Nghiên cứu chế tạo bộ điều khiển cho hệ thống phát điện pin mặt trời tối đa hóa lượng điện năng thu được (LV thạc sĩ)

1


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ
THỐNG PHÁT ĐIỆN PIN MẶT TRỜI TỐI ĐA HÓA
LƯỢNG ĐIỆN NĂNG THU ĐƯỢC

TRẦN ANH TÚ

THÁI NGUYÊN, 2017

2


LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là : Trần Anh Tú
Sinh ngày 13 tháng 10 năm 1989
Học viên lớp cao học K18 – Kỹ thuật điện – Trường Đại học Kỹ thuật Công
nghiệp Thái Nguyên.
Hiện đang công tác tại Trường trung cấp nghề Dân tộc nội trú Thái Nguyên.
Tôi xin cam đoan: Bản luận văn: ‘‘ Nghiên cứu chế tạo bộ điều khiển cho hệ
thống phát điện pin mặt trời tối đa hóa lượng điện năng thu được ’’ do thầy giáo
TS. Nguyễn Minh Ý hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cá các tài
liệu tham khảo đều có nguồn gốc rõ ràng. Các kết quả trong luận văn là trung thực
và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Nếu sai tôi xin chịu

hoàn toàn trách nhiệm.
Thái nguyên, Ngày

tháng

Tác giả luận văn

Trần Anh Tú

3

năm 201


LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian nghiên cứu, được sự động viên, giúp đỡ và hướng dẫn tận
tình của thầy giáo hướng dẫn TS Nguyễn Minh Ý, luận văn với đề tài
“Nghiên cứu chế tạo bộ điều khiển cho hệ thống phát điện pin mặt trời tối đa hóa
lượng điện năng thu được” đã hoàn thành.
Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến:
Thầy giáo hướng dẫn TS. Nguyễn Minh Ý đã tận tình hướng dẫn và cung cấp
cho tác những tài liệu để hoàn thành luận văn này, cũng như việc truyền thụ những
kinh nghiệm quý báu trong suốt thời gian làm luận văn.
Phòng quản lý đào tạo sau đại học, các thầy giáo, cô giáo Khoa Điện
trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã giúp đỡ tác giả trong suốt quá
trình học tập cũng như trong quá trình nghiên cứu đề tài.
Toàn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình và người thân đã quan tâm,
động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn.
Tác giả luận văn

Trần Anh Tú

4


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... 2
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ 4
Danh mục các ký hiệu và viết tắt ............................................................................... 8
Danh mục các bảng .................................................................................................... 8
Danh mục các hình vẽ, đồ thị ..................................................................................... 8
MỞ ĐẦU .................................................................................................................. 12
1. Đặt vấn đề ......................................................................................................... 12
2. Mục tiêu nghiên cứu ......................................................................................... 14
3. Nội dung nghiên cứu......................................................................................... 14
4. Kết quả đạt được ............................................................................................... 14
5. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................. 14
6. Các công cụ, thiết bị cần thiết cho nghiên cứu ................................................. 15
7. Bố cục của luận văn .......................................................................................... 15
CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO VÀ HỆ THỐNG PHÁT
ĐIỆN PIN MẶT TRỜI............................................................................................. 16
1.1. Năng lượng tái tạo ......................................................................................... 16
1.1.1. Khái niệm về năng lượng tái tạo ..............................................................16
1.1.2. Phân loại năng lượng tái tạo .....................................................................16
1.1.2.1. Nguồn gốc từ bức xạ Mặt trời ............................................................16
1.1.2.2. Nguồn gốc nhiệt năng của Trái Đất ...................................................17
1.1.2.3. Nguồn gốc từ động năng hệ Trái Đất - Mặt Trăng ............................17
1.1.3. Vấn đề khai thác năng lượng tái tạo ở Việt Nam .....................................17
1.1.3.1. Thủy điện ...........................................................................................17
1.1.3.2. Điện gió ..............................................................................................18

1.1.3.3. Năng lượng sinh khối ........................................................................18
1.1.3.4. Năng lượng mặt trời ..........................................................................19
1.1.3.5. Năng lượng địa nhiệt.........................................................................19
1.2. Định hướng nghiên cứu đề tài ....................................................................... 20
1.3. Hệ thống phát điện pin mặt trời ..................................................................... 21
1.3.1. Sơ đồ khối hệ thống..................................................................................21
1.3.2. Ý nghĩa của các khối trong sơ đồ .............................................................21
1.4. Kết luận chương 1 .......................................................................................... 22

5


CHƯƠNG 2: THUẬT TOÁN TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI..................... 23
2.1. Giới thiệu chung: ........................................................................................... 23
2.1.1. MPPT là gì? ..............................................................................................23
2.1.2. Các đặc tính chính của điều khiển MPPT. ...............................................23
2.2. Mô hình toán học và đặc tính làm việc của pin mặt trời ............................... 24
2.3. Các phương pháp tìm điểm công suất cực đại ............................................... 26
2.3.1. Phương pháp tạo dao động vào quan sát P&O .........................................26
2.3.2. Phương pháp điện dẫn gia tăng INC ........................................................28
2.3.3. Phương pháp điện áp không đổi CV ........................................................30
2.3.4. Phương pháp ngắn mạch SC ....................................................................30
2.3.5. Phương pháp điện áp hở mạch OV ..........................................................30
2.3.6. Phương pháp nhiệt độ TM ........................................................................31
2.3.7. Phương pháp độ dốc tối ưu ......................................................................31
2.3.8. Phương pháp trí tuệ nhân tạo....................................................................33
2.3.9. Tìm MPP cho nguồn PV ở chế độ vận hành bị che khuất một phần. ......35
2.4. Bộ biến đổi năng lượng Buck converter ........................................................ 37
2.4.1. Nguyên lý làm việc: .................................................................................37
2.4.2. Bộ lọc L – C .............................................................................................41

2.4.3. Điều khiển PWM ......................................................................................42
2.4.3.1. Khái niệm và nguyên lý .....................................................................42
2.4.3.2. Các cách tạo ra được PWM để điều khiển:........................................44
2.4.3.3. Ứng dụng ...........................................................................................45
2.5. Thuật toán ...................................................................................................... 45
2.6. Kết quả ........................................................................................................... 49
2.7. Kết luận chương 2 .......................................................................................... 49
CHƯƠNG 3: BỘ ĐIỀU KHIỂN XOAY THEO VỊ TRÍ MẶT TRỜI .................... 50
3.1. Vị trí của mặt trời so với trái đất: .................................................................. 50
3.1.1. Góc thiên độ δ. .........................................................................................50
3.1.2. Góc cao độ β và góc phương vị ΦS . .........................................................51
3.1.3. Giờ mặt trời mọc và giờ mặt trời lặn. .......................................................52
3.1.4. Chùm tia bức xạ. ......................................................................................52
3.2. Những bộ điều khiển dàn pin mặt trời cố định, xoay một trục và hai trục .... 54
6


3.2.1. Dàn pin mặt trời cố định...........................................................................55
3.2.2. Dàn pin mặt trời xoay 1 trục ....................................................................57
3.2.3. Dàn pin mặt trời xoay 2 trục ....................................................................60
3.2.4. So sánh năng lượng thu được giữa dàn pin măt cố định, một trục và hai
trục. .....................................................................................................................63
3.3. Cấu tạo dàn pin mặt trời xoay hai trục .......................................................... 64
3.3.1.

Cảm biến quang trở (LDR): ..................................................................65

3.3.2.

Động cơ bước (Stepper motor) .............................................................66

3.3.3.

Module TB6560. ...................................................................................67

3.4. Mô hình thực tế dàn pin mặt trời xoay hai trục ............................................ .68
3.5. Thuật toán ...................................................................................................... 71
3.6. Kết quả chạy thực nghiệm mô hình ............................................................... 72
3.7. Kết luận chương 3 .......................................................................................... 79
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................... 80
4.1. Kết luận .......................................................................................................... 80
4.2. Kiến nghị ....................................................................................................... 80
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................ 82
PHỤ LỤC ................................................................................................................. 84

7


Danh mục các ký hiệu và viết tắt
NLMT

Năng lượng mặt trời

NLTT

Năng lượng tái tạo

MPPT - Maximum power point tracking Thuật toán tìm điểm công suất cực đại
MPP - Maximum power point

Điểm công suất cực đại

PV - Photovaltaic

Pin Mặt trời

DC - DC

Bộ biến đổi một chiều sang một chiều

DC - AC

Bộ biến đổi một chiều sang xoay chiều
Danh mục các bảng

Bảng

Tên bảng

Trang

1.1

Công suất năng lượng tái tạo khai thác ở Việt Nam

18

1.2

Số liệu về bức xạ năng lượng Mặt trời của các vùng ở Việt Nam

18

3.1

Các thiết bị cần thiết để thiết kế dàn pin mặt trời xoay hai trục

66

Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Hình

Tên hình

Trang

1.1

Sơ đồ khối của hệ thống phát điện sử dụng năng lượng mặt trời.

19

2.1

Mạch tương đương của modul PV

23

2.2

Quan hệ I(U) và P(U) của PV

24

2.3

Thuật toán tìm MPP theo phương pháp P&O

25

2.4

Trường hợp không hội tụ của phương pháp P&O

26

2.5

Phương pháp INC

27

2.6

Phương pháp ANN

31

2.7

Hệ thống suy diễn mờ

32

2.8

Thuật toán theo dõi MPP ở chế độ làm việc không lý tưởng

35

2.9

Nguyên lý làm việc của bộ buck converter

35

2.10

Chế độ làm việc của bộ buck converter

36

2.11

Sự biến thiên điện áp và dòng theo thời gian trong hoạt động bộ
biến đổi buck lý tưởng trong chế độ liên tục

8

36

2.12

Sự biến thiên điện áp và dòng theo thời gian trong hoạt động bộ
biến đổi buck lý tưởng trong chế độ không liên tục

38

2.13

Mạch lọc tần số thấp

39

2.14

Mạch lọc tần số cao

40

2.15

Đồ thị dạng xung điều chế PWM

40

2.16

Mạch nguyên lý điều khiển tải bằng PWM

41

2.17

Sơ đồ xung của van điều khiển và đầu ra

41

2.18

Tạo xung vuông bằng phương pháp so sánh

42

2.19

Sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển động cơ DC

43

2.20

Đường đặc tính P-V và thuật toán P&O

44

2.21

Lưu đồ thuật toán P&O điều khiển thông qua điện áp tham

chiếu Vref

45

2.22

Mạch điều khiển tìm điểm công suất cực đại

47

3.1

Quỹ đạo quay của Trái Đất quanh Mặt Trời

48

3.2

Góc giữa mặt trời và đường xích đạo

49

3.3

Góc cao độ β và góc phương vị ΦS

50

3.4

Tia bức xạ trực tiếp, bức xạ tán xạ và bức xạ phản xạ

50

3.5

Cường độ bức xạ ngoài khí quyển ngày quang đãng

51

3.6

Chùm tia bức xạ trục tiếp, bức xạ tán xạ, bức xạ phản xạ

52

3.7

Dàn pin mặt trời cố định

53

3.8

3.9

3.10

3.11

3.12

Đồ thị mô tả mức năng lượng thu được của tia bức xạ trực tiếp
trong một ngày
Đồ thị mô tả mức năng lượng thu được của tia bức xạ tán xạ
trong một ngày
Đồ thị mô tả mức năng lượng thu được của tia bức xạ phản xạ
trong một ngày
Dàn pin mặt trời một trục xoay theo hướng Đông – Tây và một
trục hướng về phía Nam và nghiêng một góc bằng vĩ độ
(a) dàn pin mặt trời xoay một góc 150/ 1h.
(b) Dàn pin nhìn từ Bắc Cực xuống.

9

53

54

55

55

56


3.13

Năng lượng thu được của bức xạ trực tiếp

56

3.14

Năng lượng thu được của bức xạ tán xạ

57

3.15

Năng lượng thu được của bức xạ phản xạ

58

3.16

Dàn pin mặt trời xoay hai trục theo hướng Bắc - Nam và Đông
– Tây

59

Năng lượng thu được của bức xạ trực tiếp

59

3.18

Năng lượng thu được của bức xạ tán xạ

60

3.19

Năng lượng thu được của bức xạ phản xạ

60

3.20

Tổng năng lượng dàn pin mặt trời nhận được trong 1 ngày/m2

61

3.21

Tổng năng lượng dàn pin mặt trời nhận được trên 1m2/1 năm

62

3.22

Sơ đồ khối dàn pin mặt trời xoay hai trục

62

3.23

Các cảm biến quang trở được lắp trên dàn pin mặt trời

63

3.24

Cảm biến quang trở

63

3.25

Điện trở của LDR ở điều kiện ánh sáng khác nhau

64

3.26

Mô đun TB6560

65

3.27

Vị trí các cảm biến được bố trí trên dàn pin mặt trời

67

3.28

Kết nối LDR với Arduino

67

3.29

Kết nối Aruino với TB6560 và động cơ bước

68

3.17

3.30

Mô hình dàn pin mặt trời xoay hai trục
(1): động cơ bước; (2): Cơ cấu cơ khí

68

Mô hình dàn pin mặt trời xoay hai trục.
3.31

(3): Cảm biến quang trở; (4): Tấm pin mặt trời; (5) Modul

69

TB6560; (6) Ắc qui; (7) Mạch tìm điểm công suất cực đại.
3.32

Lưu đồ thuật toán điều khiển xoay hai trục theo hướn mặt trời

69

3.33

Đồ thị công suất của tấm pin mặt trời

70

3.34

Đồ thị dòng điện của tấm pin mặt trời

71

3.35

Đồ thị điện áp của tấm pin mặt trời

72

3.36

Đồ thị độ rộng xung

72

3.37

Đồ thị công suất của tấm pin mặt trời

73

3.38

Đồ thị dòng điện của tấm pin mặt trời

73

10


3.39

Đồ thị điện áp của tấm pin mặt trời

74

3.40

Đồ thị độ rộng xung

74

3.41

Đồ thị công suất của tấm pin mặt trời

75

3.42

Đồ thị dòng điện của tấm pin mặt trời

76

3.43

Đồ thị điện áp của tấm pin mặt trời

76

3.44

Đồ thị độ rộng xung

77

11


MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Nhu cầu về năng lượng của con người trong thời đại khoa học kỹ thuật phát
triển ngày càng tăng. Trong khi đó các nguồn nguyên liệu dự trữ như than đá, dầu
mỏ, khí thiên nhiên và ngay cả thủy điện đều có hạn, việc khai thác và sử dụng không
hợp lý khiến cho nhân loại đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng và gây ra nhiều
hậu quả nghiêm trọng.
Nguồn nguyên liệu hóa thạch sử dụng ở các nhà máy nhiệt điện đã thải ra môi
trường lượng khí CO2 rất lớn, lượng CO2 này hàng triệu năm sau các loài thực vật
mới hấp thụ hết. Việc khai thác than đã làm nhiều hồ thủy lợi lớn bị ô nhiễm, tài
nguyên rừng bị suy thoái , gây cạn kiệt dòng sinh thuỷ, gây ngập úng và hạn hán cục
bộ, làm bồi lắng lòng hồ, ảnh hưởng không nhỏ đến đời sống dân sinh các khu vực

lân cận. Không những vậy mà mà nó còn làm ô nhiễm mỗi trường và làm trái đất
nóng dần lên.
Dầu mỏ là nguyên liệu hóa thạch được sử dụng nhiều nhất trên thế giới, tuy
nhiên việc khai thác và sử dụng chưa hợp lý đã làm ảnh hưởng lớn đến môi trường.
Các vụ tràn dầu mỏ trên biển làm ảnh hưởng lớn đến môi trường, các hợp chất trong
dầu tràn tác động như một chất độc đối với sinh vật, nếu tồn tại trong môi trường thời
gian dài thì chúng sẽ phá hủy hệ sinh thái. Dầu tràn lảm thiệ hại về kinh tế cho các
hoạt động ven biển, cho người sử dụng biển và cho việc khắc phục phục ô nhiễm.
Nguồn năng lượng nguyên tử được nhiều nước trên thế giới sử dụng trong các
nhà máy điện hạt nhân song nó chưa thực sự an toàn và còn chứa đựng nhiều rủi ro.
Việc để rò rỉ chất thải phóng xạ và sự cố của các nhà máy đã gây hậu quả nghiêm
trọng đến đời sống (Năm 1979 sự cố nghiêm trọng tại nhà máy điện hạt nhân Three
Mile Island ở Mỹ khiến quốc gia này phải tạm ngừng xây dựng các lò phản ứng. Năm
1986 nhà máy điện hạt nhân Chernobyl bị nổ, đây được coi là vụ tai nạn hạt nhân
trầm trọng nhất trong lịch sử năng lượng hạt nhân và nó đã làm cho đám mây phóng
xạ lan rộng ra Đông Âu, Tây Âu, đông Hoa Kỳ gây ô nhiễm nghiêm trọng. Năm
2011 sự cố nhà máy điện Fukushima 1 ở Nhật Bản do thảm họa của động đất và sóng
thần đã gây tác động rất nghiêm trọng về người và của, nhất là lượng phóng xạ lan

12


rộng đến các vùng khác. Tại Việt Nam cũng đã đo được bụi phóng xạ tại một số nơi
sau vụ nổ nhà máy điện Fukushima.)
Tuy nguồn nước sản suất điện là năng lượng sạch và bền vững, không tiêu thụ
nhiên liệu, không xả khí thải độc hại đến môi trường nhưng nó lại tàn phá nặng nề
môi trường sinh thái ở một số phương diện khác. Thảm thực vật bị phân hủy trong
tình trạng bị ngập nước dưới đáy hồ khiến sản sinh ra khí metan, một loại khí nhà
kính nguy hiểm. Các con đập đã ngăn chặn mất của những người nông dân vùng hạ
lưu dòng phù sa màu mỡ và các loại thủy sản. Những vụ xả hồ chứa bất ngờ để chống

quá tải đập trước một cơn lũ bất ngờ gây lũ lụt cho vùng hạ lưu, cuốn trôi nhà cửa,
tài sản, hoa màu và cướp đi sinh mạng của nhiều người.
Chính vì vậy mà chúng ta cần phải đẩy mạnh nghiên cứu sử dụng các nguồn
năng lượng tái tạo để dần thay thế các nguồn nguyên liệu hóa thạch truyền thống,
trong đó, năng lượng mặt trời chính là nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm,
không cạnh tranh nguồn nhiên liệu mà ta cần phải hướng tới trong tương lai.
Việt nam được xem là một quốc gia có tiềm năng rất lớn về năng lượng mặt
trời, số giờ nắng trung bình khoảng 1700-2500 giờ/năm, bức xạ mặt trời trung bình 5
kWh/m2/ngày.
Hiện nay, việc sử dụng năng lượng mặt trời (NLMT), thay thế cho việc sử
dụng các nguồn năng lượng điện được sản xuất ra nhờ các nguồn nguyên liệu hóa
thạch truyền thống như than đá, dầu mỏ, khí đốt,… đã trở nên rất phổ biến tại các
quốc gia phát triển. Việc ứng dụng các giải pháp để sử dụng năng lượng mặt trời tại
Việt Nam còn rất mới mẻ. Trong khi đó, Việt nam được đánh giá là một quốc gia có
tiềm năng rất lớn về nguồn năng lượng tái tạo này. Đây lại là nguồn năng lượng
sạch, không gây ô nhiễm, không cạnh tranh nguồn nhiên liệu. Tuy nhiên do công
nghệ còn mới mẻ nên hiện tại giá thành 1kW/h còn cao so với thuỷ điện, nhiệt điện.
Ở Việt Nam hầu hết các hệ thống năng lượng mặt trời thường được lắp cố định
nên năng lượng thu được còn chưa cao. Chính vì vậy mà việc “ Nghiên cứu chế tạo
bộ điều khiển cho hệ thống phát điện pin mặt trời tối đa hóa lượng điện năng thu
được” là rất cần thiết.

13


2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu chế tạo bộ điều khiển cho hệ thống phát điện pin mặt trời
(Photovoltaics) đảm bảo tối đa hóa lượng điện năng thu được. Bộ điều khiển gồm 02
phần:
+ Điều khiển bám điểm công suất cực đại: Điều khiển điện áp đầu ra của pin

mặt trời thông qua điều khiển độ rộng xung (PWM) của bộ biến đổi năng lượng
DC/DC; cho phép tối đa hóa năng lượng chuyển hóa thành điện năng (hiệu suất) của
pin mặt trời.
+ Điều khiển cơ cấu xoay hệ thống theo vị trí mặt trời: Điều khiển cho hệ thống
pin mặt trời luôn vuông góc với ánh sáng mặt trời, thu được nhiều tia bức xạ nhất.
3. Nội dung nghiên cứu
+ Nghiên cứu về nguồn năng lượng mặt trời.
+ Nghiên cứu các công nghệ phát điện mặt trời và các yếu tố ảnh hưởng đến
chế độ làm việc của nguồn điện năng lượng mặt trời.
+ Nghiên cứu bộ biến đổi năng lượng sử dụng trong hệ thống phát điện pin mặt
trời.
+ Nghiên cứu thuật toán điều khiển bám công suất cực đại (maximum power
point tracking).
+ Nghiên cứu các cơ cấu xoay, bám mặt trời (1 trục, 2 trục) sử dụng trong nguồn
điện mặt trời.
4. Kết quả đạt được
Mô hình hệ thống phát điện pin mặt trời hoàn chỉnh.
5. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết: Phân tích đánh giá và hệ thống hóa các công trình nghiên
cứu được công bố thuộc lĩnh vực liên quan: bài báo, sách tham khảo, tài liệu hướng
dẫn,…
- Nghiên cứu thực tiễn: Thiết kế và chế tạo hệ thống cơ cấu xoay bám mặt trời,
bộ biến đổi năng lượng sử dụng trong hệ thống phát điện pin mặt trời và lập trình bộ
vi xử lý có sử dụng thuật toán điều khiển bám công suất cực đại (maximum power
point tracking).

14


6. Các công cụ, thiết bị cần thiết cho nghiên cứu

STT

Tên thiết bị, dụng cụ

Số lượng,

Tình

chủng loại

trạng

1

Tấm pin năng lượng mặt trời 30W

1

Mới

2

Ắc qui 12V - 15A

1

Mới

3

Vi điều khiển Arduino

1

Mới

4

Thiết bị điện tử công suất

1

Mới

5

Động cơ điện (DC)

2

Mới

6

Cơ cấu cơ khí cho hệ thống xoay

1

Mới

1

Mới

(bánh răng, trục, v.v.)
7

Thiết bị hiển thị LCD

7. Bố cục của luận văn
Ngoài phần mở đầu, kết luận, luận văn được chia thành 04 chương như sau:
+ Chương 1: Khái quát về năng lượng tái tạo và hệ thống phát điện pin mặt
trời.
+ Chương 2: Thuật toán tìm điểm công suất cực đại.
+ Chương 3: Thiêt kế bộ điều khiển xoay theo vị trí mặt trời.
+ Chương 4: Kết luận và kiến nghị.

15


CHƯƠNG 1
KHÁI QUÁT VỀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO VÀ
HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN PIN MẶT TRỜI
1.1. Năng lượng tái tạo
1.1.1. Khái niệm về năng lượng tái tạo1
Năng lượng tái tạo được hiểu là những nguồn năng lượng hay những phương
pháp khai thác năng lượng mà nếu đo bằng các chuẩn mực của con người thì là vô
hạn. Vô hạn có hai nghĩa: Hoặc là năng lượng tồn tại nhiều đến mức mà không thể
trở thành cạn kiệt vì sự sử dụng của con người (thí dụ như năng lượng Mặt Trời) hoặc
là năng lượng tự tái tạo trong thời gian ngắn và liên tục (thí dụ như năng lượng sinh

khối) trong các quy trình còn diễn tiến trong một thời gian dài trên Trái Đất.
Theo ý nghĩa về vật lý, năng lượng không được tái tạo mà trước tiên là do Mặt
Trời mang lại và được biến đổi thành các dạng năng lượng hay các vật mang năng
lượng khác nhau. Tùy theo trường hợp mà năng lượng này được sử dụng ngay tức
khắc hay được tạm thời dự trữ.
1.1.2. Phân loại năng lượng tái tạo1
Nguồn năng lượng tái tạo bao gồm có: Năng lượng mặt trời, năng lượng địa
nhiệt, năng lượng thủy triều, năng lượng gió, thủy điện, sinh khối, nhiên liệu sinh
học. Theo nguồn gốc xuất xứ ta phân năng lượng tái tạo thành ba loại như sau:
1.1.2.1. Nguồn gốc từ bức xạ Mặt trời
Năng lượng Mặt Trời thu được trên Trái Đất là năng lượng của dòng bức xạ
điện từ xuất phát từ Mặt Trời đến Trái Đất. Chúng ta có thể trực tiếp thu lấy năng
lượng này thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển năng lượng các photon của Mặt
Trời thành điện năng, như trong pin Mặt Trời. Năng lượng của các photon cũng có
thể được hấp thụ để làm nóng các vật thể, tức là chuyển thành nhiệt năng, sử dụng
cho bình đun nước Mặt Trời, hoặc làm sôi nước trong các máy nhiệt điện của tháp
Mặt Trời, hoặc vận động các hệ thống nhiệt như máy điều hòa Mặt Trời. Năng lượng
của các photon cũng có thể được hấp thụ và chuyển hóa thành năng lượng trong
các liên kết hóa học của các phản ứng quang hóa.

1

Https://vi.wikipedia.org/wiki/Năng_lượng_tái_tạo

16


1.1.2.2. Nguồn gốc nhiệt năng của Trái Đất
Nhiệt năng của Trái Đất, gọi là địa nhiệt, là năng lượng nhiệt mà Trái Đất có
được thông qua các phản ứng hạt nhân âm ỉ trong lòng. Nhiệt năng này làm nóng

chảy các lớp đất đá trong lòng Trái Đất, gây ra hiện tuợng di dời thềm lục địa và sinh
ra núi lửa. Các phản ứng hạt nhân trong lòng Trái Đất sẽ tắt dần và nhiệt độ lòng trái
Đất sẽ nguội dần, nhanh hơn nhiều so với tuổi thọ của mặt Trời. Địa nhiệt có thể là
nguồn năng lượng sản xuất công nghiệp quy mô vừa, trong các lĩnh vực như: Nhà
máy điện địa nhiệt, sưởi ấm địa nhiệt.
1.1.2.3. Nguồn gốc từ động năng hệ Trái Đất - Mặt Trăng
Trường hấp dẫn không đều trên bề mặt Trái Đất gây ra bởi Mặt Trăng, cộng
với trường lực quán tính ly tâm không đều tạo nên bề mặt hình elipsoit của thủy quyển
Trái Đất (và ở mức độ yếu hơn, của khí quyển Trái Đất và thạch quyển Trái Đất). Sự
nâng hạ của nước biển có thể làm chuyển động các máy phát điện trong các nhà máy
điện thủy triều. Về lâu dài, hiện tượng thủy triều sẽ giảm dần mức độ, do tiêu thụ dần
động năng tự quay của Trái Đất, cho đến lúc Trái Đất luôn hướng một mặt về phía
Mặt Trăng.
1.1.3. Vấn đề khai thác năng lượng tái tạo ở Việt Nam2
1.1.3.1. Thủy điện
Căn cứ vào các báo cáo đánh giá gần đây nhất thì hiện nay có trên 1.000 địa
điểm đã được xác định có tiềm năng phát triển thủy điện nhỏ, qui mô từ 100 kW tới
30 MW với tổng công suất đặt trên 7.000 MW và hiện nay mới chỉ khai thác được
khoảng 50% tiềm năng. Theo báo cáo của Viện Chiến lược - Chính sách tài nguyên
và môi trường, hiện tại có 114 dự án với tổng công suất khoảng 850 MW đã cơ bản
hoàn thành, 228 dự án với công suất trên 2600 MW đang được xây dựng và 700 dự
án đang giai đoạn nghiên cứu. Ngoài ra các dự án thủy điện cực nhỏ công suất dưới
100 kW phù hợp với vùng sâu, vùng xa, những nơi có địa hình hiểm trở có thể tự
cung tự cấp theo lưới điện nhỏ và hộ gia đình cũng đã và đang được khai thác.

Lương Duy Thành, Phan Văn Độ, Nguyễn Trọng Tâm(9/2015), Thực trạng khai thác năng lượng tái tạo ở
Việt Nam, Tạp chí khoa học kỹ thuật thủy lợi và môi trường – Số 50.
2

17

1.1.3.2. Điện gió
Nằm trong khu vực cận nhiệt đới gió mùa với bờ biển dài hơn 3000 km, Việt
Nam có một thuận lợi cơ bản để phát triển năng lượng gió. Trong chương trình đánh
giá về năng lượng cho châu Á, Ngân hàng Thế giới đã có một khảo sát chi tiết về
năng lượng gió khu vực Đông Nam Á, trong đó Việt Nam có tiềm năng gió lớn nhất.
Hiện nay chưa có số liệu đánh giá tiềm năng năng lượng gió chính xác, nhưng sơ bộ
các đánh giá khác nhau đưa ra con số tiềm năng năng lượng gió của Việt Nam dao
động trong khoảng 1.700 MW – 9000 MW. Thậm chí có báo cáo còn đưa ra số liệu
vào khoảng 513.360 MW, tức là bằng hơn 200 lần công suất của thủy điện Sơn La,
cao gấp 6 lần công suất dự kiến của ngành điện vào năm 2020 và lớn hơn nhiều so
với tiềm năng các nước trong khu vực như Thái Lan (152.392 MW), Lào (182.252
MW) và Campuchia (26.000 MW). Như vậy nếu so với tiềm năng của thủy điện thì
nguồn năng lượng gió của Việt Nam rất dồi dào. Chúng ta đã bắt đầu triển khai một
số dự án khai thác nguồn năng lượng này như ở Cà Mau, Bạc Liêu, Ninh Thuận và
một số huyện đảo không thể đưa điện lưới từ đất liền ra. Tuy nhiên, hiện nay chúng
ta mới chỉ khai thác được khoảng 50 MW, một con số rất khiêm tốn so với tiềm năng
năng lượng gió của nước ta.
1.1.3.3. Năng lượng sinh khối
Là một nước nông nghiệp, Việt Nam có tiềm năng rất lớn về nguồn năng lượng
sinh khối. Các loại sinh khối chính là: gỗ củi, phế thải - phụ phẩm từ cây trồng, chất
thải chăn nuôi, rác thải ở đô thị và các chất thải hữu cơ khác khác từ chế biến nônglâm-hải sản... Theo đánh giá của các nghiên cứu gần đây, khả năng khai thác năng
lượng sinh khối rắn cho năng lượng và phát điện của Việt Nam có thể đạt 150-170
triệu tấn mỗi năm và đạt công suất 2000MW. Sinh khối được sử dụng ở hai lĩnh vực
chính là sản xuất nhiệt và sản xuất điện. Đối với sản xuất nhiệt, sinh khối cung cấp
hơn 50% tổng năng lượng sơ cấp tiêu thụ cho sản xuất nhiệt tại Việt Nam. Ở các vùng
nông thôn, năng lượng sinh khối vẫn là nguồn nhiên liệu chính để đun nấu cho hơn
70% dân số nông thôn. Đây cũng là nguồn nhiên liệu truyền thống cho nhiều nhà máy
sản xuất tại địa phương như sản xuất thực phẩm, mỹ nghệ, gạch, sứ và gốm. Ngoài

ra các nguồn sinh khối còn được khai thác ở dạng khí sinh học và nhiên liệu sinh học.
Hiện nay năng lượng sinh khối mới chỉ khai thác được khoảng 150 MW.

18


1.1.3.4. Năng lượng mặt trời
Việt Nam được xem là một quốc gia có tiềm năng rất lớn về năng lượng mặt
trời, đặc biệt ở các vùng miền trung và miền nam của đất nước, với cường độ bức xạ
mặt trời trung bình khoảng 5 kWh/m2. Trong khi đó cường độ bức xạ mặt trời lại thấp
hơn ở các vùng phía Bắc, ước tính khoảng 4 kWh/m2 do điều kiện thời tiết với trời
nhiều mây và mưa phùn vào mùa đông và mùa xuân. Ở Việt Nam, bức xạ mặt trời
trung bình 230-250 kcal/cm2 theo hướng tăng dần về phía Nam chiếm khoảng 2.000
- 5.000 giờ trên năm, với ước tính tiềm năng lý thuyết khoảng 43,9 tỷ TOE(tấn dầu
tương đương) . Năng lượng mặt trời ở Việt Nam có sẵn quanh năm, khá ổn định và
phân bố rộng rãi trên các vùng miền khác nhau của đất nước. Đặc biệt, số ngày nắng
trung bình trên các tỉnh của miền trung và miền nam là khoảng 300 ngày/năm. Năng
lượng mặt trời được khai thác sử dụng chủ yếu cho các mục đích như: sản xuất điện
và cung cấp nhiệt.
1.1.3.5. Năng lượng địa nhiệt
Là năng lượng được tách ra từ nhiệt trong lòng Trái Đất. Năng lượng này có
nguồn gốc từ sự hình thành ban đầu của hành tinh, từ hoạt động phân hủy phóng xạ
của các khoáng vật, và từ năng lượng mặt trời được hấp thụ tại bề mặt Trái Đất. Năng
lượng địa nhiệt đã được sử dụng để nung và tắm kể từ thời La Mã cổ đại nhưng ngày
nay nó được dùng để phát điện. Có khoảng 10 GW công suất điện địa nhiệt được lắp
đặt trên thế giới đến năm 2007, cung cấp 0,3% nhu cầu điện toàn cầu. Thêm vào đó,
28 GW công suất nhiệt địa nhiệt trực tiếp được lắp đặt phục vụ cho sưởi, spa, các quá
trình công nghiệp, lọc nước biển và nông nghiệp ở một số khu vực.
Như vậy, hiện tại ở Việt Nam có 5 loại năng lượng tái tạo3 đã được khai thác
để sản xuất điện. Theo thống kê chưa đầy đủ, tổng công suất lắp đặt khoảng 1.215

MW.
Bảng 1.1: Công suất năng lượng tái tạo khai thác ở Việt Nam
STT

Loại nguồn

Công suất (MW)

1

Thủy điện nhỏ

1000

Th.S. Hoàng Thị Thu Hường (04/2014), Thực trạng năng lượng tại tạo Việt Nam và hướng phát triển bền
vững - Kỳ 1 .
3

19


2

Sinh khối

152

3

Rác thải sinh hoạt

8

4

Mặt trời

3

5

Gió

52

Tổng cộng

1215

Thực trạng khai khác năng lượng tái tạo còn rất nhỏ so với tiềm năng chiếm
khoảng 3,4%. Trong khi đó theo Quy hoạch điện VII, chỉ tiêu được đặt ra là tăng tỷ
lệ điện năng sản xuất từ các nguồn NLTT chiếm 3,5% năm 2010 lên 4,5% và 6% vào
năm 2020 và năm 2030. Với bối cảnh hiện nay và dự báo trong thời gian tới cần có
giải pháp cụ thể để nâng mức phát triển năng lượng tái tạo cao hơn.
1.2. Định hướng nghiên cứu đề tài
Về mặt vị trí địa lý, Việt Nam được hưởng một nguồn NLTT vô cùng
lớn, đặc biệt là năng lượng Mặt trời. Trải dài từ vĩ độ 23023’ Bắc đến 8027’ Bắc, Việt
Nam nằm trong khu vực có cường độ bức xạ Mặt trời tương đối cao. Trong đó, nhiều
nhất phải kể đến thành phố Hồ Chí Minh, tiếp đến là các vùng Tây Bắc (Lai Châu,
Sơn La, Lào Cai) và vùng Bắc Trung Bộ (Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh).

Bảng 1.2. Số liệu về bức xạ năng lượng Mặt trời của các vùng ở Việt Nam
Giờ nắng

Bức xạ

Khả năng

trong năm (h)

(kcal/cm2/năm)

ứng dụng

Đông Bắc

1500-1700

100-125

Thấp

Tây Bắc

1750-1900

125-150

Trung bình

Bắc Trung Bộ

1700-2000

140-160

Tốt

Tây Nguyên, Nam Trung Bộ

2000-2600

150-175

Rất tốt

Nam Bộ

2200-2500

103-150

Rất tốt

Trung bình cả nước

1700-2500

100-175

Tốt

Vùng

Năng lượng Mặt trời có nhiều ưu điểm như: Có tự nhiên, sạch, chi phí
nhiên liệu và bảo dưỡng thấp, thân thiện với con người nói riêng cũng như vạn
vật xung quanh… Phát triển ngành công nghiệp sản xuất năng lượng từ pin Mặt
trời (PV) sẽ góp phần thay thế một phần các nguồn năng lượng hóa thạch, giảm
phát khí thải nhà kính, bảo vệ môi trường. Vì vậy, sử dụng năng lượng Mặt trời như
một nguồn năng lượng tại chỗ và tiến đến kết nối lưới có ý nghĩa rất lớn về khoa học
20


và thực tiễn. Góp phần đảm bảo cho cân băng năng lượng bền vững. Tuy nhiên, việc
ứng dụng năng lượng Mặt trời ở Việt Nam cho đến nay chưa phát triển xứng với kỳ
vọng.
Trong đề tài này, chúng tôi tập chung nghiên cứu chế tạo bộ điều khiển hoàn
chỉnh cho hệ thống phát điện pin mặt trời (Photovoltaics) đảm bảo tối đa hóa lượng
điện năng thu được. Bộ điều khiển gồm 02 phần:
- Điều khiển bám điểm công suất cực đại: Điều khiển điện áp đầu ra của pin
mặt trời thông qua điều khiển độ rộng xung (PWM) của bộ biến đổi năng lượng
DC/DC sử dụng thuật toán điều khiển bám công suất cực đại (maximum power point
tracking); cho phép tối đa hóa năng lượng chuyển hóa thành điện năng (hiệu suất)
của pin mặt trời.
- Điều khiển cơ cấu xoay hệ thống theo vị trí mặt trời: Điều khiển cho hệ thống
pin mặt trời luôn vuông góc với ánh sáng mặt trời, thu được nhiều tia bức xạ nhất.
1.3. Hệ thống phát điện pin mặt trời
1.3.1. Sơ đồ khối hệ thống
Hệ thống phát điện sử dụng năng lượng mặt trời là một hệ thống khai thác
nguồn năng lượng mặt trời thông qua một bộ biến đổi điện tử công suất để biến thành
điện áp một chiều, điện áp xoay chiều 1 pha hoặc 3 pha có tần số 50Hz (hoặc 60Hz)

để cung cấp cho tải hoặc nối lưới điện quốc gia hoặc nối lưới khu vực. Hệ thống này
rất linh hoạt trong lắp đặt và sử dụng, là một bộ phận không thể thiếu trong lưới điện
thông minh.
DC

DC

Dàn pin
Mặt trời

AC

DC
Bộ theo dõi
điểm làm
việc cực đại

Máy
biến áp

Lưới
điện

Tải AC
Ắc quy

Tải DC

Hình 1.1 : Sơ đồ khối của hệ thống phát điện sử dụng năng lượng mặt trời
1.3.2. Ý nghĩa của các khối trong sơ đồ

- Dàn pin Mặt trời : làm nhiệm vụ biến đổi năng lượng mặt trời thành điện
năng một chiều với công suất điện phụ thuộc vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ làm việc
của pin mặt trời.

21


- Khối bộ biến đổi một chiều – một chiều (DC - DC) có nhiệm vụ biến đổi
điện áp một chiều tương ứng với điểm công suất cực đại thành điện áp một chiều có
giá trị phù hợp và ổn định.
- Ắc quy sử dụng để tích trữ và phát dòng điện một chiều DC
- Bộ biến đổi một chiều – xoay chiều (DC – AC) biến đổi điện áp một chiều
thành điện áp xoay chiều, tần số 50Hz phù hợp với lưới điện để cung cấp cho tải.
- Máy biến áp có nhiệm vụ tăng điện áp xoay chiều để truyền tải lên lưới.
1.4. Kết luận chương 1
Trong chương 1 tác giả đã nghiên cứu, tìm hiểu về :
+ Các dạng năng lượng tái tạo, phân loại các dạng năng lượng tái tạo, vấn đề
khai thác năng lượng tái tạo ở Việt Nam.
+ Sơ đồ khối của hệ thống phát điện sử dụng năng lượng mặt trời, ý nghĩa của
các khối trong sơ đồ.

22


CHƯƠNG 2
THUẬT TOÁN TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI
2.1. Giới thiệu chung:
2.1.1. MPPT là gì?
Điều khiển sạc MPPT là một điều khiển sạc bên trong có bộ vi xử lý sử dụng
thuật toán MPPT để làm pin mặt trời hấp thu tối đa năng lượng bức xạ của mặt trời

và nạp vào ắc quy.
Điều khiển sạc MPPT bao gồm một bộ chuyển đổi DC/DC: nó lấy điện DC
(một chiều) từ pin mặt trời, sau đó đổi lại điện DC để nạp vào bình ắc quy. Vì điều
khiển sạc MPPT điều khiển tích cực và riêng biệt cho cả 2 đầu vào (pin mặt trời) và
đầu ra (bình ắc quy) cho nên nó cần 2 dòng DC riêng biệt:
- Đối với kết nối đến pin mặt trời: bộ vi xử lý sử dụng thuật toán MPPT theo
dõi đường cong dòng - áp làm việc của pin mặt trời, ép pin mặt trời làm việc tại dòng
và áp của điểm công suất cực đại MPP.
- Đối với kết nối bình ắc quy, điều khiển sạc cấp dòng DC nạp bình có đặc
tính dòng nạp tối ưu:
+ Khi dòng từ pin mặt trời thấp, điều khiển sạc MPPT làm nhiệm vụ tăng,
nâng dòng lên để nạp vào bình.
+ Khi dòng từ pin mặt trời cao, điều khiển sạc MPPT làm nhiệm vụ giảm, hạ
dòng xuống để bảo vệ bình.
Có thể thấy đối với thời tiết thay đổi, lượng bức xạ mặt trời khi thấp khi cao
thì vai trò điều tiết của điều khiển sạc là rất lớn. Do vậy điều khiển sạc MPPT rất hữu
dụng nhất là cho các hệ thống năng lượng mặt trời độc lập, sử dụng bình ắc quy và
không có kết nối với lưới điện.
2.1.2. Các đặc tính chính của điều khiển MPPT.
Theo dõi quan hệ dòng điện điện áp của pin mặt trời để tìm điểm năng lượng
cực đại của đường cong I-U.
Thay đổi điện áp của pin mặt trời buộc pin mặt trời phải làm việc ở điểm năng
lượng cực đại nhằm giúp pin mặt trời hấp thu tối đa năng lượng bức xạ mặt trời.
Điều chỉnh dòng điện từ pin mặt trời phù hợp với điện áp bình ắc quy. Điều
này giúp bạn có nhiều lựa chọn các sản phẩm pin mặt trời trong thiết kế vì chúng có

23


nhiều điện áp khác nhau, ngay cả khi nó có điện áp cao hơn điện áp bình ắc quy. Nó

còn giúp ta tiết kiệm chi phí cho dây dẫn. Thí dụ với trường hợp pin mặt trời đặt xa,
ta phải dùng dây dẫn cỡ lớn để điện áp khi đến bình ắc quy không bị suy giảm. Khi
có bộ điều khiển sạc, ta có thể dùng dây nhỏ hơn mà không làm giảm hiệu suất của
pin mặt trời sạc vào bình. Điều khiển sạc MPPT khiến hệ thống làm việc đơn giản
hơn và làm hiệu suất hệ thống tăng lên.
2.2. Mô hình toán học và đặc tính làm việc của pin mặt trời
Mô hình toán học của tế bào quang điện đã được nghiên cứu trong nhiều
thập kỷ qua. Mạch điện tương đương của mô hình tế bào quang điện bao
gồm: Dòng quang điện, điốt, điện trở song song (dòng điện dò), điện trở nối
tiếp được chỉ ra trên hình 2.1 ta có:
qU
 kFT
 Ud
I pv  I gc  I 0  e
 1 

 R p
d

c

(2.1)

Trong đó :
Igc - là dòng quang điện (A);
Io - là dòng bão hòa (A) phụ thuộc vào nhiệt độ tế bào quang điện.;
q - là điện tích của điện tử, q = 1,6.10-19C ;
k - là hằng số Boltzman, k = 1,38.10-23J/K ;
F - là là hệ số phụ thuộc vào công nghệ chế tạo pin (ví dụ công nghệ Si - mono
F =1,2; công nghệ Si-Poly F=1,3…)

Tc - là nhiệt độ tuyệt đối của tế bào (0K);
Vd - là điện áp trên điốt (V);
Rp - là điện trở song song.

24


Hình 2.1 : Mạch tương đương của modul PV
Dòng quang điện Igc phụ thuộc trực tiếp vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ pin,
được tính theo công thức :

I gc  sc (Tc  Tref )  Isc G

(2.2)

Với : µsc là hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ của dòng ngắn mạch (A/0C);
Tref là nhiệt độ tham chiếu của tế bào quang điện (0K);
Tc là nhiệt độ làm việc của tế bào quang điện (0K);
Isc là dòng điện ngắn mạch trong điều kiện tiêu chuẩn (nhiệt độ 250C và bức
xạ mặt trời 1kW/m2);
G là bức xạ mặt trời kW/m2
Dòng bão hòa I0 thay đổi theo nhiệt độ của tế bào quang điện theo biểu
thức :
3

 qVg  1

 T   kF  T
I 0  I 0  c  e  
 Tref 



ref

I 0 

1 

Tc  

(2.3)

I sc
qVg

e kF
Trong đó:
I0α là dòng điện bão hòa tại một bức xạ mặt trời và nhiệt độ tham chiếu; Vg là
năng lượng lỗ trống của chất bán dẫn được sử dụng làm tế bào;
Voc là điện áp hở mạch của tế bào.
Đặc tính làm việc của pin mặt trời thể hiện qua đường đặc tính I(U) hai thông
số là điện áp hở mạch Uoc (khi dòng điện ra bằng 0) và dòng điện ngắn mạch Isc(khi
điện áp ra bằng 0).

25