Điều khiển tối ưu công suất phát của một hệ nhiều pin quang điện (1)

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

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

NGUYỄN THỊ BÍCH HẠNH

ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT PHÁT
CỦA MỘT HỆ NHIỀU PIN QUANG ĐIỆN
LUẬN VĂN THẠC SỸ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành

: 60520202

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2014


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

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

NGUYỄN THỊ BÍCH HẠNH

ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT PHÁT
CỦA MỘT HỆ NHIỀU PIN QUANG ĐIỆN
LUẬN VĂN THẠC SỸ
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 2014


TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM
PHÒNG QLKH – ĐTSĐH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
TP. HCM, ngày 18 tháng 01 năm 2014

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: NGUYỄN THỊ BÍCH HẠNH

Giới tính: Nữ

Ngày, tháng, năm sinh: 10/11/1981

Nơi sinh: Ninh Bình

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

MSHV:1241830006

I- Tên đề tài:
ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT PHÁT CỦA MỘT HỆ

NHIỀU PIN QUANG ĐIỆN
II- Nhiệm vụ và nội dung:
• Trình bày bao quát hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập với tải cố định (tải
thuần trở).
• Nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động, mô hình toán và các đặc tính của
pin quang điện.
• Các bộ biến đổi DC/DC.
• Phương pháp và thuật toán điều khiển dò tìm điểm công suất cực đại.
III- Ngày giao nhiệm vụ: 12/6/2013
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 12/12/2013
V- Cán bộ hướng dẫn: TS. HUỲNH CHÂU DUY
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)


TS. HUỲNH CHÂU DUY


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu này là của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu ra trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ
công trình nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã

được xin phép và cảm ơn. Tất cả các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ
rõ nguồn gốc.
Học viên thực hiện Luận văn

Nguyễn Thị Bích Hạnh


ii

LỜI CÁM ƠN
Luận văn tốt nghiệp đánh dấu việc hoàn thành gần hai năm cố gắng học tập và
nghiên cứu. Đây cũng là luận văn đánh dấu cuối cùng trong quá trình học cao học.
Để có được kết quả hôm nay, tôi đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của giáo viên
hướng dẫn, sự quan tâm của một số đồng nghiệp cũng như bạn bè. Qua đây tôi xin
phép được cảm ơn
Tôi xin chân thành cảm ơn TS.Huỳnh Châu Duy – Phó Viện Trưởng Viện Đào
Tạo Quan Hệ Quốc Tế – Trường Đại Học Công Nghệ Tp.HCM, Giảng viện bộ môn
Hệ Thống Điện – Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM, người thầy đã hết lòng chỉ
bảo, hướng dẫn, truyền đạt những kiến thức chuyên môn cũng như những kinh
nghiệm nghiên cứu trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn.
Xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu, Ban chủ nhiệm khoa Cơ - Điện –
Điện tử, Phòng quản lý đào tạo sau đại học và tất cả Quí Thầy, Cô của Trường Đại
Học Công nghệ Tp.HCM đã giảng dạy, trang bị cho tôi những kiến thức rất bổ ích
và qúy báu trong suốt quá trình học tập cũng như nghiên cứu.
Xin cảm ơn Gia đình, bạn bè, đồng nghiệp những người luôn giành những tình
cảm sâu sắc nhất, giúp đỡ và khuyến khích tôi để tôi vượt qua mọi khó khăn trong
suốt quá trình thực hiện luận văn.
Xin cảm ơn Ban Giám Hiệu Trường Cao Đẳng Nghề Đồng Nai đã tạo điều
kiện thuận lợi và hỗ trợ cho tôi rất nhiều trong quá trình học tập, công tác cũng như
trong suốt thời gian thực hiện luận văn.

Tp.Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2014
Người thực hiện

Nguyễn Thị Bích Hạnh


iii

TÓM TẮT
Luận văn này trình bày các phương pháp tìm điểm làm việc có công suất cực
đại của pin quang điện (MPPT) đáp ứng trong các điều kiện môi trường thay đổi.
Từ đó, đề xuất thuật toán mới là phân chia vùng làm việc trên đường đặc tuyến V-P
của pin quang điện thành ba vùng chính, gồm:
- Vùng 1: Vùng bên trái điểm cực đại
- Vùng 2: Vùng cực đại
- Vùng 3: Vùng bên phải điểm cực đại.
Bằng việc xác định điểm làm việc của pin quang điện đang ở vùng nào đều có
thể nhanh chóng đưa pin vào làm việc ở điểm cực đại thông qua việc điều chỉnh độ
rộng xung của mạch Boost.
Kết quả mô phỏng cho thấy thuật toán đề xuất mới đã tìm được điểm công
suất cực đại nhanh hơn, ổn định hơn và khắc phục được một số nhược điểm của
thuật toán P&O, INC và thuật toán điện áp là hằng số.


iv

ABSTRACT
This study presents the Maximum Power Point Tracking (MPPT) technique of
Photovoltaics to adapt changing enviromental conditions. Therefrom uses the new
method by dividing the working point on the characteristics V-P of into three major

areas, including: Photovoltaics
- Areas 1: the left side of the maximum power point
- Areas 2: the maximum area
- Areas 3: the right of the maximum power point .
By defining the working point of the Photovoltaics are in areas where we can
quickly take the Photovoltaics to work at the maximum power point by adjusting
duty pulse of the boost circuit.
Results of Simulations and experimental measurements has shown that this
method has found the MPP faster, more stable and overcomes some disadvantages
of the algorithm Perturb and Observe, Incremental Conductance and the algorithm
voltage is const.


v

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN.....................................................................................................i
LỜI CÁM ƠN..........................................................................................................ii
TÓM TẮT............................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT......................................................................viii
DANH MỤC CÁC BẢNG......................................................................................ix
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, SƠ ĐỒ, ĐỒ THỊ................................................x
Chương 1..................................................................................................................1
GIỚI THIỆU............................................................................................................1
1.1 Đặt vấn đề.......................................................................................................1
1.2 Tính cần thiết..................................................................................................2
1.3 Tình hình nhận định của thế giới.....................................................................3
1.4 Dự báo trong tương lai....................................................................................5
1.5 Mục tiêu của đề tài..........................................................................................5
1.6 Nội dung nghiên cứu.......................................................................................6

1.7 Phạm vi nghiên cứu của đề tài.........................................................................7
1.8 Nội dung của luận văn.....................................................................................9
1.9 Kết luận...........................................................................................................9
Chương 2................................................................................................................10
TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH KHAI THÁC VÀ SỬ DỤNG NGUỒN ĐIỆN
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI................................................................................10
2.1 Giới thiệu......................................................................................................10
2.2 Tình hình khai thác và sử dụng năng lượng mặt trời trên thế giới và tại Việt
Nam..................................................................................................................... 10
2.3 Tiềm năng năng lượng mặt trời tại Việt Nam................................................15
2.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu của đề tài....................................................17
2.4.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới.........................................................17
2.4.2 Tình hình nghiên cứu trong nước...........................................................20
2.5 Kết luận.........................................................................................................24


vi

Chương 3................................................................................................................25
HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI...............................................25
3.1 Cấu tạo pin quang điện..................................................................................25
3.2 Nguyên lý hoạt động của pin quang điện......................................................28
3.3 Mô hình toán của pin quang điện..................................................................29
3.4 Đặc tuyến V-I, V-P của pin quang điện..........................................................33
3.5 Bộ biến đổi DC/DC.......................................................................................38
3.5.1 Bộ giảm áp (Buck).................................................................................38
3.5.2 Bộ tăng áp (Boost).................................................................................41
3.5.3 Bộ hỗn hợp tăng giảm điện áp (Boost – Buck)......................................43
3.6 Điều khiển bộ biến đổi DC/DC.....................................................................45
3.6.1 Điều khiển mạch vòng phản hồi điện áp................................................45

3.6.2 Điều khiển phản hồi công suất...............................................................46
3.6.3 Điều khiển mạch vòng phản hồi dòng điện............................................47
3.7 Điểm làm việc cực đại của pin quang điện (MPP - Maximum Power Point) 47
3.8 Hệ nhiều pin quang điện................................................................................51
3.8.1 Phương pháp ghép nối tiếp các tấm pin quang điện...............................51
3.8.2 Phương pháp ghép song song các tấm pin quang điện...........................52
3.9 Kết luận.........................................................................................................54
Chương 4................................................................................................................56
THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT PHÁT CỦA MỘT HỆ
NHIỀU PIN QUANG ĐIỆN.................................................................................56
4.1 Thuật toán tìm điểm công suất cực đại của pin quang điện (MPPT Maximum Power Point Tracking).......................................................................57
4.1.1 Thuật toán nhiễu loạn và quan sát (P&O - Perturb and Observe)...........57
4.1.2 Thuật toán điện dẫn gia tăng (INC - Incremental Conductance)............61
4.1.3 Thuật toán điện áp hằng số.....................................................................63
4.2 Phương pháp điều khiển MPPT.....................................................................65
4.2.1 Phương pháp điều khiển PI....................................................................65


vii

4.2.2 Phương pháp điều khiển trực tiếp..........................................................66
4.2.3 Phương pháp điều khiển đo trực tiếp tín hiệu ra.....................................69
4.3 Thuật toán đề xuất.........................................................................................69
4.3.1 Cấu hình cho bộ chuyển đổi năng lượng................................................69
4.3.2 Thuật toán đề xuất tìm điểm công suất cực đại cho cấu hình như hình
4.12.................................................................................................................70
4.3.3 Sơ đồ thuật toán đề xuất.........................................................................72
Chương 5................................................................................................................74
KẾT QỦA MÔ PHỎNG........................................................................................74
5.1 Xây dựng mô hình mô phỏng trong Matlab/Simulink...................................74

5.2 Kết quả mô phỏng của các thuật toán............................................................79
Chương 6................................................................................................................89
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỀN............................................................89
TRONG TƯƠNG LAI..........................................................................................89
6.1 Kết luận.........................................................................................................89
6.2 Hướng phát triển trong tương lai...................................................................90
TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................91
PHỤ LỤC............................................................................................................... 92


viii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
MPP

: Maximum Power Point: Điểm công suất cực đại

MPPT : Maximum Power Point Tracking : Tìm điểm công suất cực đại
P&O

: Perturb and Observe : Thuật toán nhiễu loạn và quan sát

INC

: Incremental Conductance : Thuật toán INC

NOCT : Normal Control Ttemperature : Nhiệt độ vận hành bình thường
RLOAD : Tổng trở của tải
ROPT

: Tổng trở tối ưu của tải

PMPP

: Công suất tại điểm cực đại

VMPP

: Điện áp tại điểm cực đại

IMPP

: Dòng điện tại điểm cực đại


ix

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Thị trường tiêu thụ năng lượng thế giới của các nhóm quốc gia..........2
(từ năm 2007 đến 2035-nghìn triệu Btu)................................................................2
Bảng 2.1 Số liệu về bức xạ mặt trời tại Việt Nam................................................16
Bảng 3.1 Bảng lựa chọn hệ số lý tưởng A theo công nghệ chế tạo......................30
Bảng 4.1 Bảng tóm tắt thuật toán leo đồi P&O...................................................58
Bảng 5.1 Thông số của tấm pin P618-80W..........................................................77
Bảng 5.2 Bảng thông số của 1 module 36cell được xây dựng trong
Matlab/Simulink....................................................................................................77


x

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, SƠ ĐỒ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý làm việc của một hệ pin quang điện...........................8
Hình 2.1 Thành phố sử dụng năng lượng mặt trời (Đức Châu – Trung Quốc) 12
Hình 2.2 Sân vận động sử dụng năng lượng mặt trời (Đài Loan)......................13
Hình 2.3 Nhà sử dụng năng lượng mặt trời.........................................................13
Hình 2.4 Xe sử dụng năng lượng mặt trời...........................................................14
Hình 2.5 Máy bay sử dụng năng lượng mặt trời.................................................14
Hình 2.6 Bếp sử dụng năng lượng mặt trời.........................................................14
Hình 2.7 Bình nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời.....................................15
Hình 2.8 Phân bố tổng số giờ nắng 3 tháng 1, 2, 3 năm 2011............................16
Hình 3.1 Cấu tạo của pin quang điện...................................................................25
Hình 3.2 Chất bán dẫn Si pha tạp P được gọi là bán dẫn loại N (Negative).....27
Hình 3.3 Chất bán dẫn Si pha tạp Boron được gọi là bán dẫn loại P (Positive)27
Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của pin quang điện....................................28
Hình 3.5 Sơ đồ pin quang điện thực tế.................................................................29
Hình 3.6 Sơ đồ pin quang điện khi bỏ qua RSH và RS......................................30
Hình 3.7 Dòng điện ngắn mạch (ISC) và điện áp hở mạch (VOC)....................32
Hình 3.8 Mô đun pin quang điện..........................................................................32
Hình 3.9 Đặc tuyến V-I tại T = 250C, G = 1kW/m2............................................33
Hình 3.10 Đặc tuyến V-P tại T = 250C, G = 1kW/m2..........................................34
Hình 3.11 Đặc tuyến V-I khi thay đổi nhiệt độ....................................................34
Hình 3.12 Đặc tuyến V-P khi thay đổi nhiệt độ...................................................35
Hình 3.13 Đặc tuyến V-I khi thay đổi bức xạ.......................................................35
Hình 3.14 Đặc tuyến V-P khi thay đổi bức xạ......................................................36
Hình 3.15 Đặc tuyến V-I khi thay đổi đồng thời nhiệt độ và bức xạ..................36
Hình 3.16 Đặc tuyến V-P khi thay đổi đồng thời nhiệt độ và bức xạ.................37
Hình 3.17 Sơ đồ nguyên lý bộ giảm áp Buck.......................................................39
Hình 3.18 Dạng sóng điện áp và dòng điện của mạch Buck...............................40

xi

Hình 3.19 Sơ đồ nguyên lý mạch Boost................................................................42
Hình 3.20 Dạng sóng dòng điện của mạch Boost.................................................43
Hình 3.21 Sơ đồ nguyên lý mạch Buck – Boost...................................................44
Hình 3.22 Chu kỳ đóng cắt...................................................................................44
Hình 3.23 Sơ đồ điều khiển mạch vòng phản hồi điện áp...................................46
Hình 3.24 Sơ đồ điều khiển mạch vòng phản hồi dòng điện..............................47
Hình 3.25 Pin quang điện được nối với tải thuần trở.........................................47
Hình 3.26 Đường đặc tuyến làm việc của pin khi kết nối tải..............................48
Hình 3.27 Các điểm làm việc cực đại thay đổi khi nhiệt độ thay đổi.................48
Hình 3.28 Các điểm làm việc cực đại thay đổi khi bức xạ thay đổi...................49
Hình 3.29 Sơ đồ khối của hệ thống chuyển đổi năng lượng tiêu biểu................49
Hình 3.30 Ghép nối tiếp các pin và đặc tuyến V-I...............................................52
Hình 3.31 Ghép song song các pin và đặc tuyến V-I...........................................53
Hình 3.32 Ghép hỗn hợp các pin và đặc tuyến V-I..............................................54
Hình 4.1 Đặc tuyến V-I, V-P của pin quang điện.................................................56
Hình 4.2 Thuật toán P&O khi tìm điểm làm việc có công suất lớn nhất...........57
Hình 4.3 Sơ đồ thuật toán P&O...........................................................................59
Hình 4.4 Sự thay đổi điểm MPP theo gia tăng bức xạ........................................60
Hình 4.5 Thuật toán INC.....................................................................................61
Hình 4.6 Sơ đồ thuật toán INC.............................................................................63
Hình 4.7 Sơ đồ thuật toán điện áp không đổi......................................................64
Hình 4.8 Sơ đồ khối phương pháp điều khiển MPPT sử dụng bộ bù PI...........66
Hình 4.9 Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển trực tiếp MPPT..................67
Hình 4.10 Mối quan hệ giữa tổng trở vào Rin và hệ số làm việc D....................68
Hình 4.11 Cấu hình chung bộ chuyển đổi năng lượng của hệ pin quang điện. .69
Hình 4.12 Cấu hình đề xuất của bộ chuyển đổi năng lượng...............................70
Hình 4.13 Phân chia đặc tuyến V-P thành 3 vùng...............................................72
Hình 4.14 Sơ đồ thuật toán MPPT được đề xuất................................................73

xii

Hình 5.1 Mô hình 1 cell pin quang điện được xây dựng trong Matlab/Simulink
................................................................................................................................. 74
Hình 5.2 Mô hình 1 cell sau khi đã thu gọn.........................................................75
Hình 5.3 Mô hình bên trong 1 tấm pin được ghép từ 108 cell xây dựng trong
Matlab/Simulink....................................................................................................75
Hình 5.4 Mô hình 1 tấm pin quang điện thu gọn...............................................75
Hình 5.5 Cấu hình đề xuất được xây dựng trong Matlab/Simulink..................76
Hình 5.6 Sơ đồ mạch Boost được xây dựng trong Matlab/Simulink................78
Hình 5.7 Khối MPPT trong Matlab/Simulink.....................................................78
Hình 5.8 Sơ đồ kết nối bên trong khối MPPT.....................................................78
Hình 5.9 Thời gian, công suất thu được của thuật toán đề xuất và thuật toán
P&O........................................................................................................................ 79
Hình 5.10 Thời gian, công suất thu được của thuật toán đề xuất và thuật toán
INC......................................................................................................................... 79
Hình 5.11 Thời gian, công suất thu được của thuật toán đề xuất.......................80
và thuật toán U=const...........................................................................................80
Hình 5.12 Biểu đồ thay đổi nhiệt độ từ 250C lên 300C, 350C, 400C.................81
Hình 5.13 Thời gian, công suất thu được của thuật toán đề xuất và thuật toán
P&O........................................................................................................................ 81
Hình 5.14 Thời gian, công suất thu được của thuật toán đề xuất và thuật toán
INC......................................................................................................................... 82
Hình 5.15 Thời gian, công suất thu được của thuật toán đề xuất......................82
và thuật toán U=const...........................................................................................82
Hình 5.16 Biểu đồ thay đổi bức xạ từ...................................................................83
Hình 5.17 Thời gian, công suất thu được của thuật toán đề xuất và thuật toán
P&O........................................................................................................................ 84

................................................................................................................................. 84
Hình 5.18 Thời gian, công suất thu được của thuật toán đề xuất và thuật toán
INC......................................................................................................................... 84


xiii

Hình 5.19 Thời gian, công suất thu được của thuật toán đề xuất......................85
và thuật toán U=const..........................................................................................85
Hình 5.20 Biểu đồ thay đổi nhiệt độ từ 250C lên 300C, 350C, 400C.................86
Hình 5.21 Biểu đồ thay đổi bức xạ từ...................................................................86
Hình 5.22 Thời gian, công suất thu được của thuật toán đề xuất và thuật toán
P&O........................................................................................................................ 87
Hình 5.23 Thời gian, công suất thu được của thuật toán đề xuất và thuật toán
INC......................................................................................................................... 87
................................................................................................................................. 88
Hình 5.24 Thời gian, công suất thu được của thuật toán đề xuất......................88
và thuật toán U=const...........................................................................................88


1

Chương 1
GIỚI THIỆU
Chương 1 giới thiệu khái quát một số nội dung liên quan đến tình hình năng
lượng trên thế giới. Một số hữu ích khi sử dụng nguồn năng lượng tái tạo thay thế
nguồn năng lượng truyền thống vẫn đang được sử dụng hiện nay. Khái quát nhận
định của một số quốc gia trên thế giới trong vấn đề sử dụng, phát triển nguồn năng
lượng tái tạo trong tương lai. Qua đó, thấy được tính thực tế cũng như mục tiêu cần
thiết khi nghiên cứu đề tài. Trong chương giới thiệu cũng đề cập đến bố cục, khái

quát một số nội dung cũng như phương pháp nghiên cứu của đề tài.
1.1 Đặt vấn đề
Ngày nay, tình hình dân số và nền công nghiệp phát triển không ngừng. Điều
này càng thể hiện rõ vai trò quan trọng của ngành năng lượng và trở thành yếu tố
không thể thiếu trong cuộc sống. Hai lý do chính khiến nhu cầu sử dụng năng lượng
gia tăng đó là sự phát triển dân số và kinh tế.
Dân số và kinh tế là hai yếu tố quan trọng để thúc đẩy sự phát triển của mỗi
quốc gia. Sự đi lên này gắn liền với việc sử dụng năng lượng. Hay nói cách khác,
muốn phát triển kinh tế thì phải phát triển năng lượng. Vấn đề năng lượng hiện nay
đang là chủ đề nóng và được cả thế giới quan tâm.
Theo nghiên cứu và đánh giá về tình hình sử dụng năng lượng trên thế giới,
các nhà nghiên cứu nhận định rằng thị trường tiêu thụ năng lượng ở các quốc gia
trên thế giới không ngừng gia tăng. Đặc biệt gia tăng mạnh mẽ ở một số nhóm các
quốc gia như Bắc Mỹ, Châu Á, Châu Âu... Thị trường tiêu thụ năng lượng trên thế
giới của một số nhóm quốc gia điển hình từ năm 2007 đến 2035 được trình bày ở
bảng 1.1 [1].


2

Bảng 1.1 Thị trường tiêu thụ năng lượng thế giới của các nhóm quốc gia
(từ năm 2007 đến 2035-nghìn triệu Btu)
Thay đổi
Khu vực

2007

2015

2020

2025

2030

2035

trung bình
(%)

Phát triển

245.7

246.0

254.2

263.2

271.4

280.7

0.5

Bắc Mỹ

123.7

124.3

129.4

134.9

140.2

146.3

0.6

Châu Âu

82.3

82.0

83.0

85.0

86.5

88.2

0.2

Châu Á

39.7

39.7

41.8

43.3

44.8

46.3

0.5

249.5

297.5

336.3

375.5

415.2

450.0

2.2

51.5

52.4

54.2

56.2

57.8

60.2

0.6

Châu Á

127.1

159.3

187.8

217.0

246.9

277.3

2.8

Trung Đông

25.1

32.9

36.5

39.1

41.8

45.7

2.2

Châu Phi

17.8

20.8

22.5

24.6

26.5

29.0

1.8

28.0

32.1

35.5

38.7

42.2

45.7

1.8

495.2

543.5

590.5

638.7

686.5

738.7

1.4

kinh tế

Không phát
triển kinh tế
Châu Âu và
Á Âu

Trung và Nam
Mỹ
Tổng sản
lượng thế giới
1.2 Tính cần thiết

Khi nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng gia tăng thì các nguồn năng lượng
truyền thống như dầu mỏ, than đá… càng dần bị cạn kiệt và trở nên khan hiếm. Bên
cạnh đó, việc sử dụng những năng lượng truyền thống trên cho thấy những tác động


3

xấu đến môi trường, gây ô nhiễm bầu khí quyển như gây hiệu ứng nhà kính, thủng
tầng ozôn… là một trong những nguyên nhân làm trái đất ấm dần lên. Các khí thải
ra từ việc đốt các nguyên liệu này đã gây ra mưa axit, hạn hán, lũ lụt… gây hại cho
môi trường sống của con người.
Trước tình hình đó, việc phải tìm được những nguồn năng lượng mới để đáp
ứng nhu cầu sử dụng năng lượng đang dần lớn mạnh hàng ngày, thay thế những
nguồn năng lượng có hại cho môi trường hoặc đang cạn kiệt trở nên cần thiết đòi
hỏi nhiều sự quan tâm.
Tầm quan trọng của phát triển nguồn năng lượng mới cũng được thúc đẩy bởi
nhận thức của người dân về vấn đề môi trường. Thực tế, có nguồn năng lượng khác
thay thế hứa hẹn một tiềm năng cung cấp năng lượng rất lớn đó là năng lượng hạt
nhân. Nhưng việc sử dụng nguồn năng lượng này vẫn là vấn đề tranh cãi vì sự an

toàn và ảnh hưởng đến môi trường sống. Ví dụ gần đây nhất là vụ động đất, sóng
thần tại Nhật Bản ngày 11/3/2011 đã phá hủy nhà máy điện hạt nhân Fukushima,
gây thiệt hại về người và kinh tế. Tiếp theo đó, một số nước Châu Âu đã quyết định
đóng cửa vĩnh viễn các nhà máy điện hạt nhân.
Hơn nữa, nhu cầu sử dụng điện tại Việt Nam là rất lớn kể cả trong ngắn hạn,
trung hạn và dài hạn. Theo tính toán của EVN, để đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế
với tốc độ tăng trưởng từ 7,5% -8% và thực hiện được mục tiêu đến năm 2020, Việt
Nam cơ bản trở thành một nước công nghiệp thì trong 20 năm tới nhu cầu điện sẽ
phải tăng từ 15%-17% mỗi năm.
Do đó, phương án đầu tư vào nguồn năng lượng tái sinh là có hiệu quả đối với
một quốc gia có nhiều điều kiện thuận lợi về địa lý như Việt Nam. Vì vậy, việc
nghiên cứu các giải pháp để nâng cao hiệu quả của hệ thống điện năng lượng mặt
trời là hết sức cần thiết và cấp bách.
1.3 Tình hình nhận định của thế giới


4

Theo UNEP, sản lượng điện từ các nguồn năng lượng tái sinh (không kể thuỷ
điện) đã chiếm tới 44% tổng sản lượng điện tăng thêm trên toàn cầu trong năm
2011.
Đến đầu năm 2012, có ít nhất 118 nước, trong đó hơn 50% là các nước đang
phát triển, đã đặt mục tiêu đẩy mạnh sử dụng các nguồn năng lượng tái sinh so với
con số 96 nước năm 2010. Mặc dù vậy, hiện nay các nguồn năng lượng tái sinh mới
chỉ chiếm 16,7% tổng năng lượng tiêu thụ toàn cầu. Bên cạnh đó, việc sử dụng năng
lượng sạch vẫn chủ yếu tập trung ở một số nước.
Các nước dẫn đầu thế giới về sản lượng điện từ các nguồn năng lượng tái sinh
là Mỹ, Trung Quốc, Đức, Tây Ban Nha, Italy, Ấn Độ và Nhật Bản. Tổng sản lượng
điện sản xuất từ các nguồn năng lượng tái sinh của những nước này hiện chiếm tới
70% tổng sản lượng cả thế giới. Nguyên nhân chủ yếu khiến việc sử dụng năng

lượng tái sinh vẫn chưa phổ biến trên thế giới là do những nghiên cứu chưa sâu, các
công nghệ khai thác năng lượng tái sinh vẫn còn nhiều hạn chế, khiến cho giá thành
sản xuất vẫn cao [2].
Mặt khác, theo nghiên cứu của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), trong
năm 2011, lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính trên thế giới đã tăng 3,2% so với
năm 2010 bất chấp các nỗ lực không ngừng của nhiều nước trên thế giới. Điều này
khiến hiện tượng biến đổi khí hậu trầm trọng thêm và gây thiệt hại lớn đối với nền
kinh tế toàn cầu.
Riêng tại khu vực Mỹ Latinh, theo nghiên cứu do ngân hàng phát triển Liên
Bang Mỹ (BID) công bố trước thềm hội nghị liên hợp quốc về môi trường và phát
triển sắp tới ở Brazil, nếu nhiệt độ tăng thêm 2 0C, khu vực này sẽ phải gánh chịu
thiệt hại vật chất tới 100 tỷ USD/năm cho đến năm 2050.
Cuối tháng 8/2011, Tổng Thư ký Liên hợp quốc Ban Ki-Moon đã lên tiếng
kêu gọi thế giới tiến hành một cuộc “cách mạng năng lượng sạch” để giúp chuyển
đổi nền kinh tế thế giới và đưa thế giới trở lại con đường phát triển sạch, an toàn và
hợp lý hơn. Ông nhấn mạnh: “Các nước đi theo hướng nhanh chóng phát triển năng


5

lượng sạch sẽ trở thành cường quốc kinh tế trong thế kỷ 21. Người dân các nước
này cũng sẽ được tận hưởng không khí sạch hơn, có sức khỏe tốt hơn, khả năng
cạnh tranh trên thị trường thế giới cao hơn và an ninh tốt hơn”.
Dù vậy, tốc độ phát triển các nguồn năng lượng thay thế quá chậm chạp. Từ
lâu, các nhà lập chính sách đã nhận thấy rằng các nguồn năng lượng mới là hết sức
cần thiết để bù đắp cho các nguồn năng lượng hiện có đang ngày càng cạn kiệt và
để giảm bớt lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính làm thay đổi khí hậu toàn cầu.
So với những nguồn năng lượng mới đang được khai thác sử dụng như năng
lượng gió, năng lượng hạt nhân… Năng lượng mặt trời được coi là một nguồn năng
lượng rẻ, vô tận, là một nguồn năng lượng sạch không gây hại cho môi trường đang

thu hút sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học, nhà nghiên cứu và sẽ trở thành
nguồn năng lượng tươi sáng trong tương lai [3].
1.4 Dự báo trong tương lai
Theo thông tin của Hiệp hội Công nghiệp quang điện Châu Âu dự báo, cho
đến năm 2020, cơn "bùng nổ năng lượng mặt trời" sẽ diễn ra trên toàn thế giới. Năm
2012 vừa qua là cột mốc quan trọng cho lĩnh vực này - tổng công suất các nhà máy
điện năng lượng mặt trời trên thế giới vượt mốc 100 GW. Và, như dự đoán của hiệp
hội, sau 8 năm, con số này sẽ tăng lên 6 lần. Trước đó, Cơ quan Năng lượng Quốc
tế dự đoán rằng trong vòng 50 năm tới, năng lượng mặt trời sẽ thay thế các đối thủ
cạnh tranh.
Kết quả của năm 2012 thực sự ấn tượng: tổng công suất của tất cả các nhà máy
điện năng lượng mặt trời thế giới đã tăng gần 30 GW và lên đến 100 GWh, tương
đương với tổng công suất của hàng chục nhà máy điện hạt nhân. Nước giữ kỷ lục là
Đức, năm ngoái đã tăng thêm 8 GW. Theo Hiệp hội công nghiệp quang điện Châu
Âu, xét qua tốc độ phát triển của ngành công nghiệp có tương lai này, có thể nói
chẳng bao lâu nữa năng lượng mặt trời sẽ lấn át nhà máy điện truyền thống.
1.5 Mục tiêu của đề tài


6

Để sử dụng năng lượng mặt trời có hiệu quả. Nhiều bài toán với nhiều khía
cạnh khác nhau được đặt ra. Một trong những khía cạnh của nghiên cứu hiện nay là
việc thiết kế và sử dụng hệ pin quang điện sao cho chúng làm việc tốt nhất trong tất
cả các điều kiện khác nhau. Vấn đề tập trung chủ yếu vào kỹ thuật theo dõi và dò
tìm điểm công suất cực đại (MPPT) của một pin quang điện hay của hệ nhiều pin
quang điện kết nối lại, ngay cả trong những điều kiện pin quang điện bị che một
phần.
Đối với một pin quang điện, có thể áp dụng kỹ thuật leo đồi P&O, INC hay
điện áp là hằng số... để theo dõi và dò tìm điểm công suất cực đại. Những kỹ thuật

trên đã đạt được những kết quả xuất sắc trong việc thiết kế, mô phỏng khi dò tìm
điểm công suất cực đại. Tuy nhiên, ngoài những ưu điểm thì những thuật toán này
cũng tồn tại một số nhược điểm nhất định như tốc độ dò tìm chậm, dò công suất
chưa chính xác khi thay đổi bức xạ đột ngột... Bài toán đặt ra là cần phải tìm được
điểm công suất cực đại nhanh hơn, chính xác hơn ngay cả khi thay đổi các điều kiện
về nhiệt độ hay bức xạ, xét đến cả việc kết hợp hai hay nhiều tấm pin quang điện.
Đề tài tập trung nghiên cứu các phương pháp tìm điểm công suất cực đại của
hệ pin quang điện khi kết hợp hai hay nhiều tấm pin quang điện. Dựa theo các đặc
tuyến của pin quang điện thì khi kết hợp nhiều tấm pin sẽ tồn tại điểm cực trị. Điểm
cực trị ấy là các điểm vận hành tối ưu của các tấm pin, nơi mà công suất nhận được
là lớn nhất. Tuy nhiên, điểm vận hành tối ưu này không cố định mà nó thay đổi theo
các điều kiện môi trường đặc biệt là bức xạ mặt trời và nhiệt độ pin quang điện.
Mục tiêu chính của đề tài là phải tìm được điểm vận hành tối ưu nơi mà công suất
nhận được là lớn nhất trong các điều kiện khác nhau, đặc biệt là điều kiện về nhiệt
độ và bức xạ.

1.6 Nội dung nghiên cứu
• Nghiên cứu tổng quan về năng lượng mặt trời.
• Nghiên cứu mô hình toán liên quan đến pin quang điện.


7

• Nghiên cứu các bộ chuyển đổi DC/DC.
• Nghiên cứu các thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại.
• Nghiên cứu phân tích và đề xuất xây dựng giải thuật cho việc tìm
điểm công suất cực đại khi kết hợp nhiều pin quang điện.
• Mô phỏng thuật toán tìm điểm công suất phát của một hệ nhiều pin
quang điện bằng phần mềm Matlab/Simulink với thuật toán đề xuất.
1.7 Phạm vi nghiên cứu của đề tài

Một hệ pin quang điện sử dụng năng lượng mặt trời cơ bản bao gồm 2 loại:
- Hệ pin quang điện quang điện làm việc độc lập.
- Hệ pin quang điện làm việc với lưới.
Tùy theo điều kiện về nhu cầu sử dụng và vị trí địa lý lắp đặt mà hệ nào được
ứng dụng. Nội dung của đề tài chỉ chú trọng đến nghiên cứu các thành phần trong
hệ thống pin quang điện làm việc độc lập.
Một hệ pin quang điện làm việc độc lập bao gồm:
- Hệ thống hấp thụ ánh sáng là các tấm pin quang điện ghép nối lại với nhau.
- Các bộ biến đổi DC/DC và DC/AC.
- Hệ thống điều tiết và lưu trữ năng lượng là các thiết bị điều tiết sạc bình ắc
quy.
Mỗi thành phần trong hệ pin quang điện mang những nhiệm vụ cụ thể riêng
biệt mang tính quyết định đến khả năng làm việc hiệu quả của hệ quang điện đó, cụ
thể như sau:
- Bộ biến đổi DC/DC sử dụng thuật toán điều khiển tìm điểm công suất tối ưu
để làm tăng hiệu quả làm việc của pin quang điện.
- Ắc quy giúp dự trữ điện năng để duy trì hoạt động cho cả hệ thống vào ban
đêm hay khi thời tiết âm u, nhiều mây mưa, lúc cường độ bức xạ ánh sáng yếu


8

không đủ phát ra điện năng.
- Bộ biến đổi điện nghịch lưu DC/AC chuyển đổi dòng điện một chiều từ ắc
quy thành điện xoay chiều (110V, 220V) cung cấp cho các thiết bị điện xoay chiều.
Ta có thể hình dung nguyên lý làm việc của một hệ pin quang điện làm việc độc lập
như hình 1.1

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý làm việc của một hệ pin quang điện
Đề tài tập trung nghiên cứu sâu hơn các vấn đề cụ thể như sau:

- Trình bày bao quát hệ thống pin quang điện làm việc độc lập với tải cố định
(tải thuần trở).
- Nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động, mô hình toán và các đặc tính của
pin quang điện.
- Các bộ biến đổi DC/DC.