Điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ pin quang điện mặt trời có xét đến hiện tượng bóng râm

i
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM

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


TP. Hồ Chí Minh, ngày …… tháng …… năm ……

BẢN CAM ĐOAN

Họ và tên học viên: Nguyễn Ngọc Thoại
Ngày sinh: 07/4/1977 Nơi sinh: TP.HCM
Trúng tuyển đầu vào năm: 2012
Là tác giả luận văn: Điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ pin quang điện
mặt trời có xét đến hiện tượng bóng râm
Chuyên ngành:Kỹ thuật điện Mã ngành: 605202202
Bảo vệ ngày: 18 Tháng 01 năm 2014
Điểm bảo vệ luận văn: 6,9
Tôi cam đoan chỉnh sửa nội dung luận văn thạc sĩ với đề tài trên theo góp ý của Hội
đồng đánh giá luận văn Thạc sĩ. Các nội dung đã chỉnh sửa:
Trình bày lý do chọn giải thuật
Cần có sự so sánh kết quả giữa giải thuật đề xuất với kết quả khi không có
sử dụng giải thuật được đề xuất

Người cam đoan Cán bộ Hướng dẫn
(Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)

Nguyễn Ngọc Thoại
ii
LỜI CÁM ƠN
Trước tiên, xin chân thành cảm ơn sự quan tâm hỗ trợ, tạo điều kiện và hết lòng
động viên về tinh thần lẫn vật chất của các thành viên trong gia đình trong suốt thời
gian qua.
Đồng thời cảm ơn Thầy Huỳnh Châu Duy đã hướng dẫn, quan tâm và tạo thuận
lợi cho bản thân học viên trong suốt thời gian thực hiện đề tài tốt nghiệp này.
Bên cạnh đó, xin chuyển lời cảm ơn đến Ban Giám đốc Công ty Điện lực Gia
Định, nơi học viên đang công tác đã tạo điều kiện về thời gian cũng như các điều kiện
thuận lợi khác để học viên hoàn thành chương trình cao học này.
Ngoài ra học viên cũng xin gởi lời cảm ơn đến tất cả những Thầy Cô đã trực
tiếp giảng dạy trong suốt khóa học, những đồng nghiệp đã chia sẽ khó khăn, những
người bạn đã quan tâm, động viên và luôn giữ mối liên lạc tốt trong quá trình học tập
và rèn luyện vừa qua.
Học viên thực hiện luận văn



Nguyễn Ngọc Thoại

iii
TÓM TẮT
Năng lượng là rất cần thiết cho cuộc sống của chúng tôi. Gần đây, nhu cầu sử
dụng năng lượng đã được tăng lên rất nhiều trên toàn thế giới. Điều này đã dẫn đến
một cuộc khủng hoảng về năng lượng và biến đổi khí hậu. Các nỗ lực nghiên cứu
trong việc hướng tới việc khai thác và sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo có thể
giải quyết được các vấn đề này. So với các nguồn năng lượng nhiên liệu hóa thạch
truyền thống, các nguồn năng lượng tái tạo có những ưu điểm chủ yếu sau đây: bền
vững, không cạn kiệt, miễn phí và không gây ô nhiễm môi trường. Có thể dễ dàng
hiểu được rằng năng lượng tái tạo là nguồn năng lượng được tạo ra từ các nguồn tài
nguyên thiên nhiên mà có thể được tái tạo như bức xạ mặt trời, gió, thủy triều, sóng
biển, v. v . . . Trong số các nguồn năng lượng này, năng lượng mặt trời là một trong
những nguồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất và được sử dụng rộng rãi.
Năng lượng mặt trời được sử dụng phổ biến để cung cấp nhiệt, ánh sáng và
điện. Một trong các công nghệ quan trọng của năng lượng mặt trời là pin quang điện
(Photovoltaic, PV) mà chuyển đổi bức xạ trực tiếp thành điện năng bởi hiệu ứng
quang điện. Tuy nhiên, bản thân quá trình chuyển đổi năng lượng điện này lại có hai
vấn đề chính cần được giải quyết. Thứ nhất, hiệu suất chuyển đổi của các tế bào pin
quang điện là rất thấp (9 % đến 17 %), đặc biệt là trong các điều kiện bức xạ thấp.
Thứ hai, điện năng được phát ra bởi pin quang điện thay đổi liên tục với các điều
kiện thời tiết khác nhau. Ngoài ra, đặc tính VI của pin quang điện là phi tuyến tính
và thay đổi theo bức xạ và nhiệt độ. Nhưng tổng quát cho thấy, luôn luôn tồn tại
một điểm duy nhất trên các đường cong VI hoặc VP mà được gọi là điểm công suất
cực đại (Maximum power point, MPP). Điều này có nghĩa rằng hệ thống pin quang
điện sẽ hoạt động với hiệu suất tối đa và tạo ra một công suất ngõ ra tối đa. Điểm
công suất cực đại không được biết trước trên các đường cong VI hoặc VP, nhưng nó
có thể được xác định bởi các thuật toán tìm kiếm mà có thể có các ưu và nhược

điểm khác nhau liên quan đến tính đơn giản, tốc độ hội tụ, thêm các phần cứng hỗ
trợ và chi phí thực hiện. Luận văn này trình bày thuật toán P&O để tìm kiếm các
điểm công suất cực đại trên đặc tính VI của hệ pin quang điện, đặc biệt xét đến các
ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm.

iv

ABSTRACT

Energy is absolutely essential for our life. Recently, energy demand has
greatly increased all over the world. This has resulted in an energy crisis and
climate change. The research efforts in moving towards renewable energy can solve
these problems. Compared to conventional fossil fuel energy sources, renewable
energy sources have the following major advantages: they are sustainable, never
going to run out, free and non-polluting. Renewable energy is the energy generated
from renewable natural resources such as solar irradiation, wind, tides, wave, etc.
Amongst these sources, solar energy is one of the most important renewable sources
and is widely used.
Solar energy is popularly used to provide heat, light and electricity. One of the
important technologies of solar energy is photovoltaic (PV) which converts
irradiation directly to electricity by the photovoltaic effect. However, the solar PV
generation panels have two main problems. Firstly, the conversion efficiency of
solar PV cells is very low (9% to 17%), especially under low irradiation conditions.
Secondly, the amount of electric power which is generated by solar PV panels
changes continuously with various weather conditions. In addition, the V-I
characteristic of the solar cell is non-linear and varies with irradiation and
temperature. But in general, there is always a unique point on the V-I or V-P curve
which is called the Maximum Power Point (MPP). This means that the solar PV
system will operate with maximum efficiency and produce a maximum output
power. The MPP is not known on the V-I or V-P curve, but it can be located by

search algorithms which can have several advantages and disadvantages concerned
with simplicity, convergence speed, extra hardware and cost. This thesis presents
the P&O algorithm for searching a MPP on the V-I characteristic of the solar PV
system, especially under partial shading conditions.


v
MỤC LỤC
Bản cam đoan i
Lời cảm ơn ii
Tóm tắt iii
Abstract iv
Mục lục v
Chương 1: Giới thiệu
1.1 Giới thiệu 1
1.2 Mục tiêu nghiên cứu 2
1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3
1.4 Nội dung nghiên cứu 3
1.5 Bố cục của luận văn 3
Chương 2 : Tổng quan tình hình nghiên cứu
2.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước 5
2.2 Tổng quan tình hình phát triển năng lượng mặt trời tại Việt Nam 7
Chương 3: Pin quang điện
3.1 Giới thiệu 11
3.2 Sơ đồ thay thế đơn giản của PV 15
3.3 Sơ đồ thay thế của PV có xét đến các tổn hao 16
3.4 Modul PV 17
3.5 Mảng PV 18
3.5.1 Nối nối tiếp nhiều modul PV 18
3.5.2 Nối song song nhiều modul PV 19

3.5.3 Nối hổn hợp nhiều modul PV . 19
3.6 Phân loại hệ thống PV 20
3.6.1 Hệ thống PV kết nối lưới điện 20
3.6.2 Hệ thống PV độc lập 21
3.7 Các ảnh hưởng đến PV 22
3.7.1 Ảnh hưởng của cường độ chiếu sáng 22
3.7.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ 22
3.7.3 Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm 23
vi
Chương 4: Điều khiển bám điểm công suất cực đại cho hệ pin quang điện
4.1 Giới thiệu 31
4.2 Bộ biến đổi DC/DC 33
4.2.1 Bộ biến đổi Buck 33
4.2.2 Bộ biến đổi Boost 36
4.2.3 Bộ biến đổi Buck – Boost 37
4.3 Điều khiển bộ biến đổi DC/DC 38
4.3.1 Điều khiển điện áp hồi tiếp 38
4.3.2 Điều khiển dòng điện hồi tiếp 39
4.4 Thuật toán xác định điểm công suất cực đại. 40
4.4.1. Thuật toán Perturbation & Observation (P&O) 40
4.4.2. Thuật toán Incremental Conductance (IC) 43
4.4.3 Thuật toán điện áp không đổi 45
4.4.4 Thuật toán dòng điện ngắn mạch 46
Chương 5 : Kết quả mô phỏng
5.1 Giới thiệu 48
5.2 Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống pin quang điện 48
5.3 Kết quả mô phỏng cho một array pin quang điện 53
5.3.1 Trường hợp không bị bóng râm 53
5.3.2 Trường hợp bị bóng râm 56
5.3.2.1 Trường hợp 1 56

5.3.2.2 Trường hợp 2 60
5.3.2.3 Trường hợp 3 63
5.3.2.4 Trường hợp 4 66
5.4 Kết luận 69

Chương 6 : Kết luận và hướng phát triển tương lai
6.1 Kết luận 70
6.2 Hướng phát triển tương lai 70
Tài liệu tham khảo 72
vii
Danh mục các từ viết tắt
P&O: Perturbation & Observation
IC: Incremental Conductance algorithm
PV: Photovoltaic
kWp: Kilowatt peak
MPP: Maximum Power Point
MPPT: Maximum Power Point Tracking
PWM: Pulse Width Modulation
V-I: Voltage Amper

viii
Danh mục các bảng
Bảng 2.1 Tiềm năng năng lượng mặt trời tại Việt Nam 7
Bảng 3.1 Bảng phân loại tuần hoàn trích lược với tinh thể Silicon thuộc nhóm
IV 13























ix

Danh mục các hình
Hình 3.1 Phổ năng lượng mặt trời 12
Hình 3.2 Bản đồ bức xạ mặt trời trung bình toàn cầu. 12
Hình 3.3 Bản đồ nhiệt độ trung bình toàn cầu 13
Hình 3.4 Nguyên tắc chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện
của PV 14
Hình 3.5 Mô hình đơn giản của PV 14
Hình 3.6 Sơ đồ thay thế đơn giản của PV 15
Hình 3.7 Các tham số quan trọng của PV: Dòng điện ngắn mạch I
sc
và điện áp
hở mạch V
oc
15
Hình 3.8 Mô hình thay thế PV có xét đến các tổn hao 16
Hình 3.9 Đặc tính PV có xét đến các ảnh hưởng R
s
và R
p
17
Hình 3.10 Modul PV 17
Hình 3.11 Đặc tính của modul PV 18
Hình 3.12 Các modul PV được kết hợp nối tiếp với nhau 18
Hình 3.13 Các modul PV được kết hợp song song với nhau 19
Hình 3.14 Các modul PV được kết hợp hổn hợp với nhau 20
Hình 3.15 Hệ thống PV kết nối lưới điện 21
Hình 3.16 Hệ thống PV độc lập 21
Hình 3.17 Đặc tuyến V-I của PV với các cường độ chiếu sáng khác nhau và
nhiệt độ PV không đổi, 25
o

C 22
Hình 3.18 Đặc tuyến V-I của PV với các nhiệt độ khác nhau và cường độ chiếu
sáng không đổi 1 kW/m
2
23
Hình 3.19 Module PV với n PV trong trường hợp modul không bị che khuất 23
Hình 3.20 Module PV với n PV trong trường hợp modul bị che khuất
một phần 24
Hình 3.21 Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm đối với module PV 25
Hình 3.22 Module PV với nhiều PV bị che khuất 25
Hình 3.23 Module PV sử dụng diode bypass 26
Hình 3.24 Đặc tính của PV trong trường hợp sử dụng diode bypass 26
Hình 3.25 Đánh giá so sánh giữa các trường hợp có và không có diode
bypass 27
x
Hình 3.26 Các đặc tính của một mảng PV khi không có bóng râm 29
Hình 3.27 Các đặc tính của một mảng PV trong điều kiện có bóng râm 30
Hình 4.1 Các đặc tính phi tuyến của PV 32
Hình 4.2 Đặc tính V-I của PV với các cường độ bức xạ khác nhau 32
Hình 4.3 Hệ thống bám điểm công suất cực đại 33
Hình 4.4 Bộ giảm áp Buck 34
Hình 4.5 Bộ tăng áp Boost 36
Hình 4.6 Bộ biến đổi Buck – Boost 37
Hình 4.7 Sơ đồ điều khiển điện áp hồi tiếp 39
Hình 4.8 Sơ đồ điều khiển dòng điện hồi tiếp 39
Hình 4.9 Lưu đồ thuật toán P&O 41
Hình 4.10 Sự phân kỳ của thuật toán P&O khi cường độ bức xạ thay đổi 43
Hình 4.11 Thuật toán IC 43
Hình 4.12 Lưu đồ thuật toán IC 45
Hình 5.1 Cấu hình của mảng PV cần mô phỏng 48

Hình 5.2 Một module gồm 4 x 6 cell 49
Hình 5.3 Đặc tính V-I của module RTL-CS 90 50
Hình 5.4 Đặc tính V-P của module RTL-CS 90 50
Hình 5.5 Sơ đồ mô phỏng cho một array pin quang điện 51
Hình 5.6 Array pin quang điện có xét đến hiệu ứng bóng râm 52
Hình 5.7 Đặc tuyến V-I của array pin quang điện trong trường hợp không bị
bóng râm 53
Hình 5.8 Đặc tuyến V-P của array pin quang điện trong trường hợp không bị
bóng râm 54
Hình 5.9 Công suất thu được của hệ pin quang điện trong trường hợp bỏ qua
hiện tượng bóng râm 54
Hình 5.10 Điện áp ngõ ra của hệ pin quang điện trong trường hợp bỏ qua hiện
tượng bóng râm 55
Hình 5.11 Cường độ dòng điện ngõ ra của hệ pin quang điện trong trường hợp
bỏ qua hiện tượng bóng râm 55
Hình 5.12 Array pin quang điện bị bóng râm tại Module 19 56
Hình 5.13 Đặc tuyến V-I xét đến hiệu ứng bóng râm, trường hợp 1 56
xi
Hình 5.14 Đặc tuyến V-P xét đến hiệu ứng bóng râm, trường hợp 1 58
Hình 5.15 Công suất thu được của hệ pin quang điện, trường hợp 1 58
Hình 5.16 Điện áp ngõ ra của hệ pin quang điện, trường hợp 1 59
Hình 5.17 Cường độ dòng điện của hệ pin quang điện, trường hợp 1 59
Hình 5.18 Array pin quang điện bị bóng râm tại Module 13, 19 và 20 60
Hình 5.19 Đặc tuyến V-I xét đến hiệu ứng bóng râm, trường hợp 2 60
Hình 5.20 Đặc tuyến V-P xét đến hiệu ứng bóng râm, trường hợp 2 61
Hình 5.21 Công suất thu được của hệ pin quang điện, trường hợp 2 61
Hình 5.22 Điện áp ngõ ra của hệ pin quang điện, trường hợp 2 62
Hình 5.23 Cường độ dòng điện ngõ ra của hệ pin quang điện, trường hợp 2 62
Hình 5.24 Array pin quang điện bị bóng râm tại Module 7, 13, 14, 19,
20 và 21 63

Hình 5.25 Đặc tuyến V-I xét đến hiệu ứng bóng râm, trường hợp 3 63
Hình 5.26 Đặc tuyến V-P xét đến hiệu ứng bóng râm, trường hợp 3 64
Hình 5.27 Công suất thu được của hệ pin quang điện, trường hợp 3 64
Hình 5.28 Điện áp ngõ ra của hệ pin quang điện, trường hợp 3 65
Hình 5.29 Cường độ dòng điện ngõ ra của hệ pin quang điện, trường hợp 3 65
Hình 5.30 Array pin quang điện bị bóng râm tại Module 1, 7, 8, 13, 14, 15, 19,
20, 21 và 22 66

Hình 5.31 Đặc tuyến V-I xét đến hiệu ứng bóng râm, trường hợp 4 66
Hình 5.32 Đặc tuyến V-P xét đến hiệu ứng bóng râm, trường hợp 4 67
Hình 5.33 Công suất thu được của hệ pin quang điện, trường hợp 4 67
Hình 5.34 Điện áp ngõ ra của hệ pin quang điện, trường hợp 4 68
Hình 5.35 Cường độ dòng điện ngõ ra của hệ pin quang điện, trường hợp 4 68







1




Chương
1


GIỚI THIỆ

U




1.1 Giới thiệu

Có thể dễ dàng nhận ra rằng năng lượng đã là một trong những yếu tố thiết yếu
cho sự tồn tại và phát triển của xã hội, cũng như duy trì mọi sự sống trên trái
đất. Ngày nay, trong thời đại khoa học kỹ thuật phát triển, nhu cầu về năng
lượng của con người ngày càng tăng. Trong khi đó, các nguồn nhiên liệu dự
trữ như than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên và ngay cả thủy điện đều đang rơi vài
tình trạng cạn kiệt và khan hiếm. Điều này khiến cho nhân loại đang đứng
trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng một cách trầm trọng. Việc tìm kiếm và
khai thác các nguồn năng lượng khác như năng lượng hạt nhân, năng lượng địa
nhiệt, năng lượng gió, năng lượng thuỷ triều và năng lượng mặt trời có ý nghĩa
rất quan trọng. Trong số các nguồn năng lượng này, nguồn năng lượng mặt trời
với rất nhiều ưu việt sẽ chính là nguồn năng lượng bổ xung tốt nhất cho lượng
thiếu hụt năng lượng trong hiện tại và tương lai.
Vì vậy, việc nghiên cứu sử dụng và khai thác năng lượng mặt trời ngày càng
được quan tâm rộng rãi ở các nước trên thế giới nói chung và Việt Nam nói
riêng. Vấn đề này không chỉ bởi các nguồn năng lượng khác đang bị cạn kiệt
thiếu hụt, mà còn vì trái đất của chúng ta đang phải đối diện với vấn đề cấp
bách về môi trường như hạn hán, lũ lụt, hiệu ứng nhà kính, ô nhiễm . . . Năng
lượng mặt trời chính là nguồn năng lượng không gây hại cho môi trường, sẵn
có, siêu sạch và miễn phí.
Việt Nam có vị trí địa lý được ưu ái với một nguồn năng lượng tái tạo vô cùng
lớn, đặc biệt là năng lượng mặt trời. Trải dài từ vĩ độ 8
0
27’ Bắc đến 23

0
23’
Bắc, với lượng bức xạ trung bình 5kW/m²/ngày với khoảng 2000 giờ
nắng/năm. Trong đó, nhiều nhất phải kể đến các thành phố như Ninh Thuận,
Bình Thuận, Tây Ninh, Hồ Chí Minh, Bình Dương, Đồng Nai, các vùng Tây
Bắc (Lai Châu, Sơn La, Lào Cai) và vùng Bắc Trung Bộ (Thanh Hóa, Nghệ
2



An, Hà Tĩnh) là các Tỉnh, Thành Phố của Việt Nam có tiềm năng rất lớn về

năng lượng mặt trời.

Về cơ bản, có 2 phương thức được sử dụng phổ biến để biến đổi năng lượng
mặt trời thành năng lượng điện như sau:
- Phương thức 1: Quang năng  nhiệt năng  điện năng

- Phương thức 2: Quang năng  điện năng

Luận văn sẽ tập trung chính nghiên cứu phương thức biến đổi năng lượng mặt
trời dưới dạng quang năng thành năng lượng điện thông qua pin quang điện
(Photovotaic, PV) mà có cấu tạo từ các chất bán dẫn.
Tuy nhiên, do đặc thù riêng của pin quang điện nên chi phí đầu từ cho một hệ
điện năng lượng mặt trời vẫn còn khá cao. Điều này thôi thúc các nhà nghiên
cứu không ngừng tìm tòi để nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn năng lượng này.
Giải pháp “Điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ pin quang điện
mặt trời có xét đến hiện tượng bóng râm” cũng không nằm ngoài mục tiêu
chung đó, nhằm cung cấp công suất điện tối đa trong mọi điều kiện môi trường.
Đặc biệt, hiện tượng bóng râm cũng là một trong các hiện tượng mà sẽ được

nghiên cứu và xét đến trong luận văn trong quá trình điều khiển bám điểm công
suất cực đại.


1.2 Mục tiêu nghiên cứu:
Nghiên cứu, mô phỏng điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ pin quang
điện mặt trời có xét đến hiện tượng bóng râm để đảm bảo công suất ngõ ra là
lớn nhất.
Khảo sát các đường đặc tính V-I , V-P và điều khiển để bám điểm công suất cực
đại của hệ pin quang điện mặt trời có xét đến hiện tượng bóng râm.
3



Thuật toán P&O (Perturbation and Observation) là một trong các thuật toán cho
phép xác định điểm công suất cực đại đơn giản và phổ biến nhất mà sẽ được áp
dụng cho việc xác định điểm công suất cực đại trong luận văn này.

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

- Đối tượng nghiên cứu của đề tài là một hệ thống pin quang điện mặt trời bao
gồm nhiều module với mỗi module có nhiều tế bào pin quang điện được kết nối
với nhau. Tải của hệ thống pin quang điện là tải thuần trở.
- Phạm vi nghiên cứu của đề tài là tìm điểm công suất cực đại toàn cục (Global
Maximum Power Point, GMPP) của hệ thống pin quang điện có xét đến hiện
tượng bóng râm.
- Luận văn bỏ qua các ảnh hưởng khác mà có thể ảnh hưởng đến hiệu quả khai
thác của hệ thống pin quang điện.

1.4 Nội dung nghiên cứu:

- Tiến hành mô phỏng hệ thống điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ
pin quang điện mặt trời có xét đến hiện tượng bóng râm.
- Trong điều kiện không có bóng râm, khảo sát các đường đặc tính V-I và V-P

để tìm điểm công suất cực đại của hệ pin quang điện.

- Trong điều kiện có bóng râm, khảo sát ảnh hưởng của hiệu ứng bóng râm đến
các đặc tính V-I, V-P và tìm điểm công suất cực đại toàn cục của hệ thống pin
quang điện.
- Trình bày và mô phỏng các thuật toán tìm điểm công suất cực đại cho hệ
thống pin quang điện trong trường hợp không có và có xét đến hiện tượng bóng
râm.
- So sánh trường hợp không có bóng râm và trường hợp che từng mảng

1.5 Bố cục của luận văn:

Bố cục của luân văn bao gồm:
Chương 1: Giới thiệu
Chương 2: Tổng quan tình hình nghiên cứu

Chương 3: Pin quang điện

Chương 4: Điều khiển bám điểm công suất cực đại cho hệ pin quang điện
4



Chương 5: Kết quả mô phỏng

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển



5


Chương
2


TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN
C
Ứ
U




Với các mục tiêu nghiên cứu đã được đặt ra trong Chương 1, tổng quan cho tình hình
nghiên cứu liên quan đến bài toán điều khiển bám điểm công suất cực đại cũng như
tổng quan cho tình hình khai thác và sử dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam sẽ
được trình bày trong chương này.

2.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước

Bài toán điều khiển bám điểm công suất cực đại đã được giới thiệu và các kỹ
thuật bám điểm công suất cực đại đã được đề xuất và giới thiệu, chẳng hạn như thuật
toán xáo trộn và giám sát (Perturbation & Observation algorithm, P&O) [2.1]-[2.4],
thuật toán gia tăng độ dẫn (Incremental Conductance algorithm, IC) [2.1]-[2.5],

mạng nơ- rôn nhân tạo [2.6], logic mờ [2.7], v. v . . . Các kỹ thuật này khác nhau ở
một vài khía cạnh và quan điểm bao gồm: tính chất đơn giản của thuật toán, tốc độ hội
tụ của thuật toán, tính chất phức tạp của việc thực hiện các phần ứng thực nghiệm,
cũng như chi phí thực hiện cho mỗi giải pháp.
Trên nền tảng của thuật toán P&O, J. Jiang, T. Huang, Y. Hsiao, và C. Chen đã
giới thiệu phương pháp so sánh 3 điểm. Phương pháp này tương tự như phương pháp
P&O và có thể xem như thuật toán P&O cải tiến. Thuật toán P&O thực hiện so sánh 2
thời điểm. Trong khi đó, thuật toán được giới thiệu so sánh 3 thời điểm từ đó mới ra
quyết định tăng, giảm hay giữ nguyên giá trị của điện áp. Có thể nhận ra các ưu điểm
của thuật toán này, việc so sánh 3 điểm có khả năng khắc phục được sự hoạt động sai
của giải thuật P&O truyền thống khi có sự thay đổi nhanh của môi trường chẳng hạn
như cường độ bức xạ, nhiệt độ, v. v . . . Tuy nhiên đề xuất này cũng tồn tại một vài
khuyết điểm chẳng hạn như khi cường độ bức xạ thay đổi mạnh và kéo dài so với chu
kỳ lấy mẫu thì thuật toán so sánh 3 điểm này có thể sai do thuật toán luôn xác định
được 3 điểm cùng tăng (nếu cường độ bức xạ tăng) hoặc 3 điểm cùng giảm (nếu cường
độ bức xạ giảm) và cuối cùng quyết định thay đổi giá trị điện áp sẽ không chính xác,
ảnh hưởng đến hiệu quả của thuật toán [2.8].
6


Tương tự, để khắc phục cho các khuyết điểm của thuật toán P&O truyền thống,
D. Sera, T. Kerekes, R. Teodorescu và F. Blaabjerg đã giới thiệu thêm một thuật toán
bám điểm công suất cực đại trên nền tảng của thuật toán P&O bằng việc lấy thêm các
mẫu trung gian. Ưu điểm của thuật toán này sẽ giúp bộ điều khiển bám điểm công suất
cực đại không bị nhẫm lẫn khi cường độ sáng thay đổi tuyến tính. Trong khi đó, nhược
điểm của thuật toán này là khi cường độ chiếu sáng thay đổi không tuyến tính thì thuật
toàn này có thể hoạt động sai [2.9].
M. A. Younis, T. Khatib, M. Najeeb và A. M. Ariffin [2.10] đã tiếp tục nghiên
cứu để kết hợp công nghệ mạng nơ-rôn nhân tạo và thuật toán P&O cho việc xây dựng
một bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại. Các tác giả đã sử dụng mạng nơ-rôn

nhân tạo để dự báo giá trị điện áp tối ưu của hệ thống PV sao cho có thể đạt được điểm
công suất cực đại. Cấu trúc mạng nơ-rôn được sử dụng trong nghiên cứu là cấu trúc
lan truyền ngược với bốn tín hiệu ngõ vào mà tương ứng là cường độ bức xạ, nhiệt độ,
hệ số nhiệt của dòng điện ngắn mạch và hệ số nhiệt độ của điện áp hở mạch của PV và
tín hiệu ngõ ra của mạng nơ-rôn là giá trị điện áp tối ưu. Các kết quả mô phỏng trong
nghiên cứu này cho thấy rằng bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại sử dụng công
nghệ mạng nơ-rôn có các đáp ứng nhanh hơn bộ điều khiển sử dụng thuật toán P&O
và đồng thời, hiệu suất bám trung bình cũng được cải tiến hơn thuật toán P&O một
cách đáng kể.
B. Das, A. Jamatia, A. Chakraborti, P. R. Kasari và M. Bhowmik [2.11] đã giới
thiệu phương pháp chia đôi (Bisection method) cho bộ điều khiển bám điểm công suất
cực đại của hệ thống PV. Thuật toán tìm ra được giá trị điện áp của mô-đun PV, tính
toán công suất và cuối cùng là xác định và bám theo điểm công suất cực đại. Các kết
quả mô phỏng trong nghiên cứu này cũng được sử dụng để so sánh với các kết quả
khác bằng việc sử dụng kỹ thuật P&O thông thường. Kết quả so sánh cho thấy rằng
phương pháp đề xuất có khả năng đạt được giá trị công suất cực đại nhanh hơn thuật
toán P&O.
Với mục tiêu xét các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của pin quang điện như sự thay
đổi của các điều kiện nhiệt độ, bức xạ mặt trời hoặc đặc biệt là hiện tưởng bóng râm.
Một hiện tượng mà pin quang điện bị che khuất bởi một đám mây thoáng qua, một tòa
nhà cao tầng, . . . , các mô phỏng và thực nghiệm cho hệ thống pin quang điện dưới
điều kiện bóng râm đã được thực hiện [2.12]-[2.14].
7


2.2 Tổng quan tình hình phát triển năng lượng mặt trời tại Việt Nam

Lãnh thổ Việt Nam kéo dài từ 8–23
0
vĩ Bắc, nằm trong khu vực có cường độ

bức xạ mặt trời tương đối cao với trị số tổng xạ khá lớn từ 100–175 kcal/cm
2
.năm. Do
đó, việc sử dụng năng lượng mặt trời ở nước ta sẽ đem lại hiệu quả kinh tế lớn. Giải
pháp sử dụng năng lượng mặt trời hiện đang được cho là giải pháp tối ưu. Đây là
nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường và có trữ lượng vô cùng lớn.
Đồng thời, việc phát triển ngành công nghiệp sản xuất PV sẽ góp phần thay thế các
nguồn năng lượng hóa thạch, giảm phát khí thải nhà kính và bảo vệ môi trường. Đây
được coi là nguồn năng lượng quý giá, có thể thay thế các dạng năng lượng cũ đang
ngày càng cạn kiệt. Các quốc gia trên thế giới đã sử dụng năng lượng mặt trời như một
giải pháp thay thế những nguồn tài nguyên truyền thống. Tuy nhiên, Việt Nam mới chỉ
khai thác khoảng 25% nguồn năng lượng tái tạo này. Do lãnh thổ của Việt Nam trải
dài nên tiềm năng về năng lượng mặt trời ở mỗi vùng cũng khác nhau, có thể chia ra
thành 5 vùng với tiềm năng tại mỗi vùng như sau:


Bảng 2.1 Tiềm năng năng lượng mặt trời tại Việt Nam




STT


Khu vực
Năng lượng mặt

trời trung bình

(kcal/cm

2
.năm)
Số giờ nắng trung

bình năm

(giờ/năm)
1
Đông Bắc Bộ
100 – 125
1500 – 1700
2
Tây Bắc Bộ
125 – 150
1750 – 1900
3
Bắc Trung Bộ
140 – 160
1700 – 2000
4
Nam Trung Bộ và Tây Nguyên
150 – 175
2000 – 2600
5
Nam Bộ
130 – 150
2200 – 2500
Trung bình cả nước
130 – 152
1830 – 2450

Với tiềm năng về năng lượng và số giờ nắng trong năm như Bảng 2.1, Việt

Nam được đánh giá là một quốc gia có tiềm năng lớn về năng lượng mặt trời.

Tại Việt Nam, với sự hỗ trợ của nhà nước (các bộ, ngành) và một số tổ chức
quốc tế đã thực hiện thành công việc xây dựng các trạm pin quang điện có công suất
khác nhau phục vụ nhu cầu sinh hoạt và văn hóa của các địa phương vùng sâu, vùng
8


xa, các công trình nằm trong khu vực không có lưới điện. Tuy nhiên, hiện nay pin
quang điện vẫn đang còn là món hàng xa xỉ đối với các nước đang phát triển.
Đi đầu trong việc phát triển ứng dụng này là ngành bưu chính viễn thông. Các
trạm pin quang điện phát điện sử dụng làm nguồn cung cấp điện cho các thiết bị thu
phát sóng của các bưu điện lớn, trạm thu phát truyền hình thông qua vệ tinh.
Ở ngành bảo đảm hàng hải, các trạm pin quang điện phát điện sử dụng làm
nguồn cung cấp điện cho các thiết bị chiếu sáng, cột hải đăng, đèn báo sông.
Trong ngành công nghiệp, các trạm pin quang điện phát điện sử dụng làm
nguồn cung cấp điện dự phòng cho các thiết bị điều khiển trạm biến áp 500 kV, thiết
bị máy tính và sử dụng làm nguồn cung cấp điện nối với điện lưới quốc gia.
Trong ngành giao thông đường bộ, các trạm pin quang điện phát điện dần được
sử dụng làm nguồn cung cấp điện cho các cột đèn đường chiếu sáng.
Trong sinh hoạt của các hộ gia đình vùng sâu, vùng xa, các trạm pin quang điện
phát điện sử dụng để thắp sáng, nghe đài, xem vô tuyến.


- Khu vực miền Nam ứng dụng các dàn pin quang điện phục vụ thắp sáng và sinh hoạt
văn hóa tại một số vùng nông thôn xa lưới điện. Các trạm điện mặt trời có công suất từ

500 - 1000 Wp được lắp đặt ở trung tâm xã, nạp điện vào ắc qui cho các hộ gia đình sử
dụng. Các dàn pin quang điện có công suất từ 250 - 500 Wp phục vụ thắp sáng cho các
bệnh viện, trạm xá và các cụm văn hoá xã. Đến nay, có khoảng 800 - 1000 dàn pin
quang điện đã được lắp đặt và sử dụng cho các hộ gia đình, công suất mỗi dàn từ 22,5
- 70 Wp.



- Khu vực miền Trung có bức xạ mặt trời khá tốt và số giờ nắng cao, rất thích hợp cho
việc ứng dụng pin quang điện. Hiện tại, khu vực miền Trung có hai dự án lai ghép với
pin quang điện có công suất lớn nhất Việt Nam, đó là:
* Dự án phát điện ghép giữa pin quang điện và thuỷ điện nhỏ, công suất 125 kW được
lắp đặt tại xã Trang, huyện Mang Yang, tỉnh Gia Lai, trong đó công suất của hệ thống
PMT là 100 kWp (kilowatt peak) và của thuỷ điện là 25 kW. Dự án được đưa vào vận
hành từ cuối năm 1999, cung cấp điện cho 5 làng. Hệ thống điện do Điện lực Mang
Yang quản lý và vận hành.
9


* Dự án phát điện lai ghép giữa pin quang điện và động cơ gió phát điện với công suất
là 9 kW, trong đó pin quang điện là 7 kW. Dự án trên được lắp đặt tại làng Kongu 2,
huyện Đak Hà, tỉnh Kon Tum, do Viện Năng lượng thực hiện. Công trình đã được đưa
vào sử dụng từ tháng 11/2000, cung cấp điện cho một bản người dân tộc thiểu số với
42 hộ gia đình. Hệ thống điện do sở Công thương tỉnh quản lý và vận hành.

Các dàn pin quang điện đã lắp đặt ứng dụng tại các tỉnh Gia Lai, Quảng Nam, Bình
Định, Quảng Ngãi và Khánh Hoà, hộ gia đình công suất từ 40 - 50 Wp. Các dàn đã lắp
đặt ứng dụng cho các trung tâm cụm xã và các trạm y tế xã có công suất từ 200 - 800
Wp. Hệ thống điện sử dụng chủ yếu để thắp sáng và truyền thong. Đối tượng phục vụ

là người dân, do dân quản lý và vận hành.



- Khu vực miền Bắc, việc ứng dụng các dàn pin quang điện phát triển với tốc độ khá
nhanh, phục vụ các hộ gia đình ở các vùng núi cao, hải đảo và cho các trạm biên
phòng. Công suất của dàn pin quang điện dùng cho hộ gia đình từ 40 - 75 Wp. Các dàn
dùng cho các trạm biên phòng, nơi hải đảo có công suất từ 165 - 300 Wp. Các dàn
dùng cho trạm xá và các cụm văn hoá thôn, xã là 165 - 525 Wp.


Tại Quảng Ninh có hai dự án PMT do vốn trong nước (từ ngân sách) tài trợ:



* Dự án pin quang điện cho đơn vị bộ đội tại các đảo vùng Đông Bắc. Tổng công suất
lắp đặt khoảng 20 kWp. Dự án trên do Viện Năng lượng và Trung tâm Năng lượng
mới Trường đại học Bách khoa Hà Nội thực hiện. Hệ thống điện sử dụng chủ yếu để
thắp sáng và truyền thông, đối tượng phục vụ là bộ đội, do đơn vị quản lý và vận hành.


* Dự án pin quang điện cho các cơ quan hành chính và một số hộ dân của huyện đảo
Cô Tô. Tổng công suất lắp đặt là 15 kWp. Dự án trên do Viện Năng lượng thực hiện.
Công trình đã vận hành từ tháng 12/2001.


* Công ty BP Solar của Úc đã tài trợ một dự án pin quang điện có công suất là 6120

Wp phục vụ cho trạm xá, trụ sở xã, trường học và khoảng 10 hộ gia đình. Dự án trên

được lắp đặt tại xã Sĩ Hai, huyện Hà Quảng, tỉnh Cao Bằng.
10


* Dự án “Ứng dụng thí điểm điện mặt trời cho vùng sâu, vùng xa” tại xã Ái Quốc, tỉnh
Lạng Sơn đã hoàn thành vào tháng 11/2002. Tổng công suất dự án là 3000 Wp, cung
cấp điện cho trung tâm xã và trạm truyền hình, chủ yếu để thắp sáng và truyền thông,
đối tượng phục vụ là người dân, do dân quản lý và vận hành.


* Trung tâm Hội nghị Quốc gia sử dụng điện mặt trời: Tổng công suất pin mặt trời là

154 kWp. Đây là một công trình điện mặt trời lớn nhất tại Việt Nam.



* Trạm pin mặt trời nối lưới của Viện Năng lượng công suất 1080 Wp bao gồm 8
môđun.


* Trạm pin mặt trời nối lưới lắp đặt trên mái nhà làm việc Bộ Công thương, 54 Hai Bà

Trưng, Quận Hoàn Kiếm, Hà Nội. Công suất lắp đặt là 2700 Wp.

* Lắp đèn năng lượng mặt trời trên đường phố Đà Nẵng sử dụng nguồn năng lượng
mặt trời. Hệ thống thu góp điện năng được “dán” thẳng trên thân trụ đèn. Bên trong trụ
có tám bình ắc qui dùng để tích năng lượng.


* Hai cột đèn năng lượng mặt trời kết hợp năng lượng gió đầu tiên được lắp đặt thành

công tại Ban quản lý dự án Công nghệ cao Hòa Lạc. Hai cột đèn trị giá 8.000 USD, do
Công ty cổ phần tập đoàn quốc tế Kim Đỉnh lắp đặt. Hiện tại, hai cột đèn này có thể sử
dụng trong 10 h mỗi ngày, có thể thắp sáng bốn ngày liền nếu không có nắng và gió.


11



Chương
3


PIN QUANG
ĐI
Ệ
N




3.1 Giới thiệu

Năng lượng mặt trời đang ngày càng thu hút được nhiều sự quan tâm và đầu tư.
Tuy nhiên, vấn đề về giá cả của nguồn điện mặt trời vẫn là một vấn đề lớn.
Hiện nay, năng lượng mặt trời chỉ cung cấp một phần nhỏ bé trong nhu cầu về
điện cho con người nhưng những người ủng hộ năng lượng này tin tưởng kỉ nguyên
năng lượng mặt trời chỉ mới bắt đầu và càng ngày được đẩy mạnh khi các quốc gia
phát triển thực hiện chiến dịch chống biến đổi khí hậu và hạn chế việc phụ thuộc vào
nhiên liệu hóa thạch như dầu mỏ, khí đốt …

Chính Phủ Nhật Bản, Đức và Hoa Kỳ đang thúc đẩy việc hỗ trợ người dân dần
dần từ bỏ các nhiên liệu hoá thạch. Chẳng hạn, tại Đức, một gia đình có thể được
chính phủ hỗ trợ hơn 2000 euro (khoảng 2860 USD) để lắp đặt các pin quang điện. Họ
không phải trả bất kì phí nào trong 10 năm và còn được thu lợi trong 10 năm tiếp theo.
Tuy nhiên, ở các nước đang phát triển việc tuyên truyền sử dụng năng lượng
mặt trời lại hạn chế trong khi chính những nước này càng cần phải tranh thủ nguồn
năng lượng mặt trời nhiều hơn. Các quốc gia này có nhiều thuận lợi hơn về điều kiện
địa lý như gần xích đạo và có cường độ bức xạ mặt trời lớn hơn các nước ôn đới.
Mặt trời bức xạ năng lượng tương ứng với một dãy bức xạ rất rộng. Tuy nhiên,
có thể nhận ra rằng không phải bức xạ nào cũng có thể tạo ra hiện tượng quang điện.
Thực tế, chỉ có những bức xạ với bước sóng,  có năng lượng lớn hơn mức năng lượng
kích hoạt electron thì bức xạ ấy mới có khả năng tạo ra hiện tượng quang điện. Hiện
tượng ánh sáng, có bước sóng ngắn làm bật các electron ra khỏi mặt kim loại gọi là
hiện tượng quang điện, các electron bị bật ra gọi là electron quang điện.
Phổ năng lượng mặt trời tác động lên PV, Hình 3.1 cho thấy rằng 20,2% năng lượng
mặt trời tổn hao không có tác dụng do có năng lượng thấp hơn mức năng lượng tối
thiểu để kích hoạt các electron ra khỏi trạng thái tĩnh của chúng (hv < Eg); 30,2% bị
mất đi ở các vùng năng lượng (hv > Eg) và chỉ có 49,6% năng lượng hữu ích có thể
được thu bởi PV [3.1].
12




Công suất bức xạ (W/m
2
m)

UV 2% Nhìn thấy 54% IR 44%
Năng lượng vô ích, h >
E
g

30,2%







Năng lượng hữu
ích

49,6%



Năng lượng vô ích, h <
E
g

20,2%


Chiều dài mức năng l
ượng
kích hoạt

1,11

m







Chiều dài sóng (m)



Hình 3.1 Phổ năng lượng mặt trời



Hình 3.2 cho thấy bức xạ mặt trời trung bình toàn cầu và hình 3.3 cho thấy nhiệt độ
trung bình toàn cầu. Những hình này cho thấy tiềm năng năng lượng mặt trời là lớn
nhất ở lân cận của đường xích đạo do mức độ bức xạ mặt trời và nhiệt độ cao nhất
trong các khu vực này.






Hình 3.2 Bản đồ bức xạ mặt trời trung bình toàn cầu [3.2]
13

.

Hình 3.3 Bản đồ nhiệt độ trung bình toàn cầu [3.2]


Năng lượng mặt trời có thể được xem như là một trong các dạng quang năng mà có thể
được biến đổi thành điện năng. Về cơ bản có 2 hình thức biến đổi:

- Quang năng  nhiệt năng  điện năng

- Quang năng  điện năng

Trong 2 hình thức phát điện trên, có thể nhận ra rằng hình thức thứ 2 với quang năng
được chuyển đổi trực tiếp thành điện năng được nghiên cứu và khai thác mạnh mẽ hơn.
Hình thức khai thác này sẽ được thực hiện thông qua hệ thống PV (Photovoltaic, PV)
mà được cấu thành từ các chất bán dẫn.
PV sử dụng chất bán dẫn để biến đổi ánh sáng thành điện năng. Kỹ thuật sản xuất PV
rất giống với kỹ thuật sản xuất ra các linh kiện bán dẫn như diode, transistor, . . .
Nguyên liệu được sử dụng để sản xuất PV cũng giống như các linh kiện bán dẫn khác,
thông thường là tinh thể silicon, thuộc nhóm IV. Có thể nói PV là sự ngược lại của
diode quang. Diode quang nhận điện năng và tạo ra ánh sáng, trong khi đó PV nhận
ánh sáng và tạo ra điện năng.
Bảng 3.1 Bảng phân loại tuần hoàn trích lược với tinh thể Silicon thuộc nhóm IV

I
II
III
IV
V
VI


5 B
6 C
7 N
8 O

13 Al
14 Si
15 P
16 S
29 Cu
30 Zn
31 Ga
32 Ge
33 As
34 Se
47 Ag
48 Cd
49 In
50 Sn
51 Sb
52 Xe
14









Hình 3.4 Nguyên tắc chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện của PV

Mô hình đơn giản của PV được mô tả như sau, Hình 3.5.



Photon


Điện nạp âm
Photon



Lớp
n


Các lỗ trống

Các el
ectron


Lớp
p



Điện nạp dương
a)

Photon

Các tiếp điểm điện
Electron




Lớp n
V
Lớp p
I



Tải


b)

Hình 3.5 Mô hình đơn giản của PV