tối ưu hóa công suất hệ thống pin mặt trời

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LÊ NGỌC PHƯƠNG BÌNH

TỐI ƯU HÓA CÔNG SUẤT HỆ THỐNG
PIN MẶT TRỜI
S

K

C

0

0

3

9

5

9

NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250

S KC 0 0 3 9 8 0

Tp. Hồ Chí Minh, 2013


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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LÊ NGỌC PHƯƠNG BÌNH

TỐI ƯU HÓA CÔNG SUẤT HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI

NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2013


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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LÊ NGỌC PHƯƠNG BÌNH

TỐI ƯU HÓA CÔNG SUẤT HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI

NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250
Hướng dẫn khoa học:
TS. NGUYỄN THANH PHƯƠNG

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2013


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

LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:
Họ & tên: Lê Ngọc Phương Bình
Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 10/10/1984
Nơi sinh: Đồng Nai
Quê quán: Bình Dương
Dân tộc: Kinh
Chức vụ, đơn vị công tác trước khi học tập, nghiên cứu: Chuyên viên – Sở Khoa học
& Công nghệ tỉnh Đồng Nai
Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Sở Khoa học & Công nghệ tỉnh Đồng Nai
1597 Phạm Văn Thuận, P. Thống Nhất, Tp. Biên Hòa, T. Đồng Nai
Điện thoại cơ quan: (061) 3825565
Điện thoại nhà riêng: 0986740494
Fax: (061) 3817350
E-mail:
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính quy
Thời gian đào tạo từ 09/2003 đến 05/2008
Nơi học: Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh.
Ngành học: Điện Công nghiệp
Tên luận án tốt nghiệp: Thiết kế dây chuyền đóng chai tự động

Ngày & nơi bảo vệ luận án tốt nghiệp: Tháng 03/2008
Người hướng dẫn: Th.S Võ Thị Ánh Tuyết
2. Thạc sĩ:
Hệ đào tạo: Chính quy
Thời gian đào tạo từ 05/2011 đến 05/2013
Nơi học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh
Ngành học: Thiết bị, mạng và nhà máy điện
Tên luận văn: Tối ưu hóa Công suất hệ thống pin mặt trời
Ngày & nơi bảo vệ luận văn: Tháng 05/2013, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.
Hồ Chí Minh
Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thanh Phương
3. Trình độ ngoại ngữ: Anh văn B1
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI
HỌC:


Thời gian
Từ 08/2008 đến nay

Nơi công tác
Sở Khoa học & Công nghệ Đồng Nai

Công việc đảm nhiệm
Chuyên viên

IV. CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ:

XÁC NHẬN CỦA CƠ QUAN CỬ ĐI HỌC
(Ký tên, đóng dấu)

Ngày
tháng năm 2013
Ngƣời khai ký tên

Lê Ngọc Phƣơng Bình


Lý lịch khoa học

LVTN

LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC.
Họ và tên: Lê Ngọc Phương Bình

Giới tính: Nam.

Ngày, tháng, năm sinh: 10/10/1984

Nơi sinh: Đồng Nai.

Quê quán: Bình Dương

Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 107/6, đường 30/4, phường Trung Dũng,
TP. Biên Hòa, tỉnh Đồng Nai.
Điện thoại: 0986740494.

E-mail:

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

Thời gian đào tạo: 2003 đến 2008.

Trường Đại Học Công nghiệp TP. Hồ Chí Minh.
Ngành học: Điê ̣n công nhiê ̣p.
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC.
Thời gian

08/2008-nay

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.


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, ngày 08 tháng 03 năm 2013
Người cam đoan

Lê Ngọc Phương Bình

GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương

VI

HVTH: Lê Ngọc Phương Bình


Lời cảm ơn

LVTN

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn thầy TS. Nguyễn Thanh Phương 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.
Và cuối cùng, xin chân thành cảm ơn gia đình người thân và các 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, 03/2013

Lê Ngọc Phương Bình

GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương

VI

HVTH: Lê Ngọc Phương Bình


Lời cảm ơn

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 tì m điể m cực đa ̣i (MPPT) là phương pháp được sử
dụng để tối đa hóa sản lượng 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 l oạn 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. Nguyễn Thanh Phương

VI

HVTH: Lê Ngọc Phương Bình


LVTN

Abstract

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. Nguyễn Thanh Phương

VI

HVTH: Lê Ngọc Phương Bình


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 ...................................................................vii
DANH SÁCH CÁC BẢNG ................................................................................... viii
DANH SÁCH CÁC HÌNH....................................................................................... ix
LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 1
Chƣơng 1: TỔNG QUAN .........................................................................................2
1.1. Tổ ng quan về năng lƣơ ̣ng quang điêṇ ..............................................................2
1.1.1. Cấ u trúc của mă ̣t trời .....................................................................................2
1.1.2. Năng lượng của mặt trời ................................................................................3
1.1.3. Các ứng dụng của năng lượng mặt trời .........................................................5
1.1.4. Tiề m năng năng lươ ̣ng mă ̣t trời ở Viê ̣t Nam ..................................................8
1.1.5 . Các phương pháp dò tìm điểm cực đại đang được áp dụng .......................10
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 THUYÊT...........................................................................13
2.1. Pin quang điện ..................................................................................................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
GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương

VI

HVTH: Lê Ngọc Phương Bình


Mục lục

LVTN

2.2. Hệ thống pin mặt trời tập trung .....................................................................18
2.2.1. Bộ phận quang học ......................................................................................19
2.2.2. Hệ số hội tụ ..................................................................................................20
2.2.3. Dàn xoay ......................................................................................................20
2.2.4. Tế bào quang điện .......................................................................................20
2.3. Lý do phải dò tìm điểm làm việc cực đại .......................................................21
2.4. Mô hin
̀ h toán của bô ̣ chuyể n đổ i DC-DC .......................................................25
2.4.1. Mạch giảm điện thế (Buck Converter) ........................................................26
2.4.2. Mạch boot converter ....................................................................................29
2.4.3. Tính toán lựa chọn giá trị của bộ chuyển đổi boost trong matlab ...............31
Chƣơng 3:NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TỰ ĐỊNH HƢỚNG PIN MẶT TRỜI34
3.1. Các hệ thống tự động điều khiển định hƣớng pin mặt trời .........................34

3.1.1 Hệ thống tự định hướng có một trục đơn nằm ngang ..................................34
3.1.2 Hệ thống tự định hướng với một trục đơn dọc .............................................36
3.1.3 Hệ thống tự định hướng với hai trục xoay ...................................................37
3.2.Nghiên cứu thiết kế sơ đồ nguyên lý hệ thống pin mặt trời tự định hƣớng 38
3.2.1. Lựa chọn phương án thiết kế .......................................................................38
3.2.2 Sơ đồ thiết kế của hệ thống ..........................................................................39
3.2.3. Nguyên lý hoạt động của hệ thống: .............................................................40
Chƣơng 4: PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MỜ ................................................ 41
4.1.Lý thuyết mờ: ....................................................................................................41
4.1.1. Khái niệm cơ bản về điều khiển mờ: ...........................................................41
4.1.2. Định nghĩa tập mờ: ......................................................................................42
4.1.3. Các thuật ngữ trong logic mờ : ....................................................................42
4.1.4. Biến ngôn ngữ: ............................................................................................44
4.1.5. Các phép toán trên tập mờ: ..........................................................................46
4.1.6. Luật hợp thành : ...........................................................................................46
4.1.7.Giải mờ: ........................................................................................................59
4.1.8.Mô hình mờ Tagaki-Sugeno :.......................................................................61

GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương

VI

HVTH: Lê Ngọc Phương Bình


Mục lục

LVTN

4.2. Điều khiển mờ trực tiếp: .................................................................................64

4.2.1. Cấu trúc bộ điều khiển mờ trực tiếp: ...........................................................64
4.2.2. Thiết kế bộ điều khiển mờ trực tiếp dựa vào kinh nghiệm chuyên gia .......65
4.3.Điều khiển PID mờ : .........................................................................................67
4.3.1. Điều khiển PID mờ dùng hệ qui tắc Mamdani: ...........................................67
4.3.2. Điều khiển PID mờ dùng hệ qui tắc Sugeno : .............................................71
4.3.3. Điều khiển hệ MIMO : ................................................................................72
Chƣơng 5:NGHIÊN CỨU CÁC PHƢƠNG PHÁP DÕ TÌM ĐIỂM CỰC ĐẠI 72
5.1. Mô hình mô phỏng hê ̣thố ng điêṇ pin mă ̣t trời trong matlab/Simulink .....72
5.2. Các phƣơng phƣơng pháp dò tìm điểm cực đại của hệ thống pin quang
điên............................................................................................................................75
̣
5.2.1 Tìm điểm làm việc cực đại của pin mặt trời bằ ng phương pháp P &O ........75
5.2.2. Phương pháp InC (Incremental Conductance) ............................................78
5.2.3. Phương pháp sử du ̣ng điê ̣n dung ký sinh (parasitic capacitance) ...............80
5.2.4. Phương pháp điề u khiể n điê ̣n áp .................................................................80
Chƣơng 6: SỬ DỤNG LOGIC MỜ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƢU CÔNG SUẤT ..... 83
6.1. Phƣơng pháp logic mờ .....................................................................................83
6.2. Luâ ̣t điề u khiể n mờ ..........................................................................................89
6.3. Giải mờ ..............................................................................................................93
Chƣơng 7: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG...................................................................... 94
7.1. Mô hin
̀ h mô phỏng hê ̣thố ng quang điêṇ sƣ̉ du ̣ng phƣơng pháp P&O trong
Matlab/ Simulink.....................................................................................................94
7.1.1. Mô hiǹ h mô phỏng ......................................................................................94
7.1.2 Kết quả mô phỏng ........................................................................................95
7.2. Mô hin
̀ h mô phỏng hê ̣thố ng quang điêṇ sƣ̉ du ̣ng phƣơng pháp FLC trong
Matlab/ Simulink.....................................................................................................97
7.2.1. Mô hiǹ h mô phỏng ......................................................................................97
7.2.2 Kết quả mô phỏng phương pháp FLC: .........................................................98

7.2.3. So sánh phương pháp P&O và FLC: ........................................................ 100

GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương

VI

HVTH: Lê Ngọc Phương Bình


Mục lục

LVTN

Chƣơng 8: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................... 105
8.1. Kết luận ....................................................................................................... 105
8.2. Hạn chế ........................................................................................................ 105
8.3. Kiến nghị và hướng phát triển đề tài ........................................................... 106
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................107

GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương

VI

HVTH: Lê Ngọc Phương Bình


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 ít.
ZE (zero): Bằ ng không.
PS (positive small): Dương ít.
PB (positive big): Dương nhiề u.

GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương

VI

HVTH: Lê Ngọc Phương Bình


Danh sách các bảng

LVTN

DANH SÁCH CÁC BẢNG
Trang

Bảng 1.1: Phân bố phổ bức ạ mặt trời theo hướng bước sóng  ................................. 5
Bảng 1.2: Thị trường tiêu thụ năng lượng Thế giới 2006 – 2030 ............................... 6
Bảng 4.1: Xác định hàm thuộcµB’(y) theo quy tắc hợp thành MIN ....................... 54
Bảng 4.2: Xác định hàm thuộc theo luật giao ........................................................... 56
Bảng 6.1: Bảng chọn tỷ số D của FLC ..................................................................... 90

GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương

VI

HVTH: Lê Ngọc Phương Bình


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: Một số ứng dụng của pin mặt 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: Cấu tạo đơn giản của pin quang điện ................................................... 13
Hình 2.2: Thiết kế tiêu biểu của một cell quang điện .......................................... 14
Hình 2.3: Mạch điện tương đương của pin quang điện ....................................... 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: Nguyên lý làm việc của pin CPV ......................................................... 19
Hình 2.9: Nguyên lý làm việc sử dụng gương phản xạ........................................ 19
Hình 2.10: Dàn xoay dạng một trục và hai trục ................................................... 20
Hình 2.11: Lộ trình hiệu suất tế bào quang điện theo các năm ............................ 21
Hình 2.12: Đặc tuyến U_I và P_I của pin mặt trời khi cường độ bức xạ và nhiệt độ
không đổi .............................................................................................................. 21
Hình 2.13: Các điểm làm việc của pin quang điện khi có tải .............................. 22
Hình 2.14: Sơ đồ khối đơn giản của bộ MPPT .................................................... 23
Hình 2.15: Mối quan hệ giữa công suất (P) và chu kỳ D ..................................... 24
Hình 2.16: Mối quan hệ của điện trở đầu vào và chu kỳ nhiệm vụ D ................. 25
Hình 2.17: a) bộ giảm áp ; b) bộ tăng áp ; c) bộ giảm tăng áp ............................. 26

GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương

VI

HVTH: Lê Ngọc Phương Bình


LVTN

Danh sách các hình

Hình 2.18: Mạch cơ bản của bộ hạ thế DC – DC ............................................... 27
Hình 2.19: Các mạch điện của bộ hạ thế DC – DC khi G đóng (a) và mở (b) ... 27
Hình 2.20: Điện áp và sự thay đổi dòng điện ....................................................... 28
Hình 2.21: Mạch cơ bản của bộ tăng thế ............................................................. 29
Hình 2.22: Mạch điện của bộ tăng thế DC – DC khi G đóng và mở ................... 30

Hình 2.23: Giản đồ điện áp và dòng điện trong bộ tăng thế ................................ 31
Hình 2.24: Bộ chuyển đổi Boost trong Simulink ................................................. 31
Hình 3.1: Kết cấu của hệ thống định hướng có 1 trục nằm ngang ...................... 34
Hình 3.2: Hệ thống GC200 của hãng RayTracer được lắp đặt tại California ...... 35
Hình 3.3: Hệ thống Wattsun HZ – Series của Hàn Quốc .................................... 35
Hình 3.4: Hệ thống tự định hướng với một trục đơn dọc .................................... 36
Hình 3.5: Hệ thống tự định hướng một trục đơn dọc được sử dụng ở Ba Lan .... 36
Hình 3.6: Hệ thống định hướng một trục chính nằm ngang, trục thứ cấp nghiêng
một góc ở Toledo, Tây Ban Nha .......................................................................... 37
Hình 3.7: Kiểu hai trục nghiêng xoay theo Phương vị và Cao độ ....................... 38
Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý hệ thống .................................................................... 39
Hình 3.9: Bản vẽ thiết kế của hệ thống ................................................................ 39
Hình 4.1: Biểu đồ hàm liên thuộc ........................................................................ 42
Hình 4.2: Biểu đồ các dạng hàm liên thuộc ......................................................... 43
Hình 4.3: Biểu diễn hàm liên thuộc ..................................................................... 44
Hình 4.4: Biểu diễn hàm thuộc theo quy tắc hợp thành min ............................... 50
Hình 4.5: Biễu diễn hàm thuộc theo quy tắc hợp thành PROD ........................... 50
Hình 4.6: Luật hợp thành Max – Min .................................................................. 53
Hình 4.7: Luật hợp thành Max – Prod ................................................................. 55
Hình 4.8: Luật hợp thành trên cấu trúc Miso ....................................................... 56
Hình 4.9: Luật hợp thành Max – Min có hai mệnh đề ......................................... 57
Hình 4.10: Hàm thuộc theo mệnh đề 1 ................................................................ 58
Hình 4.11: Hàm thuộc theo mệnh đề 2 ................................................................ 58
Hình 4.12: Phép hợp hai mệnh đề theo qui tắc Max – Min ................................. 58

GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương

VI

HVTH: Lê Ngọc Phương Bình

LVTN

Danh sách các hình

Hình 4.13: Biểu đồ hàm liên thuộc ...................................................................... 59
Hình 4.14: Sơ đồ hàm liên thuộc hình thang ....................................................... 60
Hình 4.15: Hàm liên thuộc 2 biến ........................................................................ 62
Hình 4.16: Sơ đồ khối bộ điều khiển mờ ............................................................. 62
Hình 4.17: Sơ đồ chức năng bộ điều khiển mờ .................................................... 63
Hình 4.18: Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển mờ .................................................... 63
Hình 4.19: Bộ điều khiển mờ cơ bản ................................................................... 64
Hình 4.20: Bộ điều khiển PD mờ dùng hệ quy tắc Mamdani .............................. 67
Hình 4.21: Bộ điều khiển PI mờ dùng hệ quy tắc Mamdani................................ 68
Hình 4.22: Bộ điều khiển PID mờ dùng hệ quy tắc Mamdani ............................. 69
Hình 4.23: Bộ điều khiển PID mờ gồm bộ điều khiển PD mờ và PI mờ ghép
song song ............................................................................................................. 69
Hình 4.24: Bộ điều khiển PID mờ dùng hệ quy tắc Sugeno ................................ 71
Hình 5.1: Mô hình hệ thống quang điện được xây dựng trong Matlab/Simulink 72
Hình 5.2: Mô hình pin quang điện thu gọn xây dựng trong Matlab/Simulink .... 73
Hình 5.3: Bảng thông số đầu vào của pin mặt trời............................................... 74
Hình 5.4: Đặc tuyến I – V với các bức xạ khác nhau ( Nhiệt độ pin 250C) ......... 74
Hình 5.5: Đặc tuyến P – V với các bức xạ khác nhau ( Nhiệt độ pin 250C) ........ 75
Hình 5.6: Đặc tuyến I – V với nhiệt độ vận hành khác nhau ( bức xạ 1kW/m2) . 75
Hình 5.7: Đặc tính của pin quang điện ................................................................. 76
Hình 5.8: Giải thuật P & O................................................................................... 76
Hình 5.9: Điểm dP/dV trong đồ thị P – V của pin quang điện ............................ 78
Hình 5.10: Lưu đồ giải thuật cho phương pháp InC ............................................ 79
Hình 5.11: Giá trị thực tế của hệ số k .................................................................. 81

Hình 5.12: Bức xạ mặt trời và nhiệt độ môi trường một ngày tiêu biểu .............. 81
Hình 5.13: Giải thuật đề xuất ............................................................................... 82
Hình 6.1: Lưu đồ giải thuật thuật toán FLC ......................................................... 83
Hình 6.2: Sơ đồ khối của bộ FLC ........................................................................ 84
Hình 6.3: Mối liên hệ giữa độ rộng xung D và biến đầu vào dP/dV ................... 85

GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương

VI

HVTH: Lê Ngọc Phương Bình


LVTN

Danh sách các hình

Hình 6.4: Mô tả các hàm thành viên.(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...... 86
Hình 6.5: Hoạt động của luật điều khiển mờ ....................................................... 92
Hình 6.6: Sơ đồ hệ thống FLC trong Matlab/ Simulink ...................................... 93
Hình 7.1: Mô hình bộ MPPT phương pháp PO ................................................... 94
Hình 7.2: Mô hình bộ DC – DC Boost ................................................................ 94
Hình 7.3: Bức xạ mặt trời biến đổi theo thời gian ............................................... 95
Hình 7.4: Dòng điện pin quang điện thu được với các bức xạ tương ứng ........... 95
Hình 7.5: Điện áp pin mặt trời với các bức xạ tương ứng ................................... 95
Hình 7.6: Công suất thu được khi sử dụng bộ MPPT .......................................... 96
Hình 7.7: Mô hình bộ MPPT FLC ....................................................................... 97
Hình 7.8: Mô hình bộ DC – DC Boost ................................................................ 97
Hình 7.9: Mô hình bộ Fuzzy ................................................................................ 97

Hình 7.10: Dòng điện, điện áp và công suất của PV ........................................... 98
Hình 7.11: Đáp ứng điện áp, dòng điện và công suất theo phương pháp FLC .... 99
Hình 7.12: Mô hình bộ MPPT dùng phương pháp P & O và phương pháp FLC
Trong Matlab/ Simulink ..................................................................................... 100
Hình 7.13: Cường độ bức xạ của năng lượng mặt trời ...................................... 100
Hình 7.14: Dòng điện, điện áp và công suất của PV ......................................... 101
Hình 7.15: Dò tìm điểm cực đại của phương pháp P & O và FLC .................... 102
Hình 7.16: Tín hiệu điện áp ngõ ra của P & O và FLC ..................................... 103
Hình 7.17: Tín hiệu điện dòng điện ngõ ra của P & O và FLC ......................... 103
Hình 7.18: Tín hiệu công suất ngõ ra của P & O và FLC .................................. 104

GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương

VI

HVTH: Lê Ngọc Phương Bình


Lời mở đầu

LVTN

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 n hu cầu năng lượng dân số và tăng trưởng
kinh tế. lấ y ví du ̣ về mức tăng đan số ở mô ̣t nước trung bình như ở Indonesia
mức tăng trưởng dân số khoảng

, với

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 tạ o 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 ̣c 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
GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương

năng lươ ̣n g trên các tấ m pin thu đươ ̣c .
1

HVTH: Lê Ngọc Phương Bình

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. Nguyễn Thanh Phương

2

HVTH: Lê Ngọc Phương Bình


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 cacbon (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

GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương

3

HVTH: Lê Ngọc Phương Bình

Chương 1.Tổng quan

LVTN

trường và cường độ từ trường luôn vuông góc với nhau và vuông góc với phương
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. Nguyễn Thanh Phương

4

HVTH: Lê Ngọc Phương Bình


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. Nguyễn Thanh Phương

5

HVTH: Lê Ngọc Phương Bình