Thiết kế nguồn điện năng lượng mặt trời có bộ tự động chọn điểm làm việc cực đại áp dụng thuật toán INC (Luận văn thạc sĩ)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN ANH QUÝ

THIẾT KẾ NGUỒN ĐIỆN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI
CÓ BỘ TỰ ĐỘNG CHỌN ĐIỂM LÀM VIỆC CỰC ĐẠI
ÁP DỤNG THUẬT TOÁN INC

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa

THÁI NGUYÊN, NĂM 2015


2
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN ANH QUÝ

THIẾT KẾ NGUỒN ĐIỆN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI
CÓ BỘ TỰ ĐỘNG CHỌN ĐIỂM LÀM VIỆC CỰC ĐẠI
ÁP DỤNG THUẬT TOÁN INC

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
Mã số: 60520216

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. NGÔ ĐỨC MINH

THÁI NGUYÊN, NĂM 2015


3

Dự đoán đến năm 2025, điện mặt trời sẽ là nguồn năng lượng chính thay thế
các nguồn điện truyền thống do có ưu điểm là dễ lắp đặt. Sự quan tâm của các nhà
khoa học trong cả lĩnh vực chế tạo pin mặt trời và khai thác hệ thống điện có sử dụng
pin mặt trời cũng như sự quan tâm của nhà làm chính trị đã góp phần làm giá thành
pin mặt trời giảm xuống, chiếm tỷ trọng ngày càng lớn và ngày càng thích nghi hơn
đối với lưới điện.
Luận văn với đề tài: “Thiết kế nguồn điện năng lượng Mặt trời có bộ tự động
chọn điểm làm việc cực đại áp dụng thuật toán INC” được xuất phát từ yêu cầu thực
tế chế độ làm việc pin mặt trời phụ thuộc vào phụ tải. Tìm được điểm vận hành tối
ưu sẽ làm cho năng lượng từ các tấm pin mặt trời là lớn nhất, góp phần nâng cao hiệu
quả kinh tế cho dạng nguồn này trong hệ thống điện.
2. Mục tiêu, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

pin mặt trời áp dụng thuật toán INC
mô hình lý thuyết đã nghiên cứu.

.

Vấn đề khai thác được năng lượng từ các tấm pin mặt trời tại những thời điểm
khác nhau trong ngày vẫn đang nhận được rất nhiều sự quan tâm của các nhà khoa
học. Việc xây dựng một hệ thống điều khiển thông qua bộ biến đổi điện tử công suất
có ý nghĩa khoa học rất lớn, đảm bảo việc vận hành các tấm pin mặt trời luôn ở điểm
tối ưu nhất để đáp ứng cho phụ tải.

Hơn nữa, đề tài cũng thiết kế mạch điều khiển cho bộ buck DC/DC có thể biến
thành sản phẩm thực tiễn.


4

làm việc cực đại INC
trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp.
Thực hiện nhiệm vụ trên cấu trúc luận văn gồm có các phần chính sau:
Mở đầu
Chương 1: Tổng quan về hệ thống khai thác năng lượng từ pin mặt trời
Chương 2: Pin mặt trời và vấn đề tìm điểm làm việc cực đại
Chương 3: Chế độ làm việc và điểm vận hành tối ưu của pin mặt trời
Chương 4: Thiết kế hệ thống thực nghiệm khai thác pin mặt trời sử dụng thuật
toán INC
Kết luận và kiến nghị
Tài liệu tham khảo.
Phụ lục


5

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG KHAI THÁC NĂNG LƢỢNG
TỪ PIN MẶT TRỜI
1.1. Tổng quan hệ nguồn phân tán trong hệ thống điện
Nguồn sơ cấp tạo ra năng lượng phổ biến hiện nay là hydrocarbon dựa trên
nhiên liệu hóa thạch. Nguồn nhiên liệu này làm gia tăng ô nhiễm môi trường do tạo
nên carbon dioxide làm môi trường ấm lên. Tương lai, nguồn nhiên liệu này cũng chỉ
có một giới hạn nhất định khi đáp ứng cho các phụ tải ngày càng tăng. Những lý do

này đã làm thay đổi cách nhìn nhận về năng lượng tái tạo như gió, mặt trời, thủy
triều, pin nhiên liệu. Những nguồn này được biết đến như nguồn năng lượng xanh
thân thiện với môi trường. Nguồn năng lượng này có thể được lắp đặt trong các khu
dân cư để đáp ứng cho các phụ tải tiêu dùng trực tiếp hoặc phát vào lưới điện với tên
gọi là nguồn phân tán DG (Distributed Generation).
Trong hệ thống nguồn phân tán, công suất từ các nguồn này tương đối nhỏ,
phân bố ở nhiều địa điểm khác nhau. Hình 1.1 cho thấy sự phân loại DG theo công
nghệ. [1-2]
Nguồn truyền
thống
Nguồn phân
tán

Turbine khí
tự nhiên
Điện hóa

Nguồn phi
truyền thống

Tích trữ

Pin nhiên liệu
Ắc quy
Bánh đà

Năng lượng
tái tạo

Quang điện

Turbine gió

a. Phân loại DG theo công nghệ


6

b. Mạng điện phân tán thông minh
Hình 1. 1. Nguồn DG và mạng điện phân phân tán thông minh
Nguồn phân tán có thể sử dụng nguồn nhiên liệu hóa thạch sử dụng khí tự
nhiên để cứu trợ cho lưới trong trường hợp thiếu hụt công suất và đáp ứng cho phụ
tải tại chỗ khi không có điện lưới. Các nguồn phân tán phi truyền thống là các nguồn
không sử dụng nguồn nhiên liệu hóa thạch như pin nhiên liệu biến đổi hóa năng
thành điện năng; kho năng lượng được tích trữ và phát điện theo yêu cầu như ắc quy,
bánh đà; nguồn năng lượng tái tạo như quang điện, turbine gió. Trong các nguồn DG
này, có thể thấy rằng nguồn năng lượng tái tạo sử dụng nguồn năng lượng vô tận từ
mặt trời và sự chuyển động của gió.
Trong những lưới điện thông minh, DG đã thể hiện được những thế mạnh và
đem lại lợi ích lớn như:
- Khả năng dự phòng: thể hiện tính linh hoạt thông qua khả năng mở rộng,
kích thước và vận hành.
- Độ tin cậy và chất lượng điện năng: một số đánh giá cho thấy có thể độ tin
cậy của lưới là khá thấp và muốn sử dụng nguồn DG để đạt được độ tin cậy và chất
lượng điện năng tốt hơn.


7

- Hướng tới sử dụng và mở rộng mạng điện địa phương: chi phí có liên quan
đến việc mở rộng của việc truyền tải hoặc phân phối có thể được giảm đi bằng cách

sử dụng DG.
- Hỗ trợ lưới: DG có thể hỗ trợ lưới ở những thời điểm khi có những biến
động ngẫu nhiên trong lưới như đột nhiên hỏng 1 phần tử nào đó của lưới mà có thể
dẫn đến sự suy giảm của tần số.
- DG có thể dễ dàng được lắp đặt ở bất kỳ vị trí nào trong thời gian ngắn.
- DG có thể làm giảm tổn thất công suất do tránh được truyền tải công suất
trên đường dây dài.
- DG giúp duy trì ổn định hệ thống
- Giảm ô nhiễm môi trường
- Tăng tuổi thọ của các thiết bị và máy biến áp.
- DG có thể vận hành như những nguồn khẩn cấp có sự cố trong lưới điện.
Trong hệ nguồn phân tán, nguồn pin mặt trời có khả năng phát triển tốt với lợi
thế dễ dàng lắp đặt trong các khu vực đông dân cư, lợi dụng được các vị trí địa lý
trong đất liền nhưng có nhiều nắng để phát điện. Sau đây, luận văn sẽ giới thiệu các
dạng khai thác năng lượng của nguồn PV
1.2. Phân loại hệ thống khai thác nguồn PV
1.2.1. Hệ thống cô lập
Hình 1.2 cho thấy có thể sử dụng tấm pin mặt trời để hoạt động cho các máy
bơm nước, nạp điện cho ắc quy hoặc các phụ tải lân cận khác. [1]
Máy bơm
nước

Nguồn PV

Bộ điều
khiển

Phụ tải
khác

Ắc quy

Hình 1. 2. Nguồn PV trong mạng điện cô lập
Trong trường hợp này, bộ điều khiển đóng vai trò kiểm soát dung lượng nạp
cho ắc quy, điều khiển nguồn cung cấp cho các máy bơm nước hoặc các phụ tải


8

khác. Ở những vùng không có điện lưới điện kéo đến và có thể chỉ đáp ứng cho các
phần tử riêng lẻ theo những yêu cầu tùy chọn. Việc sử dụng ắc quy làm cho giá thành
hệ thống cao, tuổi thọ hệ thống giảm xuống nên tùy theo yêu cầu thì mới đưa thêm ắc
quy vào.
1.2.2. Hệ thống ghép
Nguồn pin mặt trời độc lập đã thể hiện nhược điểm là bị mất hoàn toàn vào
những thời điểm không có bức xạ mặt trời. Vào những thời điểm này, các phụ tải vẫn
yêu cầu được cấp điện nên cần phải có các nguồn khác thay thế. Lúc này có thể sử
dụng các nguồn thay thế ghép vào như hình 1.3. [1]

a. PV-diesel nối tiếp

b. PV diesel chuyển đổi


9

c. PV-diesel song song
Hình 1. 3. Hệ thống PV ghép
Trong các hệ thống này, có thể sử dụng kho ắc quy hoặc không (thể hiện qua
đường thẳng không nối cứng vào thanh cái một chiều). Nguồn diesel là nguồn phát

điện xoay chiều có thể nối vào thanh cái một chiều thông qua bộ chỉnh lưu (hình
1.3a), có thể liên kết vào thanh cái xoay chiều có khóa chuyển đổi (hình 1.3b) hoặc
nối cứng vào thanh cái xoay chiều. Điều này đã làm cho nguồn PV trở nên thích nghi
hơn đối với phụ tải.
1.2.3. Nguồn PV kết nối lƣới
Đối với nguồn PV kết nối lưới, các tấm pin mặt trời có thể liên kết với nhau
để tạo ra công suất đủ lớn. Điều này có thể thấy trên hình 1.4. [1]

a. Bộ nghịch lưu tập trung


10

b. Nhiều bộ DC/DC

c. Nhiều bộ nghịch lưu
Hình 1. 4. Nguồn PV kết nối lưới qua các bộ biến đổi
Có thể dùng một bộ DC/DC điểu khiển chế độ làm việc của các tấm pin mặt
trời kết hợp với một bộ nghịch lưu (hình 1.4a). Cấu trúc dạng này làm giảm khả năng
điều khiển đối với mỗi dãy pin mặt trời.
Khi công suất các dãy pin không quá lớn thì có thể dùng nhiều bộ DC/DC
điều khiển cho mỗi dãy pin mặt trời kết hợp với một bộ nghịch lưu (hình 1.4b). Cấu
trúc dạng này phù hợp với nhà máy điện mặt trời công suất nhỏ với ưu điểm là dễ
dàng điều khiển công suất đầu ra cho mỗi dãy pin mặt trời.
Khi công suất các dãy pin tương đối lớn, cần phải sử dụng riêng mỗi dãy pin
mặt trời một bộ DC/DC kết hợp với một bộ nghịch lưu kết nối lưới (hình 1.4c). Cấu
trúc dạng này tỏ ra khá phù hợp để điều khiển trong các nhà máy điện mặt trời công
suất lớn tuy nhiên lại sử dụng quá nhiều bộ biến đổi khiến tổn thất công suất trên
chính các bộ biến đổi cũng làm một vấn đề cần lưu tâm.

11

1.3. Mục tiêu nghiên cứu
Trong mục 1.2 ở trên, ta thấy rằng mỗi dạng khai thác năng lượng từ pin mặt
trời có những đặc điểm riêng, đáp ứng cho các yêu cầu riêng.
Cho đến nay, kỹ thuật ghép nối pin mặt trời vào lưới điện thông qua các bộ
biến đổi cũng là một vấn đề hết sức quan trọng và vẫn còn nhiều bài toán cần giải
quyết như góc phát, tần số, module để hòa lưới phù hợp nhất. Trong khi bài toán khai
thác trong mạng điện cô lập với vấn đề khai thác điểm làm việc cực đại lại mang một
ý nghĩa quan trọng khác để khẳng định lợi ích của kỹ thuật khi đem lại cho lợi ích
kinh tế. Bản thân chi phí đầu tư cho tấm pin mặt trời thương mại hiện nay là khá lớn,
nếu không được sự ủng hộ của các nhà làm chính sách như trợ giá, tăng cường đầu tư
công để làm cho chi phí trên một đơn vị điện năng giảm xuống thì pin mặt trời khó
có thể phổ biến và cạnh tranh được với các nguồn năng lượng khác.
Hiện nay, hiệu suất chuyển đổi từ quang năng thành điện năng khá thấp nên
khai thác được hết phần năng lượng điện khả dụng cũng đem lại khả năng thích nghi
cao hơn cho loại nguồn này trong hệ thống điện. Do đó, luận văn sẽ tập trung vào
việc dò tìm điểm làm việc cực đại, vấn đề khai thác năng lượng từ pin mặt trời thông
qua các bộ biến đổi.


12

CHƢƠNG 2
PIN MẶT TRỜI VÀ VẤN ĐỀ TÌM ĐIỂM LÀM VIỆC CỰC ĐẠI
2.1. Cấu tạo nguyên lý hoạt động của pin mặt trời [1-5]
2.1.1. Cấu tạo
Pin mặt trời được sản xuất từ chất bán dẫn silic tinh khiết. Để làm pin Mặt trời
từ bán dẫn tinh khiết phải làm ra bán dẫn loại n và bán dẫn loại p rồi ghép lại với

nhau cho nó có được tiếp xúc p - n.
Pin mặt trời từ tinh thể silic chia ra thành 3 loại:
- Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình
Czochralski. Đơn tinh thể loại này có hiệu suất tới 16%. Chúng thường rất mắc tiền
do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các
module.
- Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc-đúc từ silic nung chảy cẩn thận được làm
nguội và làm rắn. Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất
kém hơn. Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn
đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó.
- Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa
tinh thể, Loại này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các
loại vì không cần phải cắt từ thỏi silicon.
2.1.2. Nguyến lý hoạt động
- Nguyên lý hoạt động: Pin mặt trời làm việc theo nguyên lý biến đổi trực tiếp
năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện.
- Khi tiếp giáp p-n nhận tia bức xạ mặt trời, điện tử ở vùng hóa trị hấp thụ
năng lượng photon hv và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn điện tử - lỗ trống e- h+, nghĩa là tạo ra một điện thế. Hiện tượng này gọi là hiệu ứng quang điện bên
trong.
Quá trình hình thành dòng điện trong lớp tiếp giáp p-n khi có ánh ánh sáng
mặt trời tác động vào được mô tả qua hình 2.1.


Luận văn đủ ở file: Luận văn full