Nghiên cứu điều khiển bám điểm công suất cực đại của một hệ pin mặt trời

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

---------------------------

NGUYỄN DUY AN

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐIỂM CÔNG
SUẤT CỰC ĐẠI CỦA MỘT HỆ PIN MẶT TRỜI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

---------------------------

NGUYỄN DUY AN

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐIỂM CÔNG
SUẤT CỰC ĐẠI CỦA MỘT HỆ PIN MẶT TRỜI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. HUỲNH CHÂU DUY
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2016

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : ……………………………………….
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM
ngày … tháng … năm …
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)

TT
1
2
3
4
5

Họ và tên

Chức danh Hội đồng
Chủ tịch
Phản biện 1
Phản biện 2
Ủy viên
Ủy viên, Thư ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được

sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV


TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
PHÒNG QLKH – ĐTSĐH

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
Tp.HCM, ngày......tháng........năm 20...

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: NGUYỄN DUY AN

Giới tính: NAM

Ngày, tháng, năm sinh:

Nơi sinh:

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN

MSHV:

I- Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CỦA MỘT
HỆ PIN MẶT TRỜI
II- Nhiệm vụ và nội dung:
- Tổng quan tình hình khai thác và sử dụng năng lượng điện mặt trời tại Việt Nam.
- Nghiên cứu và mô phỏng các đặc tính V-I và V-P của pin quang điện.
- Nghiên cứu và phân tích các đặc tính V-I và V-P của pin quang điện.

- Nghiên cứu thuật toán điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ pin quang
điện.
III- Ngày giao nhiệm vụ:
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ:
V- Cán bộ hướng dẫn: TS. HUỲNH CHÂU DUY
CÁN BỘ HUỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)


LỜI CAM ÐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và
kết quả nghiên cứu được trình bày trong Luận văn là trung thực và chưa từng được
ai công bố ở bất kỳ đâu.
Tôi xin cam đoan mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã được
cảm ơn.
Tôi cũng xin cam đoan các nội dung tham khảo trong Luận văn đã được trích
dẫn đầy đủ nguồn gốc.
Học viên thực hiện Luận văn

Nguyễn Duy An


LỜI CÁM ƠN
Đầu tiên, xin chân thành cám ơn TS. HUỲNH CHÂU DUY đã tận tình giúp
đỡ, đóng góp những ý kiến quý báu và hướng dẫn em thực hiện Luận văn này.
Xin cám ơn quý Thầy, Cô đã trang bị cho em các kiến thức quý báu trong
quá trình học tập giúp em đủ kiến thức để thực hiện Luận văn này.

Xin cảm ơn tập thể lớp 14SMĐ11 đã động viên và giúp đỡ em trong quá
trình thực hiện Luận văn này.
Cuối cùng, xin cám ơn Trường Đại học Công nghệ TP. HCM; Khoa Cơ Điện - Điện tử; Phòng Quản lý Khoa học - Đào tạo sau Đại học và Cơ quan nơi em
đang công tác đã tạo các điều kiện tốt nhất cho em thực hiện Luận văn này.

Nguyễn Duy An


i

Tóm tắt
Luận văn tập trung các vấn đề liên quan đến “Nghiên cứu điều khiển
bám điểm công suất cực đại của một hệ pin mặt trời” mà bao gồm các nội
dung như sau:
+ Chương 1: Giới thiệu chung
+ Chương 2: Tổng quan tình hình nghiên cứu và khai thác nguồn năng
lượng điện mặt trời
+ Chương 3: Pin quang điện
+ Chương 4: Giải thuật bám điểm công suất cực đại
+ Chương 5: Mô phỏng điều khiển bám điểm công suất cực đại của một
hệ pin mặt trời
+ Chương 6: Kết luận và hướng phát triển tương lai


ii

Abstract
The thesis presents issues relating to "Maximum power point tracking
control of solar energy systems" that includes the following contents:
+ Chapter 1: Introduction

+ Chapter 2: Literature review of the exploitation and utilization of the
solar energy source
+ Chapter 3: Photovoltaic cell
+ Chapter 4: Algorithms for maximum power point tracking
+ Chapter 5: Simulation results of a solar energy system with maximum
power point tracking
+ Chapter 6: Conclusions and future works


iii

MỤC LỤC
Tóm tắt............................................................................................................ i
Mục lục ......................................................................................................... iii
Danh sách hình vẽ ........................................................................................ vi
Danh sách bảng.............................................................................................. x
Chương 1 - Giới thiệu chung ......................................................................... 1
1.1. Giới thiệu ............................................................................................... 1
1.2. Tính cấp thiết của đề tài ........................................................................ 3
1.3. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................ 3
1.4. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................... 3
1.5. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu .......................................................... 3
1.6. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................... 4
1.7. Bố cục của luận văn ............................................................................... 4
Chương 2 - Tổng quan tình hình nghiên cứu và khai thác nguồn năng
lượng mặt trời ............................................................................................... 5
2.1. Cấu trúc mặt trời .................................................................................... 5
2.2. Quỹ đạo của trái đất quanh mặt trời ...................................................... 7
2.3. Góc cao độ của mặt trời vào buổi trưa .................................................. 8
2.4. Bức xạ mặt trời .................................................................................... 10

2.5. Ứng dụng năng lượng mặt trời ............................................................ 13
2.5.1. Pin mặt trời ....................................................................................... 14
2.5.2. Nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời ............................ 15
2.5.3. Động cơ Stirling chạy bằng năng lượng mặt trời ............................. 16
2.5.4. Thiết bị đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời ........................... 17
2.5.5. Thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí dùng năng lượng mặt trời 18
2.6. Tình hình khai thác năng lượng mặt trời tại Việt Nam ....................... 19
2.7. Tổng quan tình hình nghiên cứu .......................................................... 23


iv

Chương 3 - Pin quang điện .......................................................................... 26
3.1. Giới thiệu .............................................................................................. 26
3.2. Sơ đồ thay thế đơn giản của PV ........................................................... 28
3.3. Sơ đồ thay thế của PV có xét đến các tổn hao...................................... 29
3.4. Module PV............................................................................................ 30
3.5. Mảng PV ............................................................................................... 32
3.5.1. Nối nối tiếp nhiều module PV ........................................................... 32
3.5.2. Nối song song nhiều module PV ....................................................... 32
3.5.3. Nối hỗn hợp nhiều module PV .......................................................... 33
3.6. Các ảnh hưởng đến PV ......................................................................... 33
3.6.1. Ảnh hưởng của cường độ chiếu sáng ................................................ 33
3.6.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ .................................................................... 34
3.6.3. Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm ................................................ 35
3.7. Các hệ thống PV ứng dụng................................................................... 39
3.7.1. Hệ thống PV kết nối lưới................................................................... 39
3.7.2. Hệ thống PV độc lập ......................................................................... 40
3.7.3. Hệ thống PV kết hợp ......................................................................... 40
Chương 4 - Giải thuật bám điểm công suất cực đại .................................... 45

4.1. Giới thiệu .............................................................................................. 45
4.2. Giải thuật P&O (Perturbation & Observation) ..................................... 46
4.3. Giải thuật điện dẫn gia tăng InC (Incremental Conductance) .............. 50
4.4. Giải thuật điện áp hằng số .................................................................... 52
4.5. Đề xuất giải thuật bám điểm công suất cực đại, P&O cải tiến và sự
khác biệt so với thuật toán P&O.................................................................. 54
4.6. Phương pháp điều khiển MPPT............................................................ 57
4.6.1. Phương pháp điều khiển PI ............................................................... 57
4.6.2. Phương pháp điều khiển trực tiếp...................................................... 58
4.6.3. Phương pháp điều khiển đo trực tiếp tín hiệu ra ............................... 61
Chương 5 - Mô phỏng điều khiển bám điểm công suất cực đại của một


v

hệ pin mặt trời.............................................................................................. 62
5.1. Giới thiệu ............................................................................................. 62
5.2. Mô phỏng các đặc tính của PV ............................................................. 64
5.3. Mô phỏng và các kết quả của trường hợp bức xạ mặt trời thay đổi
chậm ............................................................................................................ 67
5.4. Mô phỏng và các kết quả của trường hợp bức xạ mặt trời thay đổi
nhanh ........................................................................................................... 70
5.5. Mô phỏng và các kết quả của trường hợp bức xạ mặt trời thay đổi
(tăng và giảm) .............................................................................................. 73
Chương 6 - Kết luận và hướng phát triển tương lai ................................... 76
Tài liệu tham khảo ...................................................................................... 78


vi

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 2.1. Cấu trúc của mặt trời
Hình 2.2. Quỹ đạo trái đất quay quanh mặt trời
Hình 2.3. Một cách nhìn quỹ đạo trái đất để dễ tính góc 
Hình 2.4. Góc cao độ mặt trời
Hình 2.5. Dải bức xạ điện từ
Hình 2.6. Góc nhìn mặt trời
Hình 2.7. Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển của
trái đất
Hình 2.8. Hệ thống pin mặt trời
Hình 2.9. Nhà máy điện mặt trời
Hình 2.10. Tháp năng lượng mặt trời
Hình 2.11. Động cơ Stirling dùng năng lượng mặt trời
Hình 2.12. Hệ thống cung cấp nước nóng dùng năng lượng mặt trời
Hình 2.13. Tủ lạnh dùng pin mặt trời
Hình 2.14. Hệ thống lạnh hấp thụ dùng năng lượng mặt trời
Hình 2.15. Hệ thống máy lạnh năng lượng mặt trời
Hình 3.1. Phổ năng lượng mặt trời
Hình 3.2. Nguyên tắc chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện
của PV
Hình 3.3. Mô hình đơn giản của PV
Hình 3.4. Sơ đồ thay thế đơn giản của PV
Hình 3.5. Các tham số quan trọng của PV: dòng điện ngắn mạch, Isc và điện áp
hở mạch, Voc
Hình 3.6. Mô hình thay thế PV có xét đến các tổn hao
Hình 3.7. Đặc tính PV có xét đến các ảnh hưởng của Rs và Rp
Hình 3.8. Module PV
Hình 3.9. Đặc tính của module PV
Hình 3.10. Các module PV được kết hợp nối tiếp với nhau

vii

Hình 3.11. Các module PV được kết hợp song song với nhau
Hình 3.12. Các module PV được kết hợp hỗn hợp với nhau
Hình 3.13. Đặc tuyến V-I của PV với các cường độ chiếu sáng khác nhau và
nhiệt độ PV không đổi, 250C
Hình 3.14. Đặc tuyến V-I của PV với các nhiệt độ khác nhau và cường độ
chiếu sáng không đổi 1 kW/m2
Hình 3.15. Module PV với n PV trong trường hợp module không bị che khuất
Hình 3.16. Module PV với n PV trong trường hợp module bị che khuất một
phần
Hình 3.17. Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm đối với module PV
Hình 3.18. Module PV với nhiều PV bị che khuất
Hình 3.19. Module PV sử dụng diode bypass
Hình 3.20. Đặc tính của PV trong trường hợp sử dụng diode bypass
Hình 3.21. Đánh giá so sánh giữa các trường hợp có và không có diode bypass
Hình 3.22. Hệ thống PV kết nối lưới
Hình 3.23. Hệ thống PV độc lập
Hình 3.24. Hệ thống PV kết hợp
Hình 3.25. Sơ đồ hệ thống điện gia đình
Hình 4.1. Quan hệ điện áp và dòng điện của PV
Hình 4.2. Giải thuật P&O khi tìm điểm làm việc có công suất lớn nhất
Hình 4.3. Lưu đồ giải thuật P&O
Hình 4.4. Sự thay đổi điểm MPP theo gia tăng bức xạ
Hình 4.5. Giải thuật InC
Hình 4.6. Lưu đồ giải thuật InC
Hình 4.7. Lưu đồ giải thuật điện áp không đổi
Hình 4.8. Đặc tính V-I của PV tương ứng với các cường độ bức xạ khác nhau
là các dòng điện ngắn mạch khác nhau

Hình 4.9. Lưu đồ giải thuật P&O cải tiến
Hình 4.10. Sơ đồ khối phương pháp điều khiển MPPT sử dụng bộ bù PI
Hình 4.11. Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển trực tiếp MPPT


viii

Hình 4.12. Mối quan hệ giữa tổng trở vào Rin và hệ số làm việc D
Hình 5.1. Pin quang điện RS - P618 - 22
Hình 5.2. Sơ đồ mô phỏng điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ thống
pin quang điện
Hình 5.3. Đặc tính V-I của pin quang điện RS - P618 - 22
Hình 5.4. Đặc tính V-P của pin quang điện RS - P618 - 22
Hình 5.5. Đặc tính V-I của pin quang điện RS - P618 - 22 trong trường hợp
nhiệt độ không đổi (t = 250C) và bức xạ mặt trời thay đổi (G = 1kW/m2 
5kW/m2)
Hình 5.6. Đặc tính V-P của pin quang điện RS - P618 - 22 trong trường hợp
nhiệt độ không đổi (t = 250C) và bức xạ mặt trời thay đổi (G = 1kW/m2 
5kW/m2)
Hình 5.7. Đặc tính V-I của pin quang điện RS - P618 - 22 trong trường hợp
nhiệt độ thay đổi (t = 250C  1000C) và bức xạ mặt trời không đổi (G = 1
kW/m2)
Hình 5.8. Đặc tính V-P của pin quang điện RS - P618 - 22 trong trường hợp
nhiệt độ thay đổi (t = 250C  1000C) và bức xạ mặt trời không đổi (G = 1
kW/m2)
Hình 5.9. Mô phỏng sự thay đổi chậm của bức xạ mặt trời của pin quang điện
RS - P618 - 22
Hình 5.10. Công suất ngõ ra đạt được trong trường hợp sử dụng và không sử
dụng thuật toán P&O tương ứng với sự thay đổi chậm của bức xạ mặt trời
Hình 5.11. Công suất ngõ ra đạt được trong trường hợp sử dụng và không sử

dụng thuật toán P&O cải tiến tương ứng với sự thay đổi chậm của bức xạ mặt
trời
Hình 5.12. So sánh công suất ngõ ra đạt được trong trường hợp sử dụng thuật
toán P&O và thuật toán P&O cải tiến tương ứng với sự thay đổi chậm của bức
xạ mặt trời
Hình 5.13. Mô phỏng sự thay đổi nhanh của bức xạ mặt trời của pin quang điện
RS - P618 - 22


ix

Hình 5.14. Công suất ngõ ra đạt được trong trường hợp sử dụng và không sử
dụng thuật toán P&O tương ứng với sự thay đổi nhanh của bức xạ mặt trời
Hình 5.15. Công suất ngõ ra đạt được trong trường hợp sử dụng và không sử
dụng thuật toán P&O cải tiến tương ứng với sự thay đổi nhanh của bức xạ mặt
trời
Hình 5.16. So sánh công suất ngõ ra đạt được trong trường hợp sử dụng thuật
toán P&O và thuật toán P&O cải tiến tương ứng với sự thay đổi nhanh của bức
xạ mặt trời
Hình 5.17. Mô phỏng sự tăng và giảm của bức xạ mặt trời của pin quang điện
RS - P618 - 22
Hình 5.18. Công suất ngõ ra đạt được trong trường hợp sử dụng và không sử
dụng thuật toán P&O tương ứng với sự tăng và giảm của bức xạ mặt trời
Hình 5.19. Công suất ngõ ra đạt được trong trường hợp sử dụng và không sử
dụng thuật toán P&O cải tiến tương ứng với sự tăng và giảm của bức xạ mặt
trời
Hình 5.20. So sánh công suất ngõ ra đạt được trong trường hợp sử dụng thuật
toán P&O và thuật toán P&O cải tiến tương ứng với sự tăng và giảm của bức
xạ mặt trời

x

DANH SÁCH BẢNG
Bảng 2.1. Bảng ngày số n của ngày đầu tiên của mỗi tháng
Bảng 2.2. Bảng thống kê góc  của ngày 21 mỗi tháng
Bảng 2.3. Tiềm năng năng lượng mặt trời tại Việt Nam
Bảng 3.1. Bảng phân loại tuần hoàn trích lược với tinh thể Silicon thuộc nhóm
IV
Bảng 4.1. Bảng tóm tắt giải thuật P&O


1

Chương 1
Giới thiệu chung
1.1. Giới thiệu
Vấn đề khủng hoảng năng lượng điện đã và đang được các quốc trên thế
giới, trong đó có Việt Nam đặc biệt quan tâm. Để giải quyết vấn đề này, đã có
rất nhiều các đề xuất của việc sử dụng các dạng năng lượng khác nhau để tạo ra
năng lượng điện. Một trong số đó có năng lượng mặt trời.
Mặt trời là một khối cầu lửa khổng lồ, tại đó những phản ứng nhiệt hạch
xảy ra liên tục và phát ra nguồn năng lượng dường như vô tận. Những phản ứng
nhiệt hạch trên mặt trời đã và đang diễn ra hàng triệu triệu năm mà chưa ai dự
đoán được thời điểm kết thúc của nó. Quả cầu lửa mặt trời khổng lồ này mới chỉ
truyền một phần năng lượng nhỏ bé của nó xuống trái đất với khoảng cách hàng
triệu km. Năng lượng mặt trời đã mang lại sự sống cho trái đất và cũng có thể
thiêu trụi cả trái đất nếu trái đất không có tầng ô zôn và khí quyển bảo vệ.
Có thể nhận thấy rằng, năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng
sạch không giống như bất kỳ một nguồn năng lượng nào khác mà chúng ta đang

khai thác trên trái đất. Chẳng hạn như thủy điện có thể gây đột biến dòng chảy
của sông và làm mất cân bằng sinh thái ở khu vực hạ lưu dòng sông đó; nhiệt
điện gây bụi và ô nhiễm môi trường bằng khí COx và NOx; còn điện hạt nhân có
khả năng gây nhiều nguy cơ kinh khủng hơn nữa. Nếu có thể tận dụng được
nguồn năng lượng mặt trời để phục vụ đời sống và phát triển đất nước là một
công việc rất có ích và có thể bảo vệ được môi trường sinh thái [1].
Một trong các ứng dụng chính ở tầm vĩ mô của nguồn năng lượng mặt
trời là bài toán sản xuất năng lượng điện thông qua hệ thống pin quang điện
(Photovoltaic cell, PV). Các ứng dụng này có thể độc lập trong các hộ gia đình,
phục vụ chiếu sáng công cộng, phương tiện di chuyển, quân sự và các ứng
dụng không gian hoặc là một hệ thống điện năng lượng mặt trời sử dụng PV
được kết nối với lưới điện quốc gia. Trong các hệ thống PV này đang tồn tại
hai vấn đề lớn:


2

- Hiệu suất chuyển đổi của năng lượng mặt trời thành năng lượng điện là
rất thấp (9 ÷ 17%), đặc biệt là trong các điều kiện bức xạ thấp;
- Năng lượng điện được tạo ra bởi PV thay đổi liên tục dưới các điều
kiện thời tiết khác nhau.
Mặt khác, đặc tính V–I của PV là phi tuyến và cũng sẽ thay đổi dưới các
điều kiện nhiệt độ và bức xạ khác nhau. Trên các đặc tuyến V–I hoặc V–P, tồn
tại một điểm làm việc duy nhất mà được gọi là điểm công suất cực đại
(Maximum power point, MPP). Vị trí của các MPP là không xác định trước
được, nhưng có thể xác định được thông qua các mô hình tính toán hoặc các
thuật toán tìm kiếm trong quá trình vận hành. Khi các MPP đã được xác định,
các kỹ thuật bám MPP sẽ được sử dụng để duy trì điểm làm việc của các PV
luôn luôn là tại MPP.
Bên cạnh đó, việc kết nối lưới hệ thống điện năng lượng mặt trời cũng là

một trong các giải pháp được xem xét cho bài toán lưu trữ năng lượng điện mặt
trời mà đang phải gánh chịu các chỉ trích mạnh mẽ liên quan đến ô nhiễm môi
trường khi con người sử dụng các phương án lưu trữ thông qua ắc-quy.
Với các phân tích trên cho thấy rằng hiệu suất chuyển đổi năng lượng
mặt trời thành năng lượng điện của hệ PV là hoàn toàn có thể được tối ưu,
nhằm nâng cao hiệu quả khai thác. Điều này cũng có nghĩa là sẽ giảm bớt gánh
nặng cho các nguồn năng lượng điện truyền thống như thủy điện hay nhiệt
điện.
Ngoài ra, việc lưu trữ nguồn năng lượng điện từ các nguồn năng lượng
tái tạo, cụ thể là năng lượng mặt trời cũng là một bài toán khó. Giải pháp kết
nối hệ thống điện năng lượng mặt trời với lưới điện quốc gia là một trong các
giải pháp được đánh giá hiệu quả cao.
Chính vì các lý do trên, đề tài “Nghiên cứu điều khiển bám điểm công
suất cực đại của một hệ pin mặt trời” được lựa chọn và thực hiện trong luận
văn này.


3

1.2. Tính cấp thiết của đề tài
Nguồn điện đang gánh chịu các áp lực nặng nề của sự cạn kiệt các
nguồn nhiên liệu sơ cấp truyền thống (nước, nhiên liệu hóa thạch,...). Để giảm
bớt các gánh nặng này, cũng như nâng cao hiệu quả khai thác của các nguồn
năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời, đề tài nghiên cứu điều khiển
bám điểm công suất cực đại và kết nối lưới của một hệ thống điện năng lượng
mặt trời là thật sự cần thiết để được nghiên cứu và triển khai.
1.3. Đối tượng nghiên cứu
Các nghiên cứu sẽ được thực hiện trên mô hình hệ thống điện năng
lượng mặt trời bao gồm:
- Hệ thống pin quang điện, PV.

- Bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại.
1.4. Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu của đề tài là:
- Khảo sát tình hình khai thác và sử dụng năng lượng điện mặt trời ở Việt Nam.
- Tổng quan các kết quả nghiên cứu đã đạt được liên quan đến đề tài.
- Nghiên cứu lý thuyết pin quang điện (PV).
- Nghiên cứu các thuật toán bám điểm công suất cực đại cho PV dưới các điều
kiện bức xạ và nhiệt độ khác nhau sao cho có thể tối ưu hóa năng lượng thu
được.
1.5. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
Đề tài “Nghiên cứu điều khiển bám điểm công suất cực đại của một
hệ pin mặt trời” sẽ được thực hiện với các mục tiêu và nội dung như sau:
- Khảo sát tình hình khai thác và sử dụng năng lượng điện mặt trời ở Việt
Nam.
- Nghiên cứu các đặc tính của PV.
- Nghiên cứu và xây dựng một hệ thống điện sử dụng năng lượng mặt
trời thông qua PV.


4

- Nghiên cứu điều khiển bám điểm công suất cực đại của một hệ thống
điện năng lượng mặt trời thông qua PV.
- Mô phỏng PV.
- Mô phỏng nguyên lý làm việc của hệ thống điện sử dụng năng lượng
mặt trời thông qua PV.
- Mô phỏng điều khiển bám điểm công suất cực đại của một hệ thống
điện sử dụng năng lượng mặt trời thông qua PV.
1.6. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu các tài liệu về điều khiển bám điểm công suất cực đại của

một hệ thống điện năng lượng mặt trời sử dụng PV.
- Phân tích, tổng hợp và đề xuất thuật toán điều khiển bám điểm công
suất cực đại của một hệ thống điện năng lượng mặt trời sử dụng PV.
1.7. Bố cục của luận văn
Bố cục của luận văn gồm 6 chương:
+ Chương 1: Giới thiệu chung
+ Chương 2: Tổng quan tình hình nghiên cứu và khai thác nguồn năng
lượng điện mặt trời
+ Chương 3: Pin quang điện
+ Chương 4: Giải thuật bám điểm công suất cực đại
+ Chương 5: Mô phỏng điều khiển bám điểm công suất cực đại của một
hệ pin mặt trời
+ Chương 6: Kết luận và hướng phát triển tương lai


5

Chương 2
Tổng quan tình hình nghiên cứu và khai thác nguồn
năng lượng điện mặt trời
2.1. Cấu trúc mặt trời
Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1,390106 km (lớn hơn
110 lần đường kính Trái đất), cách xa trái đất 150106 km (bằng một đơn vị
thiên văn AU ánh sáng Mặt trời cần khoảng 8 phút để vượt qua khoảng này đến
Trái đất).
Khối lượng Mặt trời khoảng M0 =21030 kg. Nhiệt độ T0 trung tâm mặt
trời thay đổi trong khoảng từ 10106 0K đến 20106 0K, trung bình khoảng
15,6106 0K. Ở nhiệt độ này, vật chất không thể giữ được cấu trúc trật tự thông
thường gồm các nguyên tử và phân tử. Nó trở thành plasma, trong đó các hạt
nhân của nguyên tử chuyển động tách biệt với các electron. Khi các hạt nhân tự

do có va chạm với nhau sẽ xuất hiện những vụ nổ nhiệt hạch. Khi quan sát tính
chất của vật chất nguội hơn trên bề mặt nhìn thấy được của Mặt trời, các nhà
khoa học đã kết luận rằng có phản ứng nhiệt hạch xảy ra ở trong lòng Mặt trời
[2].

Hình 2.1. Cấu trúc của mặt trời


6

Về cấu trúc, Mặt trời có thể chia làm 4 vùng, tất cả hợp thành một khối
cầu khí khổng lồ, hình 2.1. Vùng giữa gọi là nhân hay “lõi” có những chuyển
động đối lưu, nơi xảy ra những phản ứng nhiệt hạt nhân tạo nên nguồn năng
lượng mặt trời, vùng này có bán kính khoảng 175.000 km, khối lượng riêng
160 kg/dm3, nhiệt độ ước tính từ 14 đến 20 triệu độ, áp suất vào khoảng hàng
trăm tỷ atmotphe.
Vùng kế tiếp là vùng trung gian còn gọi là vùng “đổi ngược” qua đó
năng lượng truyền từ trong ra ngoài, vật chất ở vùng này gồm có sắt (Fe), canxi
(Ca), natri (Na), stronti (Sr), crôm (Cr), niken (Ni), cacbon ( C), silic (Si) và
các khí như hiđrô (H2), hêli (He), chiều dày vùng này khoảng 400.000 km. Tiếp
theo là vùng “đối lưu” dày 125.000 km và vùng “quang cầu” có nhiệt độ
khoảng 6.000 0K, dày 1.000 km, ở vùng này gồm các bọt khí sôi sục, có chỗ
tạo ra các vết đen, là các hố xoáy có nhiệt độ thấp khoảng 4.500 0K và các tai
lửa có nhiệt độ từ 7.000 0K -10.000 0K.
Vùng ngoài cùng là vùng bất định và gọi là “khí quyển” của Mặt trời.
Nhiệt độ bề mặt của Mặt trời là 5.762 0K nghĩa là có giá trị đủ lớn để các
nguyên tử tồn tại trong trạng thái kích thích, đồng thời đủ nhỏ để ở đây thỉnh
thoảng lại xuất hiện những nguyên tử bình thường và các cấu trúc phân tử. Dựa
trên cơ sở phân tích các phổ bức xạ và hấp thụ của Mặt trời người ta xác định
được rằng trên mặt trời có ít nhất 2/3 số nguyên tố tìm thấy trên Trái đất.

Nguyên tố phổ biến nhất trên Mặt trời là nguyên tố nhẹ nhất Hydrogen. Vật
chất của Mặt trời bao gồm khoảng 73,46% là Hydrogen và gần 24,85% là
Hêlium, còn lại là các nguyên tố và các chất khác như Oxygen 0,77%; Carbon
0,29%; Iron 0,16%; Neon 0,12%; Nitrogen 0,09%; Silicon 0,07%; Magnesium
0,05% và Sulphur 0,04%.
Nguồn năng lượng bức xạ chủ yếu của Mặt trời là do phản ứng nhiệt
hạch tổng hợp hạt nhân Hyđrô, phản ứng này đưa đến sự tạo thành Hêli. Hạt
nhân của Hyđrô có một hạt mang điện dương là proton. Thông thường, những
hạt mang điện cùng dấu đẩy nhau, nhưng ở nhiệt độ đủ cao chuyển động của
chúng sẽ nhanh tới mức chúng có thể tiến gần tới nhau ở một khoảng cách mà


7

ở đó có thể kết hợp với nhau dưới tác dụng của các lực hút. Khi đó, cứ 4 hạt
nhân Hyđrô lại tạo ra một hạt nhân Hêli, 2 Neutrino và một lượng bức xạ.
1

4

4H → He + 2 Neutrino + 
1

2

(2.1)

Neutrino là hạt không mang điện, rất bền và có khả năng đâm xuyên rất
lớn. Sau phản ứng các Neutrino lập tức rời khỏi phạm vi mặt trời và không
tham gia vào các “biến cố” sau đó.

Trong quá trình diễn biến của phản ứng có một lượng vật chất của Mặt
trời bị mất đi. Khối lượng của Mặt trời do đó mỗi giây giảm chừng 4.106 tấn,
tuy nhiên theo các nhà nghiên cứu, trạng thái của Mặt trời vẫn không thay đổi
trong thời gian hàng tỷ năm nữa. Mỗi ngày Mặt trời sản xuất một nguồn năng
lượng qua phản ứng nhiệt hạch lên đến 9.1024 kWh (tức là chưa đầy một phần
triệu giây Mặt trời đã giải phóng ra một lượng năng lượng tương đương với
tổng số điện năng sản xuất trong một năm trên Trái đất).
2.2. Quỹ đạo của trái đất quanh mặt trời [2]
Trái đất quay quanh mặt trời theo quỹ đạo hình elip, một vòng của trái
đất quay quanh mặt trời là 365,25 ngày. Điểm mà tại đó trái đất gần mặt trời
nhất gọi là điểm cận nhật, xảy ra vào ngày 2 tháng 1 lúc này nó cách mặt trời
khoảng 147 triệu km. Điểm mà tại đó trái đất xa mặt trời nhất xảy ra vào ngày
3 tháng 7, lúc đó nó cách mặt trời khoảng 152 triệu km.

 360n  93  
d  1.5 *108 1  0.017 sin 
  (km)
365




(2.2)

Trong đó:
n: ký hiệu của ngày đầu tiên trong tháng, ví dụ như ngày 1 tháng 1 thì n = 1,
ngày 31 tháng 12 thì n = 365.


8

Bảng 2.1. Bảng ngày số n của ngày đầu tiên của mỗi tháng
Tháng

Một

Hai

Ba

Bốn

Năm

Sáu

Bảy

Tám

Chín

Mười

n

1

32

60

91

121

152

182

213

244

274

Mười

Mười

một

hai

305

335

2.3. Góc cao độ của mặt trời vào buổi trưa [2]
Như đã biết, mặt trời mọc ở hướng đông và lặn ở hướng tây và đạt điểm

cao nhất của nó vào thời gian giữa trong ngày. Trong hình 2.2, trái đất quay
quanh mặt trời và khó có thể xác định góc của mặt trời so với mặt phẳng trái
đất.

Hình 2.2. Quỹ đạo trái đất quay quanh mặt trời
Một quan điểm khác để thuận tiện cho việc xác định, trong hình 2.3 trái
đất là cố định và quay quanh trục Bắc-Nam. Mặt trời nằm ở một số nơi trong
không gian từ từ di chuyển lên xuống như tiến độ mùa. Vào ngày 21 tháng 6
(hạ chí) mặt trời đạt đến điểm cao nhất của nó và một tia kẻ từ trung tâm của
trái đất đến trung tâm của mặt trời tạo thành với mặt phẳng xích đạo một góc
bằng 23,450. Góc này thay đổi khi trái đất di chuyển và được gọi là góc thiên
độ, ký hiệu là δ. Nó nằm trong khoảng từ -23,450 đến 23,450.
Một cách tính xấp xỉ gần đúng cho rằng một năm có 365 ngày và đặt
xuân phân vào ngày n = 81. Khi ấy, góc δ sẽ được tính:
 360
n  81
 365


  23.45 sin 

(2.3)


9

Hình 2.3. Một cách nhìn quỹ đạo trái đất để dễ tính góc δ
Từ công thức (2.3) ta có thể tính được góc δ:
Bảng 2.2. Bảng thống kê góc δ của ngày 21 mỗi tháng
Tháng

Một

Hai

Ba

Bốn

Năm

Sáu

Bảy

Tám

Chín

Mười

δ (độ)

-20.1

-11.2

0

11.6

20.1

23.4

20.4

11.8

0

-11.8

Mười

Mười

một

hai

-20.4

-23.4

Hình 2.3 không thể hiện được quỹ đạo quay của trái đất quanh mặt trời,
nhưng nó lại thích hợp cho việc hiển thị các vĩ độ khác nhau và góc để tính
toán thu nhận năng lượng mặt trời, cụ thể đó là góc cao độ βN của mặt trời vào
buổi trưa. Góc cao độ là góc giữa tia sáng mặt trời và đường chân trời.

Hình 2.4. Góc cao độ mặt trời
Góc cao độ của mặt trời vào buổi trưa là một thông số quan trọng để
tham chiếu với việc tính toán về năng lượng mặt trời.