Thiết kế nguồn điện năng lượng mặt trời có bộ tự động chọn điểm làm việc cực đại áp dụng thuật toán INC

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN ANH QUÝ

THIẾT KẾ NGUỒN ĐIỆN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI
CÓ BỘ TỰ ĐỘNG CHỌN ĐIỂM LÀM VIỆC CỰC ĐẠI
ÁP DỤNG THUẬT TOÁN INC

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa

THÁI NGUYÊN, NĂM 2015


2
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN ANH QUÝ

THIẾT KẾ NGUỒN ĐIỆN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI
CÓ BỘ TỰ ĐỘNG CHỌN ĐIỂM LÀM VIỆC CỰC ĐẠI
ÁP DỤNG THUẬT TOÁN INC

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
Mã số: 60520216

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. NGÔ ĐỨC MINH

THÁI NGUYÊN, NĂM 2015


3

Dự đoán đến năm 2025, điện mặt trời sẽ là nguồn năng lượng chính thay thế
các nguồn điện truyền thống do có ưu điểm là dễ lắp đặt. Sự quan tâm của các nhà
khoa học trong cả lĩnh vực chế tạo pin mặt trời và khai thác hệ thống điện có sử dụng
pin mặt trời cũng như sự quan tâm của nhà làm chính trị đã góp phần làm giá thành
pin mặt trời giảm xuống, chiếm tỷ trọng ngày càng lớn và ngày càng thích nghi hơn
đối với lưới điện.
Luận văn với đề tài: “Thiết kế nguồn điện năng lượng Mặt trời có bộ tự động
chọn điểm làm việc cực đại áp dụng thuật toán INC” được xuất phát từ yêu cầu thực
tế chế độ làm việc pin mặt trời phụ thuộc vào phụ tải. Tìm được điểm vận hành tối
ưu sẽ làm cho năng lượng từ các tấm pin mặt trời là lớn nhất, góp phần nâng cao hiệu
quả kinh tế cho dạng nguồn này trong hệ thống điện.
2. Mục tiêu, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

pin mặt trời áp dụng thuật toán INC
mô hình lý thuyết đã nghiên cứu.

.

Vấn đề khai thác được năng lượng từ các tấm pin mặt trời tại những thời điểm
khác nhau trong ngày vẫn đang nhận được rất nhiều sự quan tâm của các nhà khoa
học. Việc xây dựng một hệ thống điều khiển thông qua bộ biến đổi điện tử công suất
có ý nghĩa khoa học rất lớn, đảm bảo việc vận hành các tấm pin mặt trời luôn ở điểm
tối ưu nhất để đáp ứng cho phụ tải.

Hơn nữa, đề tài cũng thiết kế mạch điều khiển cho bộ buck DC/DC có thể biến
thành sản phẩm thực tiễn.


4

làm việc cực đại INC
trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp.
Thực hiện nhiệm vụ trên cấu trúc luận văn gồm có các phần chính sau:
Mở đầu
Chương 1: Tổng quan về hệ thống khai thác năng lượng từ pin mặt trời
Chương 2: Pin mặt trời và vấn đề tìm điểm làm việc cực đại
Chương 3: Chế độ làm việc và điểm vận hành tối ưu của pin mặt trời
Chương 4: Thiết kế hệ thống thực nghiệm khai thác pin mặt trời sử dụng thuật
toán INC
Kết luận và kiến nghị
Tài liệu tham khảo.
Phụ lục


5

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG KHAI THÁC NĂNG LƢỢNG
TỪ PIN MẶT TRỜI
1.1. Tổng quan hệ nguồn phân tán trong hệ thống điện
Nguồn sơ cấp tạo ra năng lượng phổ biến hiện nay là hydrocarbon dựa trên
nhiên liệu hóa thạch. Nguồn nhiên liệu này làm gia tăng ô nhiễm môi trường do tạo
nên carbon dioxide làm môi trường ấm lên. Tương lai, nguồn nhiên liệu này cũng chỉ
có một giới hạn nhất định khi đáp ứng cho các phụ tải ngày càng tăng. Những lý do

này đã làm thay đổi cách nhìn nhận về năng lượng tái tạo như gió, mặt trời, thủy
triều, pin nhiên liệu. Những nguồn này được biết đến như nguồn năng lượng xanh
thân thiện với môi trường. Nguồn năng lượng này có thể được lắp đặt trong các khu
dân cư để đáp ứng cho các phụ tải tiêu dùng trực tiếp hoặc phát vào lưới điện với tên
gọi là nguồn phân tán DG (Distributed Generation).
Trong hệ thống nguồn phân tán, công suất từ các nguồn này tương đối nhỏ,
phân bố ở nhiều địa điểm khác nhau. Hình 1.1 cho thấy sự phân loại DG theo công
nghệ. [1-2]
Nguồn truyền
thống
Nguồn phân
tán

Turbine khí
tự nhiên
Điện hóa

Nguồn phi
truyền thống

Tích trữ

Pin nhiên liệu
Ắc quy
Bánh đà

Năng lượng
tái tạo

Quang điện

Turbine gió

a. Phân loại DG theo công nghệ


6

b. Mạng điện phân tán thông minh
Hình 1. 1. Nguồn DG và mạng điện phân phân tán thông minh
Nguồn phân tán có thể sử dụng nguồn nhiên liệu hóa thạch sử dụng khí tự
nhiên để cứu trợ cho lưới trong trường hợp thiếu hụt công suất và đáp ứng cho phụ
tải tại chỗ khi không có điện lưới. Các nguồn phân tán phi truyền thống là các nguồn
không sử dụng nguồn nhiên liệu hóa thạch như pin nhiên liệu biến đổi hóa năng
thành điện năng; kho năng lượng được tích trữ và phát điện theo yêu cầu như ắc quy,
bánh đà; nguồn năng lượng tái tạo như quang điện, turbine gió. Trong các nguồn DG
này, có thể thấy rằng nguồn năng lượng tái tạo sử dụng nguồn năng lượng vô tận từ
mặt trời và sự chuyển động của gió.
Trong những lưới điện thông minh, DG đã thể hiện được những thế mạnh và
đem lại lợi ích lớn như:
- Khả năng dự phòng: thể hiện tính linh hoạt thông qua khả năng mở rộng,
kích thước và vận hành.
- Độ tin cậy và chất lượng điện năng: một số đánh giá cho thấy có thể độ tin
cậy của lưới là khá thấp và muốn sử dụng nguồn DG để đạt được độ tin cậy và chất
lượng điện năng tốt hơn.


7

- Hướng tới sử dụng và mở rộng mạng điện địa phương: chi phí có liên quan
đến việc mở rộng của việc truyền tải hoặc phân phối có thể được giảm đi bằng cách

sử dụng DG.
- Hỗ trợ lưới: DG có thể hỗ trợ lưới ở những thời điểm khi có những biến
động ngẫu nhiên trong lưới như đột nhiên hỏng 1 phần tử nào đó của lưới mà có thể
dẫn đến sự suy giảm của tần số.
- DG có thể dễ dàng được lắp đặt ở bất kỳ vị trí nào trong thời gian ngắn.
- DG có thể làm giảm tổn thất công suất do tránh được truyền tải công suất
trên đường dây dài.
- DG giúp duy trì ổn định hệ thống
- Giảm ô nhiễm môi trường
- Tăng tuổi thọ của các thiết bị và máy biến áp.
- DG có thể vận hành như những nguồn khẩn cấp có sự cố trong lưới điện.
Trong hệ nguồn phân tán, nguồn pin mặt trời có khả năng phát triển tốt với lợi
thế dễ dàng lắp đặt trong các khu vực đông dân cư, lợi dụng được các vị trí địa lý
trong đất liền nhưng có nhiều nắng để phát điện. Sau đây, luận văn sẽ giới thiệu các
dạng khai thác năng lượng của nguồn PV
1.2. Phân loại hệ thống khai thác nguồn PV
1.2.1. Hệ thống cô lập
Hình 1.2 cho thấy có thể sử dụng tấm pin mặt trời để hoạt động cho các máy
bơm nước, nạp điện cho ắc quy hoặc các phụ tải lân cận khác. [1]
Máy bơm
nước

Nguồn PV

Bộ điều
khiển

Phụ tải
khác

Ắc quy

Hình 1. 2. Nguồn PV trong mạng điện cô lập
Trong trường hợp này, bộ điều khiển đóng vai trò kiểm soát dung lượng nạp
cho ắc quy, điều khiển nguồn cung cấp cho các máy bơm nước hoặc các phụ tải


8

khác. Ở những vùng không có điện lưới điện kéo đến và có thể chỉ đáp ứng cho các
phần tử riêng lẻ theo những yêu cầu tùy chọn. Việc sử dụng ắc quy làm cho giá thành
hệ thống cao, tuổi thọ hệ thống giảm xuống nên tùy theo yêu cầu thì mới đưa thêm ắc
quy vào.
1.2.2. Hệ thống ghép
Nguồn pin mặt trời độc lập đã thể hiện nhược điểm là bị mất hoàn toàn vào
những thời điểm không có bức xạ mặt trời. Vào những thời điểm này, các phụ tải vẫn
yêu cầu được cấp điện nên cần phải có các nguồn khác thay thế. Lúc này có thể sử
dụng các nguồn thay thế ghép vào như hình 1.3. [1]

a. PV-diesel nối tiếp

b. PV diesel chuyển đổi


9

c. PV-diesel song song
Hình 1. 3. Hệ thống PV ghép
Trong các hệ thống này, có thể sử dụng kho ắc quy hoặc không (thể hiện qua
đường thẳng không nối cứng vào thanh cái một chiều). Nguồn diesel là nguồn phát

điện xoay chiều có thể nối vào thanh cái một chiều thông qua bộ chỉnh lưu (hình
1.3a), có thể liên kết vào thanh cái xoay chiều có khóa chuyển đổi (hình 1.3b) hoặc
nối cứng vào thanh cái xoay chiều. Điều này đã làm cho nguồn PV trở nên thích nghi
hơn đối với phụ tải.
1.2.3. Nguồn PV kết nối lƣới
Đối với nguồn PV kết nối lưới, các tấm pin mặt trời có thể liên kết với nhau
để tạo ra công suất đủ lớn. Điều này có thể thấy trên hình 1.4. [1]

a. Bộ nghịch lưu tập trung


10

b. Nhiều bộ DC/DC

c. Nhiều bộ nghịch lưu
Hình 1. 4. Nguồn PV kết nối lưới qua các bộ biến đổi
Có thể dùng một bộ DC/DC điểu khiển chế độ làm việc của các tấm pin mặt
trời kết hợp với một bộ nghịch lưu (hình 1.4a). Cấu trúc dạng này làm giảm khả năng
điều khiển đối với mỗi dãy pin mặt trời.
Khi công suất các dãy pin không quá lớn thì có thể dùng nhiều bộ DC/DC
điều khiển cho mỗi dãy pin mặt trời kết hợp với một bộ nghịch lưu (hình 1.4b). Cấu
trúc dạng này phù hợp với nhà máy điện mặt trời công suất nhỏ với ưu điểm là dễ
dàng điều khiển công suất đầu ra cho mỗi dãy pin mặt trời.
Khi công suất các dãy pin tương đối lớn, cần phải sử dụng riêng mỗi dãy pin
mặt trời một bộ DC/DC kết hợp với một bộ nghịch lưu kết nối lưới (hình 1.4c). Cấu
trúc dạng này tỏ ra khá phù hợp để điều khiển trong các nhà máy điện mặt trời công
suất lớn tuy nhiên lại sử dụng quá nhiều bộ biến đổi khiến tổn thất công suất trên
chính các bộ biến đổi cũng làm một vấn đề cần lưu tâm.

11

1.3. Mục tiêu nghiên cứu
Trong mục 1.2 ở trên, ta thấy rằng mỗi dạng khai thác năng lượng từ pin mặt
trời có những đặc điểm riêng, đáp ứng cho các yêu cầu riêng.
Cho đến nay, kỹ thuật ghép nối pin mặt trời vào lưới điện thông qua các bộ
biến đổi cũng là một vấn đề hết sức quan trọng và vẫn còn nhiều bài toán cần giải
quyết như góc phát, tần số, module để hòa lưới phù hợp nhất. Trong khi bài toán khai
thác trong mạng điện cô lập với vấn đề khai thác điểm làm việc cực đại lại mang một
ý nghĩa quan trọng khác để khẳng định lợi ích của kỹ thuật khi đem lại cho lợi ích
kinh tế. Bản thân chi phí đầu tư cho tấm pin mặt trời thương mại hiện nay là khá lớn,
nếu không được sự ủng hộ của các nhà làm chính sách như trợ giá, tăng cường đầu tư
công để làm cho chi phí trên một đơn vị điện năng giảm xuống thì pin mặt trời khó
có thể phổ biến và cạnh tranh được với các nguồn năng lượng khác.
Hiện nay, hiệu suất chuyển đổi từ quang năng thành điện năng khá thấp nên
khai thác được hết phần năng lượng điện khả dụng cũng đem lại khả năng thích nghi
cao hơn cho loại nguồn này trong hệ thống điện. Do đó, luận văn sẽ tập trung vào
việc dò tìm điểm làm việc cực đại, vấn đề khai thác năng lượng từ pin mặt trời thông
qua các bộ biến đổi.


12

CHƢƠNG 2
PIN MẶT TRỜI VÀ VẤN ĐỀ TÌM ĐIỂM LÀM VIỆC CỰC ĐẠI
2.1. Cấu tạo nguyên lý hoạt động của pin mặt trời [1-5]
2.1.1. Cấu tạo
Pin mặt trời được sản xuất từ chất bán dẫn silic tinh khiết. Để làm pin Mặt trời
từ bán dẫn tinh khiết phải làm ra bán dẫn loại n và bán dẫn loại p rồi ghép lại với

nhau cho nó có được tiếp xúc p - n.
Pin mặt trời từ tinh thể silic chia ra thành 3 loại:
- Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình
Czochralski. Đơn tinh thể loại này có hiệu suất tới 16%. Chúng thường rất mắc tiền
do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các
module.
- Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc-đúc từ silic nung chảy cẩn thận được làm
nguội và làm rắn. Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất
kém hơn. Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn
đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó.
- Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa
tinh thể, Loại này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các
loại vì không cần phải cắt từ thỏi silicon.
2.1.2. Nguyến lý hoạt động
- Nguyên lý hoạt động: Pin mặt trời làm việc theo nguyên lý biến đổi trực tiếp
năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện.
- Khi tiếp giáp p-n nhận tia bức xạ mặt trời, điện tử ở vùng hóa trị hấp thụ
năng lượng photon hv và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn điện tử - lỗ trống e- h+, nghĩa là tạo ra một điện thế. Hiện tượng này gọi là hiệu ứng quang điện bên
trong.
Quá trình hình thành dòng điện trong lớp tiếp giáp p-n khi có ánh ánh sáng
mặt trời tác động vào được mô tả qua hình 2.1.


13

Hình 2. 1. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời.
Khối bán dẫn loại p chứa nhiều lỗ trống tự do mang điện tích dương nên khi
ghép với khối bán dẫn n (chứa các điện tử tự do) thì các lỗ trống này có xu hướng
chuyển động khuếch tán sang khối n. Cùng lúc khối p lại nhận thêm các điện tử (điện
tích âm) từ khối n chuyển sang. Kết quả là khối p tích điện âm (thiếu hụt lỗ trống và

dư thừa điện tử) trong khi khối n tích điện dương (thiếu hụt điện tử và dư thừa lỗ
trống).


14

Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp, một số điện tử bị lỗ trống thu hút và khi
chúng tiến lại gần nhau, chúng có xu hướng kết hợp với nhau tạo thành các nguyên
tử trung hòa. Quá trình này có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng (hay
các bức xạ điện từ có bước sóng gần đó).
Sự tích điện âm bên khối p và dương bên khối n hình thành một điện áp gọi là
điện áp tiếp xúc (Utx). Điện trường sinh ra bởi điện áp có hướng từ khối n đến khối p
nên cản trở chuyển động khuếch tán và như vậy sau một thời gian kể từ lúc ghép 2
khối bán dẫn với nhau thì quá trình chuyển động khuếch tán chấm dứt và tồn tại điện
áp tiếp xúc. Lúc này ta nói tiếp xúc p-n ở trạng thái cân bằng.
Hai bên mặt tiếp giáp là vùng các điện tử và lỗ trống dễ gặp nhau nhất nên
quá trình tái hợp thường xảy ra ở vùng này hình thành các nguyên tử trung hòa. Vì
vậy vùng biên giới ở hai bên mặt tiếp giáp rất hiếm các hạt dẫn điện tự do nên được
gọi là vùng nghèo. Vùng này không dẫn điện tốt, trừ phi điện áp tiếp xúc được cân
bằng bởi điện áp bên ngoài. Đây là cốt lõi hoạt động của điốt cũng chính là nguyên
lý hoạt động của pin mặt trời.
Nếu đặt điện áp bên ngoài ngược với điện áp tiếp xúc, sự khuyếch tán của các
điện tử và lỗ trống không bị ngăn trở bởi điện áp tiếp xúc nữa và vùng tiếp giáp dẫn
điện tốt. Nếu đặt điện áp bên ngoài cùng chiều với điện áp tiếp xúc, sự khuyếch tán
của các điện tử và lỗ trống càng bị ngăn lại và vùng nghèo càng trở nên nghèo hạt
dẫn điện tự do. Nói cách khác điốt chỉ cho phép dòng điện qua nó khi đặt điện áp
theo một hướng nhất định.
2.2. Mô hình hóa pin mặt trời [2]
2.2.1. Mô hình phi tuyến
Mô hình này được xây dựng dựa trên phương trình 1 diode lý tưởng (hình

2.2a). Điện trở nối tiếp RS và điện trở song song RP làm tăng tính chính xác của mô
hình. Tuy nhiên RP có ảnh hưởng không đáng kể so với RS.

a. Sơ đồ thay thế


15

b. Đường cong V-I và đường cong P-V
Hình 2. 2. Mô hình phi tuyến một diode
Đường cong I-V và P-V của một module pin mặt trời được cho trên hình 2.2b.
Các đường cong này luôn thay đổi ứng với mỗi điều kiện nhiệt độ và cường độ bức
xạ nhất định. Đường cong này khá trơn và liên tục.
Trong sơ đồ ta cần quan tâm đến các thông số quan trọng thường xuyên được
sử dụng để mô tả cho pin PV gồm có:
- Lớp tiếp giáp p-n có tính chỉnh lưu như một diode.
- Điện trở nối tiếp Rs đặc trưng cho khả năng cản trở của dòng điện của pin
trong việc kết nối giữa các pin với nhau. Hay chính là điện trở kháng khi phải chạy
qua các lớp bán dẫn p và n, các điện cực, các tiếp xúc (có thể coi là điện trở trong của
pin mặt trời).
- Điện trở shun Rsh đặc trưng cho dòng dò qua lớp tiếp xúc p-n.
- Dòng ngắn mạch Isc và điện áp hở mạch Voc.
Để xác định được dòng điện ngoài ta áp dụng định luật Kirchoff’s 1 cho dòng
điện tại một điểm nút:
I = Isc – ID - Ish= Iph - ID - Ish

(2- 1)

Trong đó :
Isc : là dòng ngắn mạch được tạo ra bởi các dòng photon

ID : Dòng đi qua diode
Ish : Dòng dò
Mặt khác ta có: Theo Shockley’s dòng ID được tính với công thức như sau :
q(V
ID

Trong đó :

I

s

exp

R I)
s
1
nkT

(2- 2)


16

- V: Điện áp trên các tấm pin.
- I : Dòng điện đi ra từ pin.
- Is : Độ bão hòa dòng điện ngược diode. Không phụ thuộc vào sự thay đổi
nhiệt độ.
q: Điện tích điện tử. q= 1.602*10-19 C
k : Hằng số Boltzmann’s (k=1.381×10-23 J/K)

T : Nhiệt độ Kelvin (K).
n : Hệ số lý tưởng phụ thuộc vào mức độ hoàn thiên công nghệ chế tạo pin
mặt trời. Gần đúng lấy n=1

V

I sh

Rs I
(2- 3)

R sh

Thay ID , Ish ở biểu thức (2.2,2.3) vào (2.1) Ta được :
q(V
I

I

ph

I

d

I

sh

I

ph

I

s

exp

R I)
s
1
nkT

V

R I
s
R

sh

(2- 4)

2.2.2. Mô hình tuyến tính từng đoạn
Mô hình này được mô tả trên hình 2.3 vẫn bao gồm một điện trở nối tiếp RS,
Rp và các diode.

a. Sơ đồ thay thế

b. Đường cong V-I và đường cong P-V
Hình 2. 3. Mô hình tuyến tính từng đoạn


17

Mô hình này sử dụng 4 diode lưỡng cực cho đường cong I-V phẳng hơn
nhưng phức tạp hơn, độ sụt áp cố định và nó được nuôi bởi 1 nguồn dòng không đổi
bằng ISC.
Trong 4 diode thì diode đơn D4 có độ sụt áp VOC. Điều chỉnh độ sụt áp thông
qua các điện trở nối tiếp với các diode và do đó đường cong I-V được điều chỉnh dễ
dàng để phù hợp với các kết quả thực nghiệm của module PV.
2.2.3. Mô hình hình chữ nhật

a. Sơ đồ thay thế

b. Đường cong V-I và đường cong P-V
Hình 2. 4. Mô hình hình chữ nhật
Mô hình này dựa trên 1 một nguồn dòng hằng số và một diode lưỡng cực. Mô
hình hình chữ nhật sử dụng các giá trị tại điểm công suất cực đại làm dòng điện ngắn
mạch và độ sụt áp trên diode lưỡng cực. Sơ đồ này được sử dụng trong trường hợp
muốn mô phỏng nhanh
Trên cơ sở phân tích các mô hình toán của pin mặt trời, nhận thấy rằng mô
hình tuyến tính từng đoạn phức tạp và mô hình thứ ba không mô tả hết được bản chất
vật lý của pin mặt trời. Vì vậy, luận văn sẽ nghiên cứu mô hình thứ nhất.


18

2.2.4. Các bƣớc mô tả toán học

Để hiểu rõ đặc điểm và quá trình hoạt động rõ ràng của các phần tử (PV cell
hoặc các module) ta cần thông qua các biểu thức toán học. Trước hết chúng ta cần
làm quen với các thông số đặc trưng được biểu diễn trong mô hình toán học.
- Ký tự đẩy lên "M" là viết tắt của chữ module
- Ký tự đẩy lên "C" là viết tắt của chứ cell
- Trong sơ đồ khối kết nối module, điện áp được áp dụng cho đầu ra của
module được ký hiệu là VM.
- Còn dòng dịch chuyển được tạo ra từ các module được kí hiệu là IM.
Dòng dịch chuyển trong các module PV theo điều kiện hoạt động tùy ý có thể
được mô tả như sau:

I

M

I

M
V M VOC
RSM .I M
1 exp
N SM Vt C

M
SC

(2- 5)

Dòng ra của module PV phụ thuộc vào các đại lượng sau:
- Dòng ngắng mạch của các module : IMSC = NPM.ICSC

- Điện áp hở mạch của module PV: VMOC = NSM.VCOC
Điện trở kháng nối tiếp của module:
RMS = NSM . RCS
NPM

(2- 6)

Điện áp nhiệt trong chất bán dẫn của một PV cell
C

VCt = mkT
e

(2- 7)

Trong thực tế hiện nay, hiệu suất của các module hoặc một thiết bị PV khác
được xác định nhờ các thông số trong từng điều kiện xác định. Các đặc tính cung
cấp bởi nhà sản xuất thường được xác định theo điều kiện đặc biệt như trong bảng
2.1
Bảng 2. 1. Danh nghĩa và tiêu chuẩn điều kiện.

Điều kiện định mức

Điều kiện tiêu chuẩn

Cường độ chiếu xạ: Sa,ref = 800 W/m2

Cường độ chiếu xạ: Sa,0 =1000W/m2

Nhiệt độ môi trường: Ta,ref =200 C

Nhiệt độ của pin: T0C =250 C

Trong điều kiện tiêu chuẩn với các tham số như chiếu xạ Sa,0 và nhiệt độ tế
bào T0C, ta có thể xác định rõ các thông số sau:


19

- Dòng ngắn mạch của module: ISC, 0M
- Điện áp hở mạch của module: VOC,0M
- Công suất tối đa của module: Pmax,0M
Ngoài ra ta có thể tham khảo các thông số như sau:
- Cường độ bức xạ môi trường xung quanh: Sa,ref
- Nhiệt độ môi trường xung quanh Ta, ref
- Nhiệt độ của Pin TrefC
Các biểu thức toán học cho việc tính toán dòng điện của các module PV, theo
các thông số (VM, Ta, Sa) như sau
Dữ liệu các module theo điều kiện tiêu chuẩn:
Pmax,0M, ISC,0M, VOC,0M, NSM, NPM
Các thông số thay đổi theo điều kiện tiêu chuẩn:
Pmax,0C = Pmax,0M /(NSMNPM)
VOC,0C = VOC,0M / NSM
ISC,0C = ISC,0M / NPM
Vt,0C = mkTC / e
vOC,0

= VOC,0C / Vt,0C

FF

= (vOC,0 - ln(vOC,0 +0.72)) / (vOC,0 +1)

FF0

= Pmax,0C / (VOC,0C IOC,0C )

rs

= 1- FF / FF0

RsC

=

rsVOC,0C / ISC,0C

Các thông số thay đổi theo (VM, Ta, Sa)
C1

= ISC,0C / Sa,0

ISCC

= C1 Sa

TC

= Ta + C2 Sa

VOCC = VOC,0C + C3 (TC - T0C)
Vt C

= mk(273+TC) / e

Các bước trong các thuật toán xác định dòng điện như sau:


20

a) Người thiết kế đưa ra những yêu cầu về sản phẩm và các thông tin trong
điều kiện tiêu chuẩn của các module PV.
- Lượng công suất tối đa: PMmax,0
- Dòng ngắn mạch: IMSC,0
- Điện áp hở mạch : VMOC,0
- Số lượng Pin được mắc nối tiếp: NSM
- Số lượng Pin được mắc song song: NPM
b) Dựa vào các số liệu có sẵn trong điều kiện tiêu chuân của PV module ta
tính toán các thông số liên quan phụ thuộc vào các số liệu đã có. PCmax,0; VCOC,0;
ICSC,0; RCS.
c) Bước tiếp theo là đi xác định các thông số đặc trưng của Pin theo các thông
số điều khiển (VM, Ta, Sa). Như vậy, dòng ngắn mạch của một pin năng lượng mặt
trời được tính toán dựa trên sự phụ thuộc tuyến tính của nó trên IcGc; Ia; Sa cường độ
chiếu xạ: ICSC = C1 Sa
Nhiệt độ làm việc của Pin năng lượng mặt trời Tc phụ thuộc hoàn toàn vào
cường độ chiếu xạ Sa và nhiệt độ môi trường xung quanh Ta, theo quan hệ tuyến tính
thực nghiệm ta có: TC = Ta + C2Sa
Trong đó C2 là hằng số và được tình thông qua biểu thức:
C
C2 = T ref-Ta,ref

Ga,ref

(2- 8)

Trong đó giá trị TCref là hệ số chưa xác định. Ta có thể coi C2 có giá trị xấp xỉ
là: C2 = 0.03C m2/W. Khi đó điện áp hở mạch của tế bào phụ thuộc hoàn toàn vào
nhiệt độ của các tế bào năng lượng mặt trời:
VCOC = VCOC,0 + C3(TC - TC0)

(2- 9)

Trong đó C3 là hằng số liên tục và thường có giá trị là: C3 = -2.3mV/C
d) Sau khi thực hiện xong các bước (2) và (3), bước cuối cùng là để xác
định dòng điện trong module
IM = NPMICSC[1- exp((VM - NSMVOCC + IM RSC NSM/NPM)/(NSMVtC))]
(2- 10)
2.3. Các đặc trƣng của pin mặt trời
2.3.1. Các thông số của pin mặt trời
2.3.1.1. Thông số rút ra từ đƣờng cong I-V


21

Điểm công suất tối đa: Là điểm hoạt động ở vị trí (Vmax, Imax) nơi điện trở
tiêu tán một cách tối đa.
Pmax = Imax.Vmax

(2- 11)

Hiệu suất : là tỷ số giữa công suất Pmax với công suất tới của ánh sáng mặt

trời.
η = Pmax = ImaxVmax
Pin
AGa

(2- 12)

Trong đó: Ga Cường độ bức xạ của môi trường xung quanh.
Hệ số điền đầy: Là tỷ số giữa công suất Pmax có thể truyền qua tải với cống
suất đầu ra.
FF= Pmax = VmaxImax
VocIsc
VocIsc

(2- 13)

Khả năng điền đầy là một biện pháp của đặc tính I-V khả năng điền đầy có thể
lớn hơn 0.7 với pin năng lượng tốt. Khi nhiệt độ giảm đi đông nghĩa với khả năng
điền đầy kém đi.
2.3.1.2. Dòng ngắn mạch Isc

Hình 2. 5. Sơ đồ tương đương pin mặt trời khi xét chế độ ngắn mạch và hở
mạch
Dòng ngắn mạch ISC là dòng điện trong mạch của pin mặt trời khi làm ngắn
mạch ngoài (chập các cực ra của pin). Lúc đó hiệu điện thế mạch ngoài của pin bằng
không ( V= 0). Đặt giá trị V= 0 ta có:
I

sc

I

ph

I

S

exp

qR I
s sc 1
nkT

R I
s sc
R
sh

(2- 14)

Ở các điều kiện chiếu sáng bình thường (không có hội tụ) thì hiệu ứng điện trở nối
tiếp RS có thể bỏ qua, và ID = 0


22

I

sc

I

ph

E

(2- 15)

Trong đó E là cường độ sáng,

là một hệ số tỷ lệ . Như vậy ở điều kiện bình

thường, dòng đoản mạch ISC của pin mặt trời tỷ lệ thuận với cường độ bức xạ chiếu
sáng.
2.3.1.3. Điện áp hở mạch Voc
Thế hở mạch VOC là hiệu điện thế được đo khi mạch ngoài của pin mặt trời hở
mạch (R = ∞). Khi đó dòng mạch ngoài I = 0. Đặt giá trị đó của dòng mạch ngoài
vào (2.14) và giả thiết Rsh rất lớn ta được biểu thức xác định VOC như sau:

0

I

I

ph

ph
I

S

qV
I exp oc
S
nkT
I

S

exp

1

I

ph

qV
I exp oc
S
nkT

I

S

qV
oc

nkT
(2- 16)

V

oc

I
nkT
ph
ln
q
I

I

S

S

(2- 17)

I
ph
nkT
ln
q
I
S

(2- 18)

vì Iph >> Is nên có thể viết:
V
oc

Trong biểu thức của Voc ta thấy nó phụ thuộc vào nhiệt độ một cách trực tiếp
(thừa số T ở trước biểu thức) và gián tiếp qua dòng bão hoà IS. Như đã biết, dòng bão
hoà IS là dòng các hạt tải điện không cơ bản được tạo ra do kích thích nhiệt và bị gia
tốc bởi điện trường tiếp xúc. Khi nhiệt độ của pin mặt trời tăng dòng bão hoà IS cũng
tăng lên theo hàm mũ :
E
I

S

qAg L
th D

qAL g exp
D 0

g
kT
(2- 19)

E
g

th

g

0

exp

g
kT


23

Ở đây trong biểu thức (2.19) A là diện tích bề mặt tiếp xúc p-n, gth là mật độ
hạt dẫn được tạo ra do kích thích nhiệt trong lớp tiếp xúc, g0 = gth khi T =

được gọi

là hệ số kích thích nhiệt. Đặt các biểu thức này vào biểu thức Voc ta có:

E
V
oc

g
q

nkT LD g o A
ln
q

KN
ph

(2- 20)

Từ công thức trên ta thấy, chỉ khi T = 0 thì mới thu được ở các đầu ra của tiếp
xúc p-n điện thế bằng thế năng Eg của cặp e- - h+. Còn khi T > 0 thì
q

E
V
oc

g
q

(2- 21)

Sự khác nhau giữa các thế năng khi T = 0 và khi T > 0 phụ thuộc vào hệ số
kích thích nhiệt go và vào hiệu suất góp K. Khi chiếu sáng với cường độ sáng cao thì
Nph tăng lên và Vo càng gần tới giá trị Eg. Ngoài ra, Voc tăng theo hàm loga với
q
dòng quang điện I ph mà đến lượt nó lại tăng tuyến tính với cường độ bức xạ
chiếu sáng. Kết quả là thế hở mạch V OC tăng theo hàm loga theo cường độ bức
xạ chiếu sáng và giảm tuyến tính khi nhiệt độ của pin mặt trời tăng. Đối với
pin mặt trời tinh thể Si, khi nhiệt độ tăng trong khoảng từ 20 0 C đến 100 0 C thì
VOC giảm khoảng 2mV/ 0 C, còn dòng quang điện tăng lên

khoảng

0,03mA/cm2 .0 C.
2.3.2. Sự ảnh hƣởng của cƣờng độ bức xạ và nhiệt độ đến chế độ làm việc của
nguồn PV [5]

Hình 2. 6. Sự thay đổi của đường cong V-I và P-V theo cường độ bức xạ


24

Hình 2. 7. Sự thay đổi của đường cong V-I và P-V theo nhiệt độ
Ta có thể rút ra một số nhận xét sau:
- Điện áp hở mạch và dòng điện ngắn mạch đều tăng khi cường độ bức xạ
tăng làm cho đường cong P-V cũng tăng theo và điểm làm việc cực đại cao hơn.
- Nhiệt độ càng tăng, điện áp hở mạch càng giảm. Dòng điện ngắn mạch tăng
nhưng không đáng kể làm cho điểm làm việc cực đại thấp dần đi. Do vậy, khi nhiệt
độ của tấm pin mặt trời tăng thì tấm pin mặt trời sẽ kém hiệu quả hơn.
2.4. Ghép nối khối pin mặt trời
2.4.1. Ghép nối tạo module
Để đưa năng lượng mặt trời dưới dạng nặng lượng bức xạ vào quá trình quang
năng biến đổi thành năng lượng được thực hiện bằng cách chế tạo các cell PV rồi kết
nối lại thành các module từ các module ta kết nối thành các array theo nhiều phương
pháp khác nhau nhằm đạt được điện áp đầu ra theo mong muốn.

Hình 2. 8. Mô hình kết nối một hệ thống PV
Trong thực tế với mỗi một cell PV chỉ có thể tạo ra một điện áp đầu ra ít hơn
1V (thường là 0.5V hay 0.6V) cho mỗi tinh thể silicon (Si) của pin PV. Để đáp ứng


25

được điện áp đầu ra các Pin PV được kết nối lại với nhau để có thể đạt được mức
điện áp đầu ra theo yêu cầu thiết kế. Khi kết nối lại các Pin PV được đặt lại trong
một khung (khối) chúng được gọi là module.

Hình 2. 9. Quá trình tạo module
Trên thực tế các module có nhiều kiểu kết nối nhưng thường sử dụng nhất có
hai loại đó là: loại 36 cells và 72 cells kết nối lại với nhau. Trong đó loại module có 36
cells có thể cung cấp cho đầu ra một cấp điện áp tầm khoảng 24V, còn loại 72 cells
cho ra điện áp vào khoảng 44V. Việc có các kiểu kết nối như trên là bởi trên thực tê
hầu hết các hệ thống PV được sử dụng đều có pin dự phòng, hơn nữa với sự ra đời của
các công nghệ cao về việc chuyển đổi điện áp DC/DC đã làm giảm bớt số module với
yêu cầu điện áp cụ thể.

Hình 2. 10. Các module PV bao gồm chi nhánh NPM song song, mỗi NSM các tế bào
năng lượng mặt trời trong loạt.
Hình 2.11 cho thấy sự thay đổi điện áp tương ứng với số cell trong module.