Nghiên cứu bộ chuyển đổi năng lượng từ pin mặt trời

ii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công 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 công trình nào khác
Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2013
(Ký tên và ghi rõ họ tên)


Trần Tấn Nguyện


iii

LI CM N

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 hôm nay, em xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đối với Nhà trường,
Thầy Cô, 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
Trơng Vit 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 khoá học và trong quá trình thực hiện chuyên đề này.









Học viên thực thực hiện





Trần tấn Nguyện



iv

TÓM TT

Trong điều kiện thay đổi của môi 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 quá trình dò sẽ lưu lại điểm có công suất lớn nhất, khi dò xong sẽ xuất
điểm có công suất lớn nhất này ra làm việc.
Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy cấu hình này truyền công 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

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.



v

MC LC

Trang tựa TRANG
Quyết định giao đề tài
Xác nhận của cán bộ hướng dẫn
Lý lịch khoa học i
Lời cam đoan ii
Cảm tạ iii
Tóm tắt iv

Abstract iv
Mục lục v
Danh sách các chữ viết tắt vi
Danh sách các hình vii
Danh sách các bảng viii
Chơng 1 TNG QUAN
1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên
cứu trong và ngoài nước đã công 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
chơng 2 C S Lụ THUYẾT
2.1. Mô 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

Chơng 3 ĐỀ XUT B CHUYN ĐI NĂNG LỢNG ĐÁP
NG CÁC ĐIỀU KIN THAY ĐI
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 toàn hệ thống cánh đồng pin
(cấu hình 1) 31
3.2.2. Cấu hình một bộ DC/DC cho 1 pin (cấu hình 2) 32
3.3. Xây dựng mô hình mô phỏng giải thuật 33
3.3.1. Mô 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
Chơng 4 KẾT QU MÔ PHNG
4.1. Mô hình mô phỏng 43
4.1.1. Mô hình hệ thống mô phỏng cấu hình 1 43
4.1.2. Mô hình hệ thống mô phỏng cấu hình 2 46
4.2. Kết quả mô phỏng 47
Chơng 5 KẾT QU THC NGHIM
5.1. Mô hình thực nghiệm 56
5.2. Kết quả thực nghiệm 66
chơng 6 KẾT LUN VÀ HNG PHÁT TRIN CA ĐỀ TÀI
6.1. Kết luận 70
6.2. Hướng phát triển của đề tài 71
TÀI LIU THAM KHO 72



vi

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TT

P&O (Perturb and Observe)
INC (Incremental Conductance)
NL: Năng lượng

CĐNL: chuyển đổi năng lượng
MPP: Maximum power point (điểm có công suất lớn nhất)
MPPPT: Maximum power point tracking (dò tìm điểm có công suất lớn nhất)
DC/DC: Direct Curent/ Direct Curent

















vii

DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH TRANG
Hình 1.1: Quang phổ mặt trời ngoài 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: Mô hình pin mặt trời lý tưởng 9
Hình 2.3: Mô 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 dòng 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 dòng 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 công 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 công suất cực đại từ pin mặt trời 19
Hình 2.16: Tỷ lệ phần trăm của V
MPP
và V
OC
như chức năng của nhiệt độ và bức xạ 20
Hình 2.17: Sơ đồ thuật toán điện áp không đổi 21
Hình 2.18: Sự thay đổi điểm MMP của P&O nhanh chóng theo gia tăng bức xạ 22


vii

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: Mô 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/m

2
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 toàn 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: Mô hình 1 cell pin mặt trời được xây dựng trong Matlab/Simulink 34
Hình 3.6: Mô hình bên trong 1 tấm pin mặt trời được ghép từ 108 cell pin
xây dựng trong Matlab/Simulink 34
Hình 3.7: Mô 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 25
o
C, trục y hình bên trái là dòng điện A, trục y hình bên
phải là công 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/m
2
) 36
Hình 3.11: Cấu hình của toàn 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

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 dòng 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 mô phỏng 2 46
Hình 4.3: Bức xạ mặt trời thay đổi từ 0.5 lên 1 kW/m
2
47
Hình 4.4: Đáp ứng của bộ MPP trong cấu hình 1 bộ chuyển đổi NL chung 48
Hình 4.5: (a) Công suất, (b) điện áp pin, khi sử dụng 1 bộ DC/DC cho toàn
cánh đồng pin 49
Hình 4.6: (a) Công suất, (b) điện áp tải, khi sử dụng cấu hình 1 bộ DC/DC 1
pin trong toàn cánh đồng 50
Hình 4.7: Công 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/m
2
52
Hình 4.9: (a) Công 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 không 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 không bị
che 54
Hình 4.11: Công 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 không bị che 54
Hình 4.12: Công suất thu được của hai cấu hình 55
Hình 5.1: Mô hình thực nghiệm 56
Hình 5.2: Pin mặt trời 15W và thông số của nhà sản xuất 57
Hình 5.3: Pin mặt trời 80W và thông số của nhà sản xuất 58

Hình 5.4: Sơ đồ mạch công suất và bộ phận đo lường dòng điện 58
Hình 5.5: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển 59


vii

Hình 5.6: Sơ đồ mạch in mạch điều khiển 59
Hình 5.7: Sơ đồ mạch in mạch công suất 60
Hình 5.8: Mạch điều khiển và mạch công suất thi công 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: Công 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/m
2
. Trong đó tấm
pin 80W bị bóng toàn phần 3 cell. 69








viii

DANH SÁCH CÁC BNG
BNG TRANG
Bng 1.1: Phân bố bức xạ mặt trời theo bước sóng 2
Bng 3.1: Thông số của pin mặt trời thương mại MSX 100 tại 1 kW/m
2
, 25
o
C 35
Bng 5.1: Kết quả điện áp hở mạch pin khi bóng che, thông số pin hình 5.3 gồm 36 cell nối tiếp. 67

Chương 1

1

Chương 1
TNG QUAN

1.1. Tng 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 3,865.10
26
J, tương đương với năng lượng đốt cháy hết 1,32.10
16
tấn than đá tiêu
chun. Nhưng bề mặt quả đất chỉ nhận được một phần năng lượng rất nhỏ và bằng
17,57. 10
16
J hay tương đương năng lượng đốt cháy của 6.10

6
tấn than đá.

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

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

Chương 1

2

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 ph
Bước sóng
Mật độ năng lượng (W/m
2
)
Tỷ lệ %
Tia vũ trụ
Tia x
Tia tử ngoại C
Tia tử ngoại B
Tia tử ngoại A
< 1nm
0,1 nm
0,2 ÷ 0,28 µm

0,28 ÷ 0,32 µm
0,32 ÷ 0,4 µm
6,978.10
5

6,978.10
7

7,864.10
6

2,122.10
1

8,073.10
1



0,57
1,55
5,90
Tia nhìn thấy
0,4 ÷ 0,52 µm
0,52 ÷ 0,62 µm
0,62 ÷ 0,78 µm
2,24.10
2

1,827.10

2

2,280.10
2

16,39
13,36
16,68
Tia hồng ngoại
0,78 ÷1,4 µm
1,4 ÷3 µm
3 ÷100 µm
4,125.10
2
1,836.10
2
2,637.10
1
30,18
13,43
1,93
Sóng vô tuyến
điện
0,1 ÷10 cm
10 ÷100cm
1 ÷ 20cm
6,987.10
-9
6,987.10
-10

6,987.10
-9



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 xuyên qua lớp khí quyển đó
để đến được mặt đất thì năng lượng và phổ của nó bị thay đổi đáng kể.
 bên ngoài lớp khí quyển quả đất, năng lượng bức xạ mặt trời là hằng số và
có giá trị 1353 W/m
2
.
 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/m
2
mỗi ngày.
Chương 1

3


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

Chương 1

4

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 toàn 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 còn khá cao. Công 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 không tuyến tính, trên đường đặc tuyến
đó tồn tại một điểm làm việc cực đại (MPP) mà ở đó công 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, dò 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:
n 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 công suất tác dụng, công suất phản kháng và
dòng điện bơm vào lưới của hệ thống pin mặt trời nối lưới [12,13].
Comparative Study of Maximum Power Point Tracking Algorithms [24].

Chương 1

5

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
môi 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, thông 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 dò được điểm làm việc
tối ưu của hệ thống cánh đồng pin năng lượng mặt trời.

Chương 1

6

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

- Xây dựng mô 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 môi 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 công phần cứng dò tìm điểm cực đại khi bị bóng che.
- Dùng phần mềm Matlab/Simulink nghiên cứu xây dựng mô hình pin mặt
trời, bộ chuyển đổi năng lượng và giải thuật dò 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 mô hình toán học của pin mặt trời. Đề nghị mô hình tính
toán cụ thể.
- Xây dựng mô hình mô 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.

Chương 2

7

Chơng 2
C S Lụ THUYẾT

2.1. Mô hình pin mặt tri
Một lớp tiếp xúc bán dn 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 dòng 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:
= 

 










+


 1


+ 



(2.1)
Trong đó:
I
ph
: dòng quang điện (A)
I
s
: dòng bão hòa (A)
q: điện tích của electron, q = 1,6x10-19 C
Chương 2

8

k: hằng số Boltzmann’s, k =1,38x10-23 J/K
T
c
: nhiệt độ vận hành của pin (K)
A: hệ số lý tưởng phụ thuộc vào công nghệ chế tạo pin, ví dụ công nghệ Si-
mono 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:


=



+ 
1
(

 

)

 (2.2)
Trong đó:
I
sc
: dòng ngắn mạch tại nhiệt độ tiêu chun 25
0
C (A) và bức xạ 1kW/m2
K
1
: hệ số dòng điện phụ thuộc vào nhiệt độ (A/
0
C)
T
c

: Nhiệt độ vận hành của pin mặt trời (K)
T
Ref
: Nhiệt độ tiêu chun của pin mặt trời (K)
λ: Bức xạ mặt trời (kW/m
2
)
Mặt khác, dòng bão hòa Is là dòng các hạt tải điện không 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.


= 







3






1




1



(2.3)
Trong đó:
I
RS
: Dòng điện ngược bão hòa tại nhiệt độ tiêu chun (A)
E
G
: Năng lượng lỗ trống của chất bán dn
Chương 2

9

Đối với pin mặt trời lý tưởng, điện trở dòng rò R
sh
= ∞, R
s
= 0. Khi đó mạch
điện tương đương của pin mặt trời được cho bởi hình 2.2:

Hình 2.2. Mô hình pin mặt trời lý tưởng
Khi đó, biểu thức (2.1) có thể được mô tả như sau:
= 

 










 1

(2.4)
Và dòng bão hòa ngược tiêu chun có thể được biểu diễn như sau:


=






 


 1
(2.5)
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 mô đun
pin mặt trời gồm có N

p
nhánh song song và N
s
pin nối tiếp được mô tả như hình 2.3:

Hình 2.3. Mô đun pin mặt trời
Chương 2

10

Mạch điện hình 2.3 được miêu tả bởi biểu thức sau:
= 



 











 1

(2.6)

Pin mặt trời chuyển một phần bức xạ mặt trời trực tiếp thành năng lượng điện,
nhưng một phần đó chuyển thành nhiệt cộng với pin mặt trời có màu dễ hấp thụ
nhiệt nên nhiệt độ vận hành của pin có thể cao hơn nhiệt độ môi trường. Nhiệt độ
của pin dưới các điều kiện khác nhau có thể được đánh giá qua nhiệt độ vận hành
bình thường (NOCT).
Đặc tuyến I-V tương ứng với tùng bức xạ nhất định được mô tả như sau:
Hình 2.4: Đặc tuyến I-V với các bức xạ khác nhau
Chương 2

11

Hình 2.5: Đặc tuyến P-V với các bức xạ khác nhau
2.2. B chuyn đi DC/DC
Bộ biến đổi DC/DC được sử dụng rộng rãi trong nguồn điện 1 chiều với mục
đích chuyển đổi nguồn một chiều không ổn định thành nguồn điện một chiều có thể
điều khiển được. Trong hệ thống pin mặt trời, bộ biến đổi DC/DC được kết hợp
chặt chẽ với MPPT. MPPT sử dụng bộ biến đổi DC/DC để điều chỉnh nguồn điện
áp vào lấy từ nguồn pin mặt trời, chuyển đổi và cung cấp điện áp lớn nhất phù hợp
với tải.
2.2.1. B chuyn đi DC/DC boost converter
Mạch boost converter hay còn được gọi là mạch tăng áp. Bộ biến đổi này phù
hợp với các ứng dụng có điện áp yêu cầu lớn hơn điện áp đầu vào. Nguyên lý hoạt
động của bộ biến đổi này dựa vào đặc tính lưu trữ và tích phóng năng lượng của
cuộn dây.
Chương 2

12


Hình 2.6. Sơ đồ nguyên lý mạch boost

Khi S đóng cho dòng qua (T
ON
) dòng điện từ nguồn chạy qua cuộn dây, năng
lượng từ trường được tích lũy trong cuộn dây. Không có dòng điện chạy qua điốt D
và dòng tải được cung cấp bởi tụ điện C

Hình 2.7. Mạch điện khi S đóng

Hình 2.8. Dạng sóng điện áp và dòng điện trên cuộn dây L khi S đóng
Chương 2

13

Khi đó:


= 

= 




(2.8)
Suy ra:




=




(2.9)
Mặt khác:




=



=



(2.10)





=




(2.11)

Hình 2.9. Mạch điện khi S mở

Hình 2.10. Dạng sóng điện áp và dòng điện trên L khi S mở