đi qua các lớp bán dẫn p và n, các điện

Chương 1. Tổng quan về hệ thống pin mặt trời
5
cực, các tiếp xúc… Đặc trưng cho tổng các điện trở của các lớp đó là một điện trở R
S

mắc nối tiếp trong mạch. Từ đó, xây dựng được sơ đồ tương đương tổng quát của PMT
như hình 1.3 [16] :
Dòng điện qua diode
d
qV
nkT

Ds
I I e 1




(1.1)
Phương trình KCL:
D
ph D PV
sh
V
I I I 0
R
   
(1.2)
Phương trình KVL:
PV D s PV
V V R I
(1.3)
trong đó:
- I
D
: dòng qua diode, [A]
- I
S
: dòng bão hòa của diode, [A]
- q: điện tích electron, q = 1,602.10
-19
C

- k: hằng số Boltzman, k = 1,381.10
-23
J/K
- T: nhiệt độ lớp tiếp xúc, [K]
- n: hệ số lý tưởng của diode
- V
d
: điện áp nhiệt, [V]
- I
PV
: dòng điện ra của pin mặt trời, [A]
- V
PV
: điện áp ra của pin mặt trời, [V]
Từ (1.1), (1.2), (1.3) suy ra phương trình đặc tính I – V của một tế bào PMT :

 
D pv S
q V I .R
pv pv S
nkT
pv ph D sh ph s
sh
V I .R
I I I I I I e 1
R





      


(1.4)
Để có công suất cũng như điện áp, dòng điện theo yêu cầu thì phải ghép các tế bào
PMT lại thành một module PMT. Giả sử ghép nối tiếp Ns các tế bào PMT và ghép song
song Np các tế bào PMT lại, thì phương trình đặc tính I – V tổng quát như sau [16]:
 
 
pv pv S
S
q V I .R
N . nkT
pv pv S
pv p ph p D sh p ph p s
sh
V I .R
I N .I N .I I N .I N .I e 1
R




      


(1.5)

Chương 1. Tổng quan về hệ thống pin mặt trời
6

b. Mô hình hóa pin mặt trời bằng simulink
Xuất phát từ phương trình (1.1), (1.2), (1.3), (1.5) có thể xây dựng được mô hình
mô phỏng của tấm pin như hình 1.4.

Hình 1.4. Sơ đồ khối chi tiết bên trong của pin mặt trời.
1.3.2. Đặc tính của pin mặt trời
a. Đặc tính I – V lý tưởng của pin năng lượng mặt trời
Mô hình pin lý tưởng được mô tả trên hình 1.5 là mô hình không xét tới những
ảnh hưởng của R
s
và R
sh
, có nghĩa là R
s
= 0 và R
sh
= ∞.
Iph
PV lý tưởng
D
I
D
V
PV
I
PV
+
_

Hình 1.5. Mô hình lý tưởng của tế bao pin mặt trời.

Phương trình đặc tính I – V thu được của pin dựa vào phương trình (1.5) :

D
qV
nkT
pv p ph p D p ph p s
I N I N I N I N I e 1

    


(1.6)
N
p
I
ph
là nguồn dòng có giá trị không đổi ứng với điều kiện thời tiết nhất định, N
p
I
D

đặc tính I – V của diode là đường cong đồng biến trong khoảng điện áp V
D
dương. Từ đó,

Chương 1. Tổng quan về hệ thống pin mặt trời
7
theo phương trình (1.6) suy ra dạng đặc tính I – V và P – V của pin mặt trời ứng với bức
xạ 1000W/m
2

và ở 25
0
C như hình 1.6.
0 5 10 15 20 25
0
3
6
Dien ap V [V]
Dong dien I [A]
0 5 10 15 20 25
0
50
100
X: 18.04
Y: 80
Dien ap V [V]
Cong suat P[W]
MPP
MPP
Isc
Voc
Voc

Hình 1.6. Đặc tính I – V và P – V của pin mặt trời.
Theo hình 1.6 cho thấy quan hệ giữa dòng điện và điện áp I(A) và quan hệ giữa
công suất với điện áp P(V) = I.V là những mối quan hệ phi tuyến và các quan hệ phi
tuyến này thay đổi giá trị khi mà thời tiết thay đổi. Ứng với mỗi điều kiện khí hậu cụ thể
thì đặc tính P – V sẽ tồn tại một điểm có công suất lớn nhất gọi là MPP (maximum power
point), tại điểm đó hiệu suất của pin sẽ là lớn nhất. Để hiểu rõ ràng hơn về vị trí và quá
trình di chuyển của điểm MPP thì phần tiếp theo sẽ phân tích ảnh hưởng của các yếu tố

bên trong và yếu tố bên ngoài ảnh hưởng tới đặc tính của pin mặt trời như thế nào?
b. Ảnh hưởng của Rs và Rsh lên đặc tính I–V của pin năng lượng mặt trời
 Ảnh hướng của điện trở R
sh
tới đặc tính I – V của pin
Iph
PV lý tưởng
Rsh
D
I
D
V
PV
I
PV
+
_

Hình 1.7. Mạch của pin mặt trời xét tới ảnh hưởng của R
sh
.

Chương 1. Tổng quan về hệ thống pin mặt trời
8
Khi có điện trở R
sh
thì dòng điện của pin mặt trời cấp cho bị giảm đi một lượng
sh
V
R

so với đặc tính lý tưởng của pin mặt trời nên đặc tính I – V có dạng như hình 1.8.

Hình 1.8. Đặc tính I – V khi có R
sh
.
 Ảnh hưởng của điện trở R
s
tới đặc tính I – V của pin
Iph
PV lý tưởng
Rs
D
I
D
V
PV
I
PV
+
_

Hình 1.9. Mạch của pin mặt trời xét tới ảnh hưởng của R
s
.

Hình 1.10. Đặc tính I – V khi có R
sh
.

Chương 1. Tổng quan về hệ thống pin mặt trời

9
Khi xét tới ảnh hưởng của Rs thì đường đặc tính thu được bị kéo về phía gốc tọa
độ một lượng
S
V I.R
như mô tả trong hình 1.10.
1.4. Những yếu tố bên ngoài ảnh hưởng tới pin mặt trời
Khí hậu thời tiết ảnh hưởng rất lớn tới hoạt động của PMT. Trong đó, nhiệt độ và
cường độ ánh sáng là những yếu tố tiêu biểu ảnh hưởng mạnh nhất tới đặc tính I – V của
PMT dẫn tới sự thay đổi điểm làm việc có công suất lớn nhất MPP của PMT.
1.4.1. Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng
Khi thay đổi điều kiện của cường độ ánh sáng mặt trời từ W = 400W/m
2
tới bức xạ
W = 1000 W/m
2
thu được đặc tính I – V và P – V như hình 1.11. Từ đó có một số kết
luận như sau:
- Dòng ngắn mạch I
SC
tỉ lệ thuận với cường độ bức xạ chiếu sáng. Cường độ bức xạ
càng lớn thì dòng I
SC
càng lớn và ngược lại.
- Do dòng điện và điện áp tăng dẫn tới công suất hoạt động của pin cũng tăng hay
nói cách khác điểm MPP có công suất lớn nhất cũng tăng lên, di chuyển về phía
trên khi cường độ chiếu sáng của mặt trời tăng.
0 5 10 15 20 25
0
1.5

3
4.5
5.5
Dien ap [ V ]
Dong dien [ A ]
Anh huong cua buc xa toi PMT


0 5 10 15 20 25
0
20
40
60
80
100
Dien ap [ V ]
Cong suat [ W ]


600W/m
2
800W/m
2
1000W/m
2
600W/m
2
800W/m
2
1000W/m

2

Hình 1.11. Đặc tính I – V và P – V khi cường độ chiếu sáng thay đổi.

Chương 1. Tổng quan về hệ thống pin mặt trời
10
1.4.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ
Thay đổi điều kiện nhiệt độ của pin mặt trời thay đổi từ 25
0
C tới 75
0
C. Từ đó, thu
được đường đặc tính I – V và P – V như hình 1.12 ở phía dưới.
0 5 10 15 20 25
0
2
4
6
Dien ap [ V ]
Dong dien [ A ]
Anh huong cua nhiet do toi dac tinh cua PMT


0 5 10 15 20 25
0
20
40
60
80
Dien ap [ V ]

Cong suat [ W ]


25
0
C
50
0
C
75
0
C
25
0
C
50
0
C
75
0
C

Hình 1.12. Đặc tính I – V và P – V của pin mặt trời khi nhiệt độ thay đổi từ 25
0
C÷75
0
C.
Từ hình 1.12 rút ra kết luận:
- Khi nhiệt độ tăng thì điện áp hoạt động của pin mặt trời giảm mạnh, còn dòng
điện thì tăng ít.

- Công suất của pin mặt trời giảm khi nhiệt độ tăng.
Nhận xét: sau khi đã khảo sát được ảnh hưởng của các yếu tố bên trong (Rs,Rsh)
và các yếu tố bên ngoài (Bức xạ mặt trời, nhiệt độ) lên đặc tính của tấm pin mặt trời. Cho
thấy khi các yếu tố khí hậu bên ngoài thay đổi thì đường đặc tính sẽ thay đổi theo do đó
điểm có công suất lớn nhất cũng di chuyển theo và vị trí của điểm MPP đó không thể biết
trước được nó đang nằm ở đâu. Do đó, việc cần thiết để khai thác hiệu quả tấm pin mặt
trời là phải có một thuật toán để theo dõi được quá trình di chuyển, vị trí của điểm MPP
và áp đặt hệ thống năng lượng mặt trời phải hoạt động tại điểm MPP đó.

Chương 1. Tổng quan về hệ thống pin mặt trời
11
1.5. Ứng dụng của pin mặt trời
1.5.1. Tích hợp vào thiết bị
Pin mặt trời có ưu điểm gọn nhẹ có thể lắp vào bất kì đâu có ánh sáng mặt trời,
đặc biệt được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực hàng không vũ trụ. Những nơi mà các
nguồn năng lượng thông dụng không thể cung cấp tới.


Pin mặt trời cũng được tích hợp vào các thiết bị sử dụng trong đời sống hàng ngày
như: đồng hồ, máy tính, đèn đường … Nó là nguồn năng lượng xanh, sạch đang dần được
ứng dụng vào các phương tiện giao thông thay thế cho các nguyên liệu truyền thống gây
ô nhiễm môi trường.
1.5.2. Nguồn điện di động
Nguồn điện này sẽ cung cấp điện cho các thiết bị điện tại bất kì nơi đâu. Đặc biệt
những mơi không có nguồn điện lưới như vùng sâu vùng xa, hải đảo, trên biển …
Các ứng dụng nguồn điện di động phải kể tới bộ sạc năng lượng mặt trời, cặp năng
lượng mặt trời, áo năng lượng mặt trời, trạm điện năng lượng mặt trời di động.

Hình 1.14. Nguồn sạc di động và hệ thống điện trên tàu[15].
Hình 1.13. Trạm vũ trụ ISS và Robot tự hành trên sao hỏa.

Chương 1. Tổng quan về hệ thống pin mặt trời
12
1.5.3. Nguồn điện cho tòa nhà
Nguồn điện cho tòa nhà là một trong những giải pháp vừa giúp giảm hóa đơn tiền
điện hàng tháng, vừa giúp giảm đầu tư của xã hội cho các công trình nhà máy điện khổng
lồ bằng cách kết hợp sức mạnh của toàn dân trong việc tạo ra điện phục vụ đời sống sản
xuất chung.

Hình 1.15. Nguồn điện năng lượng mặt trời cung cấp tòa nhà [15].
Nguồn điện cho tòa nhà được chia thành 2 loại đó là nguồn điện mặt trời cục bộ và
nguồn điện mặt trời hòa lưới điện quốc gia. Riêng nguồn điện mặt trời hòa lưới điện quốc
gia có nhiều ưu điểm và mang lại lợi ích kinh tế cao. Sử dụng nguồn điện mặt trời trong
gia đình vừa giúp bảo vệ môi trường, vừa thể hiện phong cách sống hiện đại.
1.5.4. Nhà máy điện mặt trời
Bằng cách kết nối nhiều nguồn điện mặt trời với nhau có thể tạo ra được tổ hợp
nguồn điện mặt trời có đủ khả năng thay thế một nhà máy phát điện.

Hình 1.16. Nhà máy điện sử dụng pin mặt trời [15].