Dò tìm điểm cực đại trong hệ thống pin quang điện bằng phương pháp logic mờ

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRẦN VĂN LƯU

DÒ TÌM ĐIỂM LÀM VIÊC CỰC ĐẠI TRONG
HỆ THỐNG PIN QUANG ĐIỆN BẰNG
PHƯƠNG PHÁP LOGIC MỞ
S

K

C

0

0

3

9
7

5
7

9
7

NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 60 52 50

S KC 0 0 3 7 7 9

Tp. Hồ Chí Minh, 2012


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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRẦN VĂN LƯU

DÒ TÌM ĐIỂM LÀM VIÊC CỰC ĐẠI TRONG HỆ THỐNG
PIN QUANG ĐIỆN BẰNG PHƯƠNG PHÁP LOGIC MỞ

NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250

Tp. Hồ Chí Minh, 2012


Lý Lịch Khoa Học.

LVTN

LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC
Họ và tên: Trầ n Văn Lưu

Giới tính: Nam.

Ngày, tháng, năm sinh: 11/02/1983

Nơi sinh: Thái Bình.

Quê quán: Thái Bình

Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 651 ấp Tân Bình, xã Bình Minh, huyê ̣n
Trảng Bom, tỉnh Đồng Nai
Điện thoại: 01647558737.

E-mail:

II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO
2.1. Hệ đại học.
Hệ đào tạo: chính quy.

Thời gian đào tạo: 2003 đến 2007.

Trường Đại Học Kỹ Thuâ ̣t Công Nghê ̣ TP. Hồ Chí Minh.
Ngành học: Điê ̣n công nhiê ̣p.
2.2. Hệ Cao học
Hệ đào tạo: chính quy.

Thời gian đào tạo: 2010 - 2012.

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuâ ̣t TP. Hồ Chí Minh.

Ngành học: Thiết bị mạng và nhà máy điện.
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC
Thời gian

Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm

Sở Khoa ho ̣c và Công nghê ̣

Kiể m toán năng lươ ̣ng, thực

Đồng Nai

hiê ̣n các đề tài khoa ho ̣c.

04/2008 - nay

GVHD: TS. Trương Viê ̣t Anh

i

HVTH: Trầ n Văn Lưu


Lời Cam Đoan.

LVTN

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, 10 năm 2012
Người cam đoan

Trần Văn Lưu

GVHD: TS. Trương Viê ̣t Anh

ii

HVTH: Trầ n Văn Lưu


Lời Cám Ơn.

LVTN

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn thầy TS. Trương Viê ̣t Anh đã tận tình hướng dẫn tôi
hoàn thành luận văn này.
Chân thành cảm ơn quí thầy cô Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM và
Trường Đại Học Bách khoa TP.HCM đã giảng dạy tôi trong suốt hai năm học.
Xin cám ơn anh Nguyễn Thanh Thuận , trưởng Khoa Điê ̣n – trường Cao đẳ ng
nghề Đồ ng An đã giúp đỡ, chia sẻ kinh nghiệm, động viên tôi trong suốt thời gian
thực hiê ̣n luận văn này.
Và cuối cùng, xin chân thành cảm ơn gia đình người thân và cá c anh chi ̣ đang
công tác tại Trung tâm Ứng dụng Tiế n bộ Khoa học và Công nghê ̣ Đồ ng Nai đã

động viên, hỗ trợ tôi trong suốt quá trình học tập.
Thành phố Hồ Chí Minh, 10/2012

Trần Văn Lưu

GVHD: TS. Trương Viê ̣t Anh

iii

HVTH: Trầ n Văn Lưu


Tóm Tắt.

LVTN

TÓM TẮT
Đặc tính đầ u ra của tấ m quang điện là phi tuyến và thay đổi theo nhiệt độ của
tế bào và bức xạ mặt trời. Dò tìm điểm cực đại (MPPT) là phương pháp được sử
dụng để tối đa hóa sản lư ợng điện đầu ra của tấm quang điện bằng cách theo dõi
liên tục các điểm công suất cực đa ̣i (MPP). Trong số tất cả các phương pháp MPPT
đươ ̣c biế t đế n , phương pháp nhiễu loa ̣n và quan sát (P & O) và gia tăng điê ̣n dẫn
(INC) là phổ biến nhất được sử dụng đơn giản và dễ thực hiện; Tuy nhiên, các
phương pháp này thể hiện nhược điểm như tốc độ phản ứng chậm, dao động xung
quanh MPP trong trạng thái ổn định, và thậm chí theo dõi mô ̣t cách sai lầm dưới sự
thay đổi nhanh chóng điều kiện khí quyển.
Trong bài báo này, chúng được hiển thị ra những tác động tiêu cực liên quan
đến nhược điểm có thể được giảm đi rất nhiều nếu các phương pháp thông minh
được sử dụng để cải thiện P & O và thuật toán Inc. Các bước nhiễu loạn liên tục xấp
xỉ bằng cách sử dụng Fuzzy Logic Controller (FLC). Bằng cách mô phỏng, sự hợp

lý của các thuật toán điều khiển đề nghị được chứng minh.

GVHD: TS. Trương Viê ̣t Anh

iv

HVTH: Trầ n Văn Lưu


Abstract.

LVTN

ABSTRACT
The output characteristics of photovoltaic arrays are nonlinear and change with
the cell’s temperature and solar radiation. Maximum power point tracking (MPPT)
methods are used to maximize the PV array output power by tracking continuously
the maximum power point (MPP). Among all MPPT methods existing in the
literature, perturb and observe (P&O) and incremental conductance (InC) are the
most commonly used for these simplicity and ease of implementation; however,
they present drawbacks such as slow response speed, oscillation around the MPP in
steady state, and even tracking in wrong way under rapidly changing atmospheric
conditions.
In this paper, it is shown that the negative effects associated to such a
drawback can be greatly reduced if the intelligent method is used to improve P&O
and Inc algorithm. The perturbation step is continuously approximated by using
Fuzzy Logic Controller (FLC). By the simulation, the validity of the proposed
control algorithm is proved.

GVHD: TS. Trương Viê ̣t Anh

v

HVTH: Trầ n Văn Lưu


Mục Lục.

LVTN

MỤC LỤC
Trang
LÝ LỊCH KHOA HỌC..............................................................................................i
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... ii
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... iii
TÓM TẮT .................................................................................................................iv
ABSTRACT ...............................................................................................................v
MỤC LỤC .................................................................................................................vi
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT ................................................................. viii
DANH SÁCH CÁC BẢNG......................................................................................ix
DANH SÁCH CÁC HÌNH .......................................................................................x
LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................1
Chƣơng 1: TỔNG QUAN
1.1. Tổ ng quan về năng lƣơ ̣ng quang điên.
̣ .............................................................2
1.1.1. Cấ u trúc của mă ̣t trời .....................................................................................2
1.1.2. Năng lượng của mặt trời ................................................................................3
1.1.4. Tiề m năng năng lươ ̣ng mă ̣t trời ở Viê ̣t Nam..................................................8
1.2. Định hƣớng của đề tài ......................................................................................12
1.3. Nhiệm vụ luận văn ...........................................................................................12

1.4. Kết quả mong muốn đạt đƣợc ........................................................................12
Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Pin quang điên.
̣ .................................................................................................13
2.1.1 Cấ u ta ̣o của pin quang điê ̣n. .........................................................................13
2.1.2 Mô hình vâ ̣t lý của pin Quang điê ̣n ..............................................................14
2.1.3 Mô hiǹ h toán của pin quang điê ̣n. .................................................................14
2.2. Lý do phải dò tìm điểm làm việc cực đại. ......................................................19
2.3. Mô hin
̀ h toán của bô ̣ chuyể n đổ i DC-DC .......................................................23
2.3.1. Mạch giảm điện thế (Buck Converter) ........................................................24

GVHD: TS. Trương Viê ̣t Anh

v

HVTH: Trầ n Văn Lưu


Mục Lục.

LVTN

2.3.2. Mạch boot converter ...................................................................................27
Chƣơng 3: NGHIÊN CỨU PHƢƠNG PHÁP DÕ TÌM ĐIỂM CỰC ĐẠI

3.1. Mô hình mô phỏng hê ̣ thố ng điêṇ pin mă ̣t trời trong matlab/Simulink .....32
3.2. Các phƣơng phƣ ơng pháp dò tim
̀ điể m cƣ ̣c đa ̣i của hê ̣thố ng pin quang
điêṇ ...........................................................................................................................35

3.2.1 Tìm điểm làm việc cực đại của pin mặt trời bằ ng phương pháp P & .........35
3.2.2 Phương pháp InC (Incremental Conductance) ..........................................38
3.2.3 Phương pháp sử du ̣ng điê ̣n dung ký sinh (parasitic capacitance) .............40
3.2.4 Phương pháp điề u khiể n điê ̣n áp . ...............................................................41
3.3 Phƣơng pháp logic mờ ......................................................................................43
3.3.1. Các giá trị đầu vào .......................................................................................45
3.3.2. Mờ hóa các giá trị đầu vào và đầu ra (Fuzzification) ..................................46
3.3.3. Luâ ̣t điề u khiể n mờ ......................................................................................50
3.3.4. Giải mờ ........................................................................................................52
Chƣơng 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
4.1. Mô hin
̀ h mô phỏng hê ̣ thố ng quang điện sử dụng phƣơng pháp P&O trong
simulink matlab. ......................................................................................................54
4.1.1. Mô hiǹ h mô phỏng. ......................................................................................54
4.1.2. Kết quả mô phỏng ........................................................................................54
4.2. Mô hin
̀ h mô phỏng hê ̣thố ng quang điêṇ sƣ̉ du ̣ng phƣơng pháp FLC trong
simulink matlab .......................................................................................................56
4.2.1 mô hình mô phỏng .........................................................................................56
4.2.2 Giới thiệu các khối chính trong mô hình.......................................................57
4.2.3 Kế t quả mô phỏng phương pháp FLC trên phầ n mề n Matlab ......................62
Chƣơng 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
5.1. Kết luận .............................................................................................................69
5.2. Hạn chế..............................................................................................................69
5.3. Kiến nghị và hƣớng phát triển đề tài .............................................................70
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................73

GVHD: TS. Trương Viê ̣t Anh

vi

HVTH: Trầ n Văn Lưu


Danh Sách Các Chữ Viết Tắt.

LVTN

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
PV (Photovoltaic): Pin quang điện.
NLMT : Năng lươ ̣ng mă ̣t trời.
MPP (Maximum power point): Điể m làm viê ̣c cực đa ̣i.
MPPT (Maximum power point tracking): Dò tìm điểm công suất cực đại.
P&O (Perturb & Observe): Thuật toán quan sát và nhiễu loạn (biến đổi để đạt đến điểm
cực đại), còn gọi là phương pháp “Hill climbing: Leo đồi”.
IncCond (Incremental Conductance): Gia tăng điê ̣n dẫn.
FLC (fuzzy logic controller): Điều khiển logic mờ.
DC(Direct current): Điện một chiểu
MF: Hàm Thành viên.
NB (negative big): Âm nhiề u.
NS (negative small) : Âm it́ .
ZE (zero): Bằ ng không.
PS (positive small): Dương it́ .
PB (positive big): Dương nhiề u.

GVHD: TS. Trương Viê ̣t Anh

viii

HVTH: Trầ n Văn Lưu

Danh Sách Các Hình.

LVTN

DANH SÁCH CÁC BẢNG
Trang
Bảng 1.1: Phân bố phổ bức xạ mặt trời theo hướng bước sóng λ. ........................ 5
Bảng 1.2: Thị trường tiêu thụ năng lượng Thế giới 2006-2030 (nghìn triệu triệu
BTU. ....................................................................................................................... 6
Bảng 3.1: Bảng chọn tỷ số D của FLC ................................................................ 51

GVHD: TS. Trương Viê ̣t Anh

ix

HVTH: Trầ n Văn Lưu


LVTN

Danh Sách Các Hình.

DANH SÁCH CÁC HÌNH
Trang
Hình 1.1: Cấu trúc của mặt trời .............................................................................. 3
Hình 1.2: Tổng số năng lượng tiêu thụ thế giới vào năm 1980 – 2030 ................ 7
Hình 1.3: Mô ̣t số ứng du ̣ng của pin mă ̣t trời .......................................................... 8
Hình 1.4: Phân bố tổng số giờ nắng 3 tháng 1, 2, 3 năm 2011 .............................. 9

Hình 1.5: Bức xạ mặt trời tại ba thành phố tiêu biểu năm 2009 ............................ 9
Hình 1.6: Đường đặc tuyến I,P_V của pin quang điện . ...................................... 10
Hình 2.1: Cấ u ta ̣o đơn giản của pin quang điê ̣n. .................................................. 13
Hình 2.2: Thiết kế tiêu biểu của mô ̣t cell quang điê ̣n. ......................................... 14
Hình 2.3: Mạch điện tương đương của pin Quang điê ̣n ....................................... 15
Hình 2.4: Mô hình pin mặt trời lý tưởng .............................................................. 16
Hình 2.5: Mô đun pin mặt trời ............................................................................. 17
Hình 2.6: Đặc tuyến I_V với các bức xạ khác nhau. ........................................... 18
Hình 2.7: Đặc tuyến P_V với các bức xạ khác nhau ........................................... 18
Hình 2.8: đă ̣c tuyế n U_I và P_I của pin mă ̣t trời khi cường đô ̣ bức xa ̣ và nhiê ̣t đô ̣
không đổ i. ............................................................................................................. 19
Hình 2.9: Các điểm làm việc của pin Quang điện khi có tải . ............................. 20
Hình 2.10: Sơ đồ khố i đơn giản của bô ̣ MPPT. ................................................... 21
Hình 2.11: Mố i quan hê ̣ giữa công suấ t (P) và chu kỳ D. .................................... 21
Hình 2.12: Mối quan hệ của điê ̣n trở đầu vào và chu kỳ nhiệm vụ D . ................ 22
Hình 2.13: a)bộ giảm áp; b) bộ tăng áp; c) bộ giảm tăng áp ................................ 23
Hình 2.14 : Mạch cơ bản của bộ hạ thế DC-DC. ................................................. 24
Hình 2.15: các mạch điện của bộ hạ thế DC-DC khi G đóng (a) và mở (b) ........ 24
Hình 2.16: Điện áp và sự thay đổi dòng điện. ...................................................... 25
Hình 2.17 : Mạch cơ bản của bộ tăng thế. ........................................................... 27
Hình 2.18: Mạch điện của bộ tăng thế DC-DC khi G đóng và mở . ..................... 27
GVHD: TS. Trương Viê ̣t Anh

x

HVTH: Trầ n Văn Lưu


LVTN

Danh Sách Các Hình.

Hình 2.19: Giản đồ điện áp và dòng điện trong bộ tăng thế. ............................... 28
Hình 2.20: Bộ chuyển đổi Boost trong simulik .................................................. 29
Hình 3.1: Mô hình hê ̣ thố ng quang điê ̣n được xây dựng trong Matlab /Simulink ...
...................................................................................................................... 28
Hình 3.2: Mô hình pin quang điê ̣n thu gọn đươ ̣c xây dựng trong Matlab /simulink
...................................................................................................................... 32
Hình 3.3: Bảng thông số đầu vào của pin mặt trời............................................... 34
Hình 3.4 Đặc tuyến I-V với các bức xạ khác nhau (Nhiệt độ pin 25oC) ............. 34
Hình 3.5: Đặc tuyến P-V với các bức xạ khác nhau (Nhiệt độ pin 25oC) ........... 35
Hình 3.6: Đặc tuyến I_V với nhiệt độ vận hành khác nhau (bức xạ 1kW/m2) .... 35
Hình 3.7: Đặc tính của pin quang điê ̣n ................................................................. 36
Hình 3.8: Giải thuật P&O .................................................................................... 37
Hình 3.9: Điể m dP/dV trong đồ thi P_V của pin quang điê ̣n. ............................ 39
Hình 3.10: Lưu đồ giải thuật cho phương pháp InC. .......................................... 40
Hình 3.11: Giá trị thực tế của hệ số k .................................................................. 41
Hình 3.12: Bức xạ mặt trời và nhiệt độ môi trường một ngày tiêu biểu. ............. 42
Hình 3.13: Giải thuật đề xuất ............................................................................... 43
Hình 3.14: Sơ đồ khối của bộ FLC. ..................................................................... 44
Hình 3.15: Lưu đồ giải thuật thuật toán FLC. ..................................................... 44
Hình 3.16: Mố i liên hê ̣ giữa đô ̣ rô ̣ng xung D và biế n đầ u vào dP/dV ................ 45
Hình 3.17: Mô tả các hàn thành vi ên. (a) hàm thành viên của biến đầu vào E , (b)
hàm thành viên của biến đầu vào CE, (c) hàm thành viên của biến đầu ra D ..... 47
Hình 3.18: Sơ đồ hệ thống FLC trong simulink matlab ....................................... 53
Hình 4.1: Mô hình pin mặt trời kết nối với giải thuật P&O ................................. 54
Hình 4.2: Bức xạ mặt trời biế n đổ i theo thời gian. .............................................. 55
Hình 4.3: Dòng điện pin quang điê ̣n thu đươ ̣c với các bức xạ tương ứng ........... 55
Hình 4.4: Điện áp pin mặt trời với các bức xạ tương ứng ................................... 56
Hình 4.5: Công suất thu được khi sử dụng bộ MPPT .......................................... 56

Hình 4.6: Mô hình bộ MPPT dùng phương pháp FLC trong simulink Matlab. .. 57

GVHD: TS. Trương Viê ̣t Anh

xi

HVTH: Trầ n Văn Lưu


LVTN

Danh Sách Các Hình.

Hình 4.7: khố i đo lường thông số đầ u vào ................................................................ 57

Hình 4.8: Mô hiǹ h vâ ̣t lý của khố i đo lường thông số đầ u vào ............................ 58
Hình 4.9: Khố i cấ u trúc của logic mờ trong toolbox matlab. ................................... 59

Hình 4.10: Bô ̣ soa ̣n thảo ANFIS Editor trong simulink matlab .......................... 60
Hình 4.11: Bảng quy tắc mờ trong simulink Matlab. .......................................... 60
Hình 4.12: Bô ̣ quan sát luâ ̣t trong simulink matlab. ........................................... 61
Hình 4.13: Bô ̣ chuyể n đổ i từ đô ̣ rô ̣ng xung sang V ref. ......................................... 61
Hình 4.14. Mô hiǹ h vâ ̣t lý bô ̣ chuyể n đổ i từ đô ̣ rông xung sang V ref................... 62
Hình 4.15: Bộ phận so sánh hai giải thuật ........................................................... 62
Hình 4.16: Điê ̣n áp thu đươ ̣c theo thời gian của phương pháp FLC .................... 63
Hình 4.17: Dòng điện thu được theo thời gian của phương pháp FLC. .............. 63
Hình 4.18: Công suấ t thu đươ ̣c theo thời gian của phương pháp FLC. ............... 64
Hình 4.19: Mô phỏng phương pháp P&O và FLC trong Matlab ......................... 64
Hình 4.20: Dò tìm điểm cực đại của phương pháp P&O và FLC ........................ 65
Hình 4.21: Tín hiệu điện áp ngõ ra của P&O và FLC ......................................... 66

Hình 4.22: Tín hiệu điện dòng điện ngõ ra của P&O và FLC ............................. 67
Hình 4.23: Tín hiệu công suấ ngõ ra của P&O và FLC ....................................... 67
Hình 5.1: Đồ thị P_V khi nhiê ̣t đô ̣ và cường đô ̣ bức xa ̣ thay đổ i ......................... 70
Hình 5.2: Phân vùng làm viê ̣c theo điê ̣n áp ......................................................... 71

GVHD: TS. Trương Viê ̣t Anh

xii

HVTH: Trầ n Văn Lưu


LVTN

Danh Sách Các Hình.

LỜI MỞ ĐẦU
Nguồ n cung năng lươ ̣ng ngày càng ca ̣n kiê ̣t , giá năng lượng ngày càng tăng
cao trong khi nhu cầ u về năng lươ ̣ng này càng tăng , sự phát triển năng lượng tái tạo
sẽ giữ vai trò quan trọng trong tương lai gần như là nguồn năng lượng thay thế và
đóng vai trò chủ đa ̣o trong sự phát triể n của loài người . Những lý do chính của sự
thiế t hu ̣t năng lươ ̣ng là do sự gia tăng của nhu cầu năng lượng dân số và tăng trưởng
kinh tế. lấ y ví du ̣ về mứ c tăng đan số ở mô ̣t nước trung bình như ở Indonesia , với
mức tăng trưởng dân số khoảng

1,05% mỗi năm và nền kinh tế tăng trưởng mỗi

năm là 6,49%, dự đoán rằng năng lượng tiêu thụ sẽ tăng lên nhanh chóng với tốc độ
tăng trưởng 5,94%. Tình trạng tương tự cũng xảy ra ở các nước khác như ở Viê ̣t
Nam. [1]

Tầm quan trọng của phát triển năng lượng tái tạo cũng bị đẩy lên bởi sự gia
tăng nhận thức của người dân về vấn đề môi trường. Trên thực tế , có một nguồ n
năng lượng thay thế hứa hẹn tiềm năng tuyệt vời để cung cấp cung cấp năng lượng
là năng lượng hạt nhân với công nghê ̣ tương đố i đơn giản và chi phí thấ p . Nhưng nó
vẫn là một tranh cãi để sử dụng loại nguồn năng lượng, bởi vì ảnh hưởng của nó đến
môi trường và vấ n đề an ninh . Vì vậy, năng lượng tái tạo là sự lựa chọn tốt nhất bởi
vì nó được coi như nguồn năng lượng xanh thân thiện với môi trường hơn.
Tuy nhiên, hiện tại viê ̣c sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo trong nước hầu
hết là vẫn còn thấp hơn rấ t nhiề u so với tiềm năng thực tế của Viê ̣t Nam . Trong số
các nguồn năng lượng tái tạo thì nă ng lượng mặt trời có tiềm năng rất lớn để được
sử dụng. Trong khi viê ̣c đổ i mới về mă ̣t công nghê ̣ chế ta ̣o nhằ m xản xuấ t các tấ m
pin quang điê ̣n với khả năng sản xuấ t đươ c̣ nhiề u điê ̣n năng hơn đang gă ̣p nhiề u khó
khăn thì viê ̣c đươ ̣c quan tâm hơn hế t đó là tố i ưu hóa công suấ t chuyể n đổ i trên hê ̣
thố ng quang điê ̣n nhằ m chiế t suấ t tố i đa năng lươ ̣ng trên các tấ m pin thu đươ ̣c

GVHD: TS. Trương Viê ̣t Anh

1

HVTH: Trầ n Văn Lưu

.


Chương 1. Tổng Quan.

LVTN

Chƣơng 1

TỔNG QUAN
1.1 . Tổ ng quan về năng lƣơ ̣ng quang điêṇ
1.1.1. Cấ u trúc của mă ̣t trời
Mặt trời là một quả khí cầu ở cách trái đất 149 triệu ki lô mét. Đường kính của
mặt trời là 1,4 triệu ki lô mét. Tức là bằng 109 lần đường kính của trái đất do đó thể
tích của mặt trời lớn hơn trái đất là 1,3 triệu lần. Từ định luật hấp dẫn ta tinhd được
khối lượng của mặt trời 1,989.1027 tấn. lớn hơn khối lượng của trái đất 33x 104 lần
khối lượng riêng của mặt trời là 1,4 g/cm3 lớn hơn khối lượng riêng của nước là
1g/cm3. Tuy nhiên mật độ ở các lớp vỏ của mặt trời khác nhau theo vùng ở lớp lõi
của mặt trời do bị nen với áp suất cao nên khối lượng riêng của lõi lên tới 160 g/cm3
cùng ra phí ngoài thì khối lượng riêng giảm dần.
Một cách khái quát có thể chia mặt trời thành hai thành phần chính :
+ Phần khí quyển ngoài gồm 3 miền: quang cầu, sắc cầu và nhật miện.
+ Phần bên trong có thể chia làm 3 lớp: tầng đối lưu, tầng trung gian và lõi
mặt trời.
Nhìn từ trái đất nhìn lên ta có cảm giác mặt trời như một quả cầu lủa ổn định.
Nhưng thực tế bên trong mặt trời luôn có sự vận động mạnh mẽ không ngừng, sự ẩn
hiện của các đám mây đen sự biến đổi của quần sang và sự biến đổi dữ dội của khu
vực xung quanh các đám mây đen là băng chứng về sự vận động không ngừng trong
lòng mặt trời. Kính thiên văn có thể quan sát được cấu trúc hạt.hiện tựng vật thể
hình kim, hiện tượng phụt khói, phát sang xung quanh luôn thay đổi và rất dữ dội.

GVHD: TS. Trương Viê ̣t Anh

2

HVTH: Trầ n Văn Lưu


Chương 1. Tổng Quan.

LVTN

Hình 1.1: Cấu trúc của mặt trời.[2]
1.1.2. Năng lƣợng của mặt trời
Năng lượng khổng lồ từ mặt trời được xác định là sản phẩm của các phản ứng
nhiệt hạt nhân. Theo thuyết tương đối của Eintein và qua phản ứng nhiệt hạt nhân
khối lượng có thể chuyển thàng năng lượng. nhiệt độ bên ngoài của mặt trời khoảng
6000 độ K. còn bên trong mặt trời nhiệt độ có thể lên tới hang triệu độ.áp suất bên
trong mặt trời cao hơn 34 x 109 MPa. Do nhiệt độ và áp suất cao như vậy nên vật
chất nhanh chóng bị ion hóa và chuyển động với năng lượng rất lớn. chúng va chạm
vào nhau gây ra hang loạt các phản ứng hạt nhân. nguồn năng lượng mặt trời chủ
yế u do hai loại phản ứng hạt nhân gây ra:
+ Phản ứng tuần hoàn giữa các hạt nhân cacsbon (C) và ni tơ (N).
+ Phản ứng hạt nhân proton- proton.
Bức xạ mặt trời có bản chất là song điện từ , là quá trình truyền các dao động
điện từ trong không gian. Trong quá trình truyền song các vector cường độ điện
trường và cường độ từ trường luôn vuông góc với nhau và vuông góc với phương

GVHD: TS. Trương Viê ̣t Anh

3

HVTH: Trầ n Văn Lưu


Chương 1. Tổng Quan.

LVTN

truyền song điện từ, quãng đường mà song điện từ truyền được sau một chu kỳ dao
động điện từ được gọi là bước sóng lamđa λ trong chân không vạn tốc truyền sóng
điện từ gần đúng bằng 3.108 m/s còn trong mội trường vật chất vận tốc truyền song
nhỏ hơn và v=c/n. Trong đó n được gọi là môi trường chiết xuất tuyệt đối. Với n ≥1
các song điện từ có bước sóng trải dài trong phạm vi rộng từ 10-7 nm (nanomet) đến
hàng ngàn ki lô mét.
Ánh sáng nhìn tấy có bước sóng từ 0,4μm đến 0,8μm. Chỉ chiếm một phần rất
nhỏ của phổ sóng điện từ của bức xạ mặt trời. cần chú ý rằng mặc dù có cùng bản
chất là sóng điện từ nhưng các loại sóng có bước sóng λ khác nhau thì gây nên các
tác dụng lý,hóa, sinh học khác nhau.nói riêng các vùng phổ nhìn thấy được. sự khác
nhau về bước sóng gây ra các cảm giác màu sắc khác nhau của ánh sáng. khi đi từ
bước sóng λ= 0,8μm đến giới hạn bước sóng ngắn λ= 0,4μm. Ta nhận thấy màu sắc
của ánh sáng thay đổi lien tục từ màu đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím. Mắt người
nhạy cảm nhất với ánh sáng màu vàng có bước sóng λ= 0,58μm. Sự phân bố năng
lượng đối với các bước sóng khác nhau cũng khác nhau. Từ bảng 1.1 cho thấy mối
quan hệ giữa mật độ năng lượng của bức xạ điện từ phụ thuộc và bước sóng của
nó.Từ bảng 1.1 ta thấy rằng mật độ năng lượng bức xạ mặt trời chủ yêu phân bố ở
trong dải bước sóng λ= 0,2 μm ( tử ngoại C, tỷ lệ mật độ năng lượng 0,57%) đến
λ= 0,3 μm (hồng ngoại, tỷ lệ mật độ năng lượng 1,93%). Còn ngoài vùng đó ra mật
độ năng lượng không đáng kể.
Khi bức xạ mặt trời đi qua tầng khí quyển bao quanh trái đất nó bị các phần tử
khí, các hạt bụi hấp thụ hoặc bị làm tán xạ nên phổ và năng lượng mặt trời khi đến
trái đất bị giảm đáng kể.

GVHD: TS. Trương Viê ̣t Anh

4

HVTH: Trầ n Văn Lưu

Chương 1. Tổng Quan.

LVTN

Bảng 1.1: Phân bố phổ bức xạ mặt trời theo hướng bước sóng λ. [2]
Quang phổ

Bƣớc sóng

Mật độ năng lƣợng (W/m 2 )

Tỷ lệ %

Tia vũ trụ

< 1 nm

6,978.10 5

Tia x

0,1 nm

6,978.10 7

Tia tử ngoại C

0,2 ÷ 0,28 µm

7,864.10 6

0,57

Tia tử ngoại B

0,28 ÷ 0,32 µm

2,122.10 1

1,55

Tia tử ngoại A

0,32 ÷ 0,4 µm

8,073.10 1

5,90

0,4 ÷ 0,52 µm

2,24.10 2

16,39

0,52 ÷ 0,62 µm

1,827.10 2

13,36

0,62 ÷ 0,78 µm

2,280.10 2

16,68

0,78 ÷1,4 µm

4,125.102

30,18

1,4 ÷3 µm

1,836.102

13,43

3 ÷100 µm

2,637.101

1,93

0,1 ÷10 cm

6,987.10-9

10 ÷100 cm

6,987.10-10

1 ÷ 20 cm

6,987.10-9

Tia nhìn thấy

Tia hồng ngoại

Sóng vô tuyến
điện

1.1.3. Các ứng dụng của năng lƣơ ̣ng mă ̣t trời
Trong những năm gầ n đây ứng dụng năng lượng quang điện

(PV -

photovoltatic) đã tăng lên đáng kể, nguyên nhân chủ yếu là do sự suy giảm nhanh
chóng nguồn tài nguyên năng lượng truyền thống như dầ u khí , than đá… trong khi
nhu cầ u về năng lươ ̣ng thì ngày càng tăng lên .
Thị trường tiêu thụ năng lượng ở một số nước và toàn thế giới có thể được
nhìn thấy trong bảng 1.2 và cũng có thể hình 1.2 .

GVHD: TS. Trương Viê ̣t Anh

5

HVTH: Trầ n Văn Lưu


Chương 1. Tổng Quan.

LVTN

Bảng 1.2: Thị trường tiêu thụ năng lượng Thế giới 2006-2030 (nghìn triệu triệu
BTU. [35]

Lưu ý: Tổng số có thể không bằng tổng của các thành phần do làm tròn độc
lập. Nguồn: Cục Quản lýThông tin Năng lượng (EIA), Năng lượng quốc tế hàng
năm 2006 (tháng sáu-tháng 12 năm 2008). Dự báo: đánh giá tác động môi trường,
Năng lượng Thế giới Dự Plus (2009).

GVHD: TS. Trương Viê ̣t Anh

6

HVTH: Trầ n Văn Lưu


Chương 1. Tổng Quan.

LVTN

Hình 1.2: Tổng số năng lượng tiêu thụ thế giới vào năm 1980 - 2030.
Nguồ n: Energy Information Administration (EIA) 2009.[35]
Để bù đắ p la ̣i sự thiế u hu ̣t năng lươ ̣ng này Quang điện được coi như là một
nguồ n năng lươ ̣ng thay thế tiề m năng ở nhiều quố c gia nhờ cường đô ̣ bức xa ̣ mă ̣t

trời cao và số giờ nắ ng trong năm nhiề u . Các công nghệ khai thá c hệ thống quang
điện cũng được mở rô ̣ng nhanh chóng với vai trò ngày càng tăng nhằ m cung cấp các
nguồn năng lươ ̣ng không gây ô nhiễm, giá rẻ và an toàn. Các ứng dụng của hê ̣ thố ng
quang điê ̣n bao gồm bơm nước , hê ̣ thố ng lạnh và lưu trữ vắc -xin, điều hòa nhiệt độ,
ánh sáng, xe điện, nhà máy điện PV, quân sự và các ứng dụng không gian …

(a) Bơm NLMT

GVHD: TS. Trương Viê ̣t Anh

(b) Đèn giao thông NLMT

7

HVTH: Trầ n Văn Lưu