Xây dựng thuật toán điều khiển bám điểm công suất cực đại trong hệ thống điện mặt trời

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

ĐÀO THỊ VUI

XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐIỂM
CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI, NĂM 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

ĐÀO THỊ VUI

XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐIỂM
CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện
Mã số: 60520202

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS Phạm Đức Đại

HÀ NỘI, NĂM 2017

LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân. Các kết quả nghiên
cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn
nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện
trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.
Tác giả luận văn

Đào Thị Vui

i


LỜI CẢM ƠN
Luận văn “Xây dựng thuật toán điều khiển bám điểm công suất cực đại trong hệ
thống điện mặt trời” là kết quả của quá trình cố gắng không ngừng của bản thân và
sự giúp đỡ, động viên, khích lệ của các thầy cô và bạn bè đồng nghiệp.
Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới thầy TS. Phạm Đức Đại đã tận tình hướng dẫn,
chia sẻ kinh nghiệm và cung cấp những tài liệu khoa học để tôi hoàn thành được luận
văn này.
Tôi xin cảm ơn các thầy cô giáo đã giảng dạy, hướng dẫn trong suốt quá trình học tập,
nghiên cứu và rèn luyện tại trường Đại học Thủy lợi.
Cảm ơn các đồng nghiệp tại trường Cao đẳng nghề Ninh Thuận đã giúp đỡ và đóng
góp ý kiến để luận văn được hoàn thành.
Xin chân thành cảm ơn!

ii

MỤC LỤC
MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH.....................................................................................vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU......................................................................................... viii
DANH MỤC BẢNG BIỂU......................................................................................... viii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT................................................................................ix
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................x
CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN MẶT TRỜI ..................................................1

1.1

Nguồn năng lượng mặt trời...............................................................................1

1.2

Bức xạ mặt trời .................................................................................................5

1.2.1

Bức xạ mặt trời đến bên ngoài bầu khí quyển.............................................5

1.2.2

Bức xạ mặt trời đến trên mặt đất.................................................................5

1.3

Hiệu ứng nhà kính và bộ thu phẳng..................................................................6

1.3.1

Hiệu ứng nhà kính .......................................................................................6

1.3.2

Bộ thu năng lượng mặt trời phẳng ..............................................................8

1.4

Cấu tạo, nguyên lý, tính chất của pin mặt trời..................................................8

1.4.1

Cấu tạo của pin mặt trời ..............................................................................8

1.4.2

Nguyên lý hoạt động pin năng lượng mặt trời ............................................9

1.5

Nguyên lý tracking và điều khiển...................................................................11

1.6

Các thông số năng lượng mặt trời tại Việt Nam.............................................12

1.7

Một số ứng dụng năng lượng mặt trời ............................................................15

1.7.1

Phát minh máy bay sử dụng năng lượng mặt trời .....................................15

1.7.2

Điện thoại di động sử dụng năng lượng mặt trời ......................................16

1.7.3

Năng lượng sạch trong sinh hoạt của con người.......................................16

1.7.4

Trạm xe buýt chiếu sáng tự động .............................................................17

1.7.5

Những ngôi nhà tí hon ứng dụng công nghệ tích trữ năng lượng mặt trời ...
...................................................................................................................17

1.7.6

Siêu ôtô chạy bằng năng lượng mặt trời ...................................................18

1.7.7

Ứng dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam ............................................18

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN TỪ NĂNG
LƯỢNG MẶT TRỜI.....................................................................................................21

iii


2.1

Mô hình hệ thống PV......................................................................................21

2.1.1

Sơ đồ tổng quát điều khiển hệ thống.........................................................21

2.1.2

Mô hình toán học PV ................................................................................22

2.1.3

Dòng điện ngắn mạch................................................................................24

2.1.4

Điện áp hở mạch .......................................................................................25

2.1.5

Công suất cực đại ......................................................................................26

2.1.6

Hiệu suất của pin mặt trời .........................................................................27

2.2

Ảnh hưởng của độ bức xạ và nhiệt độ ............................................................27

2.2.1

Ảnh hưởng của độ bức xạ .........................................................................27

2.2.2

Ảnh hưởng của nhiệt độ ............................................................................27

2.3

Mô hình MATLAB/SIMULINK mô phỏng tấm PV......................................28

2.3.1

Mô hình chuyển đổi nhiệt độ từ độ C sang độ Kelvin ..............................28

2.3.2

Mô hình ánh sáng tạo ra dòng Iph ..............................................................29

2.3.3

Mô hình dòng ngược bão hòa của diode ...................................................30

2.3.4

Mô hình tính toán dòng bão hòa của mô đun............................................31

2.3.5

Mô đun tìm NsAkT ...................................................................................32

2.3.6

Mô hình dòng điện đầu ra của PV.............................................................33

2.3.7

Mô hình Simulink của mô đun PV............................................................34

2.4

Các phương pháp biến đổi DC/DC.................................................................36

2.4.1

Bộ chuyển đổi Buck ..................................................................................36

2.4.2

Bộ chuyển đổi Boost .................................................................................37

2.4.3

Bộ chuyển đổi Buck - Boost .....................................................................38

2.4.4

Bộ chuyển đổi Cuk....................................................................................39

CHƯƠNG 3
ĐẠI (MPPT)

GIỚI THIỆU VỀ PHƯƠNG PHÁP BÁM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC
.............................................................................................................41

3.1

Nhiễu và quan sát P&O ..................................................................................42

3.2

Gia tăng độ dẫn INC .......................................................................................43

3.3

Điều khiển logic mờ .......................................................................................45

CHƯƠNG 4 XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐIỂM CÔNG
SUẤT CỰC ĐẠI MPPT................................................................................................47

4.1

Nguyên lý MPPT ............................................................................................47

4.2

Xây dựng thuật toán điều khiển bám điểm MPPT bằng phương pháp P&O .51

iv


4.3 Mô phỏng và kiểm nghiệm bộ điều khiển bám MPPT bằng
MATLAB/SIMULINK..............................................................................................54
4.3.1

Thực hiện thuật toán trên MATLAB/SIMULINK....................................54

4.3.2

Kiểm nghiệm thuật toán P&O tìm điểm MPP thông qua mô phỏng ........57

4.4

Đánh giá bộ điều khiển bám MPPT................................................................63

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................................64
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................65

v

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Sơ đồ hộp thu NLMT theo nguyên lý hiệu ứng nhà kính ................................7
Hình 1.2 Cấu tạo của pin mặt trời ..................................................................................9
Hình 1.3 Nguyên lý của pin mặt trời ............................................................................11
Hình 1.4 Máy bay sử dụng năng lượng mặt trời ..........................................................15
Hình 1.5 Điện thoại sử dụng năng lượng mặt trời.......................................................16
Hình 1.6 Trạm xe buýt sử dụng năng lượng mặt trời ...................................................17
Hình 1.7 Trại lều sử dụng năng lượng mặt trời ............................................................17
Hình 1.8 Ô tô chạy bằng năng lượng mặt tời ..............................................................18
Hình 1.9 Pin mặt trời được sử dụng tại Việt Nam........................................................19
Hình 2.1 Sơ đồ tổng quát điều khiển hệ thống ..............................................................21
Hình 2.2 Sơ đồ tương đương Pin mặt trời ....................................................................22
Hình 2.3 Mô hình dòng điện ngắn mạch .....................................................................24
Hình 2.4 Mô hình điện áp hở mạch ..............................................................................25
Hình 2.5 Đồ thị V-A và đồ thị công suất của pin mặt trời ..........................................26
Hình 2.6 Hệ thống con 1...............................................................................................28
Hình 2.7 Chuyển đổi nhiệt độ hoạt động từ C sang Kelvin ........................................29
Hình 2.8 Hệ thống con 2..............................................................................................29
Hình 2.9 Từ ánh sáng tạo ra dòng điện của mô đun PV...............................................30
Hình 2.10 Hệ thống con 3............................................................................................30
Hình 2.11 Mạch điện dòng ngược bão hòa của Diode ................................................31
Hình 2.12 Hệ thống con 4.............................................................................................31
Hình 2.13 Dòng bão hòa của PV ..................................................................................32
Hình 2.14 Hệ thống con 5.............................................................................................32
Hình 2.15 Mạch điện NsAkT .......................................................................................33
Hình 2.16 Hệ thống con 6............................................................................................33
Hình 2.17 Dòng đầu ra của PV.....................................................................................34
Hình 2.18 Mô hình Simulink của mô đun PV ...............................................................34
Hình 2.19 Mô hình mô phỏng Simulink......................................................................35

Hình 2.20 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ I-V và P-V....................................................36
Hình 2.21 Bộ DC/DC Buck.........................................................................................37
Hình 2.22: Bộ DC/DC Boost........................................................................................38
Hình 2.23 Bộ chuyển đổi Buck – Boost .......................................................................39
Hình 2.24 Bộ chuyển đổi Cuk ......................................................................................40
Hình 3.1 Đặc tính làm việc I-V của PV và của tải ......................................................41
Hình 3.2 Đường đặc tính P-V với phương pháp P&O ................................................42
Hình 3.3 Đường đặc tính P-V của phương pháp INC .................................................44

vi


Hình 3.4 Đường cong đặc tính dP/dV của dàn Pin điện mặt trời...............................46
Hình 4.1 Mối quan hệ I-V .............................................................................................48
Hình 4.2 Đặc tính dòng điện – điện áp của PV điển hình ...........................................49
Hình 4.3 Đường cong I-V thay đổi độ chiếu xạ thay đổi .............................................50
Hình 4.4 Đặc tính P-V khi nhiệt độ không đổi.............................................................50
Hình 4.5 Đặc tính P-V khi độ bức xạ không đổi ..........................................................51
Hình 4.6 Đặc trưng đường cong công suất...................................................................51
Hình 4.7 Lưu đồ thuật toán của phương pháp P&O.....................................................52
Hình 4.8 Mối quan hệ giữa công suất và điện áp trong mảng PV................................53
Hình 4.9 Minh họa sự thất thường của P & O khi tăng độ chiếu sáng nhanh.............54
Hình 4.10 Mô phỏng PV2 trong Simulink ....................................................................55
Hình 4.11 Sự biên thiên điện áp khi VL = 10V, Gs = 1kW/m2 ....................................57
Hình 4.12 Sự biên thiên công suất khi VL = 10V, Gs = 1kW/m2 ..................................58
Hình 4.13 Sự biên thiên điện áp khi VL = 20V, Gs = 1kW/m2 ....................................58
Hình 4.14 Sự biên thiên công suất khi VL = 20V, Gs = 1kW/m2 ................................59
Hình 4.15 Đặc tính P-V khi Gs = 1kW/m2 ...................................................................59
Hình 4.16 Sự biên thiên điện áp khi VL = 12V, Gs =200 W/m2 ..................................60
Hình 4.17 Sự biên thiên công suất khi VL = 12V, Gs = 200 W/m2 ..............................61

Hình 4.18 Sự biên thiên điện áp khi VL = 18V, Gs = 200W/m2 .................................61
Hình 4.19 Sự biên thiên công suất khi VL = 18V, Gs = 200W/m2 ...............................62
Hình 4.20 Đặc tính P-V khi Gs = 200W/m2 .................................................................62

vii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Giờ tại địa phương ứng với giờ mặt trời là 12 giờ.........................................13
Bảng 1.2 Bức xạ mặt trời (W/m2) lên bề mặt Trái đất ứng với giờ mặt trời là 12 giờ.14
Bảng 1.3 Bức xạ mặt trời lên dàn pin mặt trời ứng với giờ mặt trời là 12 giờ.............14

viii


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
BXMT Bức xạ mặt trời
MPP (Maximum Power Point) Điểm công suất lớn nhất
MPPT (Maximum Power Point Tracking) Dò tìm điểm công suất cực đại
PV (Photovoltaic) Pin quang điện; Pin mặt trời

ix


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của Đề tài
Sự tăng trưởng liên tục nhu cầu năng lượng từ khắp nơi trên thế giới kêu gọi xã hội tìm
kiếm các nguồn năng lượng thay thế do sự cạn kiệt các nguồn năng lượng thông
thường. Trong số các nguồn năng lượng thay thế có sẵn, năng lượng pin quang điện
(PV-Photovoltaic) là một trong những năng lượng tái tạo hứa hẹn nhất. Năng lượng

PV là việc chuyển đổi năng lượng ánh sáng mặt trời thành năng lượng điện. Đây là
một nguồn năng lượng sạch, bền vững và được coi là nguồn năng lượng tái tạo vô giá,
không gây ảnh hưởng đến môi trường. Công suất đầu ra của hệ thống năng lượng mặt
trời phụ thuộc vào độ bức xạ và nhiệt độ. Vấn đề đặt ra là làm thế nào để thu được
điện năng với công suất cao nhất là một vấn đề mang tính cấp thiết.
2. Mục đích của Đề tài
Với nhiệt độ và độ bức xạ nhất định, cần tính toán điện áp hoặc dòng điện làm việc
của PV mà tại đó công suất thu được là lớn nhất. Do đặc tính của I-V và P-V là phi
tuyến, nên công suất cực đại được tạo ra thay đổi với cả độ bức xạ và nhiệt độ. Hơn
nữa, hiệu suất của các tấm PV là rất thấp, nên yêu cầu thuật toán điều khiển bám điểm
công suất cực đại. Thuật toán này tự động điều chỉnh bộ chuyển đổi công suất nhằm
thu được công suất đầu ra cực đại dưới sự thay đổi tức thời của cường độ ánh sáng,
nhiệt độ và đặc tính của các loại PV. Mục đích của đề tài là điều chỉnh điện áp làm
việc của tấm PV gần với điện áp ứng với điểm công suất cực đại khi có sự thay đổi của
yếu tố môi trường.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là một hệt thống quang điện mặt trời bao gồm nhiều
mô đun trong đó mỗi mô đun bao gồm nhiều tế bào quang điện được kết nối với nhau.
Phạm vi nghiên cứu là tìm điểm công suất cực đại của hệ thống pin quang điện.
4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu, mô phỏng bám điểm công suất cực đại của pin quang điện để đảm bảo
công suất ngõ ra là lớn nhất.
x


Đề tài “Xây dựng thuật toán điều khiển bám điểm công suất cực đại trong hệ
thống điện mặt trời” được nghiên cứu với phương pháp nhiễu và quan sát P&O,
Thuật toán này xem xét sự tăng, giảm điện áp theo chu kỳ để tìm được điểm làm việc
có công suất lớn nhất.
5. Cấu trúc của luận văn

Gồm 4 chương:
- Chương 1: Tổng quan về điện mặt trời
- Chương 2: Mô hình hệ thống phát điện từ năng lượng mặt trời
- Chương 3: Giới thiệu về phương pháp bám điểm công suất cực đại MPPT
- Chương 4: Xây dựng thuật toán điều khiển bám điểm công suất cực đại

xi


xii


CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN MẶT TRỜI

Trong chương này luận văn tập trung vào các vấn đề chung về điện mặt trời bao gồm:
- Nguồn năng lượng mặt trời
- Bức xạ mặt trời
- Hiệu ứng nhà kính và bộ thu phẳng
- Cấu tạo, nguyên lý, tính chất của pin mặt trời
- Nguyên lý tracking và điều khiển
- Các thông số năng lượng mặt trời tại Việt Nam
- Một số ứng dụng năng lượng mặt trời
Nội dung cụ thể:
1.1 Nguồn năng lượng mặt trời
Trong thời đại khoa học phát triển, nhu cầu về năng lượng ngày càng tăng trong khi
các nguồn nhiên liệu hóa thạch như than đá, dầu mỏ và ngay cả thủy điện cũng có hạn
khiến nhân loại đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng trong tương lai không xa. Do
đó, vấn đề tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng mới như năng lượng hạt nhân,

năng lượng địa nhiệt, năng lượng gió và năng lượng mặt trời là một trong những
hướng quan trọng trong kế hoạch phát triển năng lượng.
Năng lượng mặt trời (Solar Energy) là nguồn năng lượng sạch và tiềm tàng nhất, đang
được loài người thật sự quan tâm. Do đó việc nghiên cứu và nâng cao hiệu quả các
thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời và triển khai ứng dụng chúng vào thực tế là vấn
đề mang tính thời sự. Các ứng dụng năng lượng mặt trời phổ biến hiện nay bao gồm 2
lĩnh vực chủ yếu:
- Thứ nhất, năng lượng mặt trời được sử dụng ở dạng nhiệt năng, người ta dùng các
thiết bị thu bức xạ nhiệt mặt trời và tích trữ nó dưới dạng nhiệt năng dùng vào các mục

1


đích khác nhau như: Nhà máy nhiệt điện, thiết bị sấy khô, bếp nấu, thiết bị chưng cất
nước, động cơ Stirling, thiết bị đun nước nóng, thiết bị làm lạnh và điều hòa không
khí…
- Thứ hai, năng lượng mặt trời được biến đổi thành điện năng nhờ các tế bào quang
điện bán dẫn, còn gọi là Pin mặt trời (Soalr Cell), các Pin mặt trời sản xuất điện năng
một cách liên tục khi có bức xạ mặt trời chiếu tới. Pin mặt trời có ưu điểm là gọn nhẹ,
có thể lắp bất kỳ nơi đâu có ánh sáng mặt trời, đặc biệt trong lĩnh vực tàu vũ trụ. Ứng
dụng năng lượng mặt trời dưới dạng này được phát triển rất nhanh, nhất là ở các nước
phát triển. Ngày nay con người đã ứng dụng pin mặt trời trong lĩnh vực hàng không vũ
trụ, giao thông (Solar Car) và trong sinh hoạt nhằm thay thế dần nguồn năng lượng
truyền thống.
* Thế giới sử dụng năng lượng mặt trời:
Khi mà các quốc gia trên thế giới quan tâm đến việc bảo vệ môi trường, ngăn chặn
hiệu ứng nhà kính và hiện tượng nóng dần lên của vỏ Trái đất thì các quốc gia bắt đầu
nghiên cứu các phương pháp khác nhau để ngăn chặn hiện tượng trên và năng lượng
chính là ngành được quan tâm và phát triển. Trong đó phải kể đến ngành năng lượng
mặt trời, bởi năng lượng mặt trời là khá lớn và không gây ra hiệu ứng nhà kính nên

đang được đầu tư và phát triển. Do đó, ngành công nghiệp pin mặt trời rất được quan
tâm phát triển ở nhiều nước trên thế giới, trong đó có thể kể đến Nhật Bản, Đức, Mỹ,
Tây Ban Nha, Hàn Quốc, Trung Quốc là những nước đứng đầu về sản lượng pin
(cells) và mô đun (modules).
Pin mặt trời được phát triển trong khá nhiều lĩnh vực: máy tính (thiết bị sạc đa năng sử
dụng năng lượng mặt trời có thể dùng để sạc pin cho nhiều loại di động và máy tính
khác nhau), đồng hồ (PRW-1500 của Casio…), đồ dùng cá nhân (túi, ba lô có gắn pin
mặt trời, điện thoại di động tích hợp bộ sạc pin năng lượng mặt trời…), đồ dùng hàng
ngày (LCD cảm ứng tích hợp các tấm pin mặt trời trên bề mặt, thiết bị chiếu sáng sử
dụng pin mặt trời…). Pin mặt trời còn được dùng trong một số hệ thống khác ví dụ để
chạy ô tô thay thế dần nguồn năng lượng truyền thống, dùng thắp sáng đèn đường, làm
nguồn năng lượng cho các vệ tinh hoạt động...

2


Trong công nghiệp, người ta cũng bắt đầu lắp đặt các hệ thống điện dùng pin mặt trời
với công suất lớn, hiện tại các hệ thống này đang cung cấp 0.5% nhu cầu điện của thế
giới và sẽ tăng lên 2.5% vào năm 2025, sau đó tăng vọt lên 16% vào năm 2040.
Nhật Bản quốc gia đứng đầu về sản lượng cell và modules pin mặt trời. Tính đến năm
2010, Nhật Bản đã sản xuất được 4.82GW điện mặt trời, chiếm 50% thị phần quốc tế.
Đức, một trong các nước đi tiên phong trong lĩnh vực phát triển nguồn năng lượng
sạch, theo đuổi mục tiêu cắt giảm mạnh lượng khí thải CO2 nhằm thực hiện chiến lược
bảo vệ khí hậu toàn cầu. Kể từ năm 1997, ngành công nghiệp quang điện ở Đức đã
giảm 50% chi phí cho các nhà máy điện mặt trời, năm 2006 đã có 2000GW được lắp
đặt so với chỉ 76GW trong năm 2001. Dự tính đến năm 2050 có thể cung cấp 15%
tổng nhu cầu điện năng của châu Âu.
Mỹ, quốc gia đứng thứ ba về sản lượng cells và modules, với tốc độ phát triển cells
khá lớn, khoảng 25% mỗi năm. Theo dự tính đến năm 2020, điện năng lượng mặt trời
ở Mỹ sẽ đảm bảo 15%.

Tây Ban Nha, nước sản xuất năng lượng mặt trời lớn thứ tư thế giới và xuất khẩu 80%
điện năng này sang Đức. Tây Ban Nha có nhà máy năng lượng mặt trời lớn nhất thế
giới, với 1255 chiếc gương phẳng, đạt công suất 20MW. Dự tính đến năm 2013 sẽ có
nhiều ngọn tháp mặt trời được xây dựng và sẽ tạo ra một “trang trại năng lượng mặt
trời” với sản lượng 300MW, đủ điện cung cấp cho 180 nghìn hộ gia đình, hoặc tương
đương với toàn bộ dân số quanh vùng Seville.
Trung Quốc, quốc gia có sản lượng pin mặt trời hàng đầu thế giới. Ở Trung Quốc, có
tòa nhà sử dụng năng lượng mặt trời lớn nhất thế giới tọa lạc ở Đức Châu, tỉnh Sơn
Đông, Trung Quốc, tòa nhà có tổng diện tích là 75000m2, được dùng cho các buổi
triển lãm, khách sạn, họp báo, văn phòng, nghiên cứu khoa học,… Ở Đài Loan (Trung
Quốc), sân vận động sử dụng năng lượng mặt trời để sản xuất điện đầu tiên trên thế
giới đã ra đời, sân vận động với 8844 tấm pin mặt trời sẽ sản xuất 1.14 triệu kWh điện
mỗi năm, đủ để thắp sáng 3300 bóng đèn và hai màn hình tivi khổng lồ trong sân vận
động, giảm 660 tấn khí thải CO2 mỗi năm.

3


* Tình hình sử dụng pin mặt trời ở Việt Nam:
Đi theo xu hướng phát triển của thế giới thì Việt Nam cũng đã đầu tư và phát triển
ngành công nghiệp mặt trời này. Đi đầu trong việc phát triển ứng dụng này là ngành
bưu chính viễn thông: các trạm pin mặt trời làm nguồn cấp điện cho các thiết bị thu
phát sóng, trạm thu phát truyền hình thông qua vệ tinh.
Ở ngành hàng hải trạm pin mặt trời sử dụng làm nguồn cấp điện cho các thiết bị chiếu
sáng, cột hải đăng, đèn báo sông. Trong ngành công nghiệp, các trạm pin mặt trời phát
điện sử dụng làm nguồn cấp điện dự phòng cho các thiết bị điều khiển trạm biến áp
500kV, thiết bị máy tính và sử dụng làm nguồn cấp điện nối với điện lưới quốc gia.
Ở khu vực phía Nam, các dàn pin mặt trời được đưa vào phục vụ thắp sáng và sinh
hoạt văn hóa tại một số vùng nông thôn xa lưới điện: có công suất từ 500÷1000W
được lắp đặt ở trung tâm xã, nạp điện vào acquy cho các hộ gia đình sử dụng. Các dàn

pin mặt trời có công suất từ 250÷500W phục vụ thắp sáng cho các bệnh viện, trạm xá
và các cụm văn hoá xã. Pin mặt trời cũng được dùng trong việc thắp sáng đèn đường
tại tỉnh Tiền Giang, hệ thống đèn có khả năng tự phát sáng vào ban đêm với thời lượng
trung bình 12 giờ, đèn có tuổi thọ đến 50.000 giờ, không cần bảo trì hoặc sửa chữa
trong vòng 10 năm.
Khu vực miền Trung có bức xạ mặt trời khá tốt và số giờ nắng cao, rất thích hợp cho
việc ứng dụng pin mặt trời.Có nhiều dàn pin mặt trời đã được lắp đặt thí điểm ở một số
tỉnh như: Gia Lai, Bình Định, Quảng Ngãi và Khánh Hòa, Ninh Thuận, với công suất
40 ÷ 50W ở các hộ gia đình và 200 ÷ 800W ở tại các trung tâm cụm xã và các trạm y
tế.
Ở khu vực phía Bắc, việc ứng dụng các dàn pin mặt trời phát triển với tốc độ khá
nhanh, phục vụ các hộ gia đình ở các vùng núi cao, hải đảo và cho các trạm biên
phòng. Công suất của dàn pin tại các hộ gia đình từ 40 ÷ 75W, tại các trạm biên
phòng, nơi hải đảo có công suất từ 165 ÷ 300W và tại các trạm xá và các cụm văn hoá
thôn, xã là 165 ÷ 525W. Một số công trình khác sử dụng pin mặt trời như: trung tâm
Hội nghị Quốc gia có hệ thống pin mặt trời công suất 154kW, trạm pin mặt trời nối
lưới Viện Năng lượng công suất 1.08kW bao gồm 8 mô đun, trạm pin mặt trời nối lưới

4


lắp đặt trên mái nhà làm việc Bộ Công Thương - Hà Nội có công suất lắp đặt 2.7kW,
hai cột đèn năng lượng mặt trời kết hợp năng lượng gió được lắp đặt tại Ban quản lý
dự án Công nghệ cao Hòa Lạc, trị giá 8.000 USD, có thể sử dụng trong 10h mỗi ngày,
có thể thắp sáng 4 ngày liền trong điều kiện không có nắng và gió.
1.2 Bức xạ mặt trời
Mặt trời là quả cầu lửa khổng lồ với đường kính trung bình khoảng 1,39 triệu km và ở
cách Trái đất khoảng 150 triệu km. Nhiệt độ bề mặt của mặt trời vào khoảng 5800K,
trong khi đó nhiệt độ ở vùng trung tâm của mặt trời rất lớn, vào khoảng 8.106K đến
40.106K. Mặt trời được xem là một lò phản ứng nhiệt hạch hoạt động liên tục.

Có 2 loại bức xạ mặt trời (BXMT) là BXMT đến bên ngoài bầu khí quyển và BXMT
đến trên mặt đất.
1.2.1

Bức xạ mặt trời đến bên ngoài bầu khí quyển

BXMT đến bên ngoài bầu khí quyển có giá trị khá ổn định ứng với một vị trí khảo sát
cụ thể và có phương rất rõ ràng, đó là đường nối từ mặt trời đến vị trí khảo sát. Các
khảo sát thực tế cho thấy - về mặt giá trị - BXMT đến bên ngoài bầu khí quyển cũng
có những biến đổi nhẹ. Có 2 lý do gây ra sự biến đổi này: sự biến đổi lượng bức xạ
xuất phát từ mặt trời do các hiện tượng diễn ra trong nội bộ mặt trời và sự biến đổi của
khoảng cách từ mặt trời đến Trái đất. Đối với các bài toán kỹ thuật, có thể xem cường
độ bức xạ phát ra từ mặt trời là ổn định và BXMT đến bên ngoài bầu khí quyển là
BXMT đến trên mặt đất nhưng không tính đến ảnh hưởng của bầu khí quyển.
1.2.2

Bức xạ mặt trời đến trên mặt đất

Khi các tia BXMT đi vào bầu khí quyển, do ảnh hưởng của bầu khí quyển và các vật
thể li ti có trong bầu khí quyển cho nên các tia BXMT sẽ phải chịu hiện tượng hấp thụ
và phản xạ. Về cơ bản, hiện tượng hấp thụ các tia BXMT là do ôzôn và hơi nước, mức
độ hấp thụ khác nhau tùy theo bước sóng. Ứng với các tia cực tím có bước sóng nhỏ
hơn 0,29m thì khả năng hấp thụ các tia bức xạ của ôzôn rất mạnh, ứng với các tia có
bước sóng lớn hơn 0,29m thì khả năng hấp thụ của ôzôn giảm xuống đáng kể, khi
bước sóng vượt quá 0,35m thì ôzôn không còn khả năng hấp thụ các tia bức xạ được
nữa. Trong khi đó, hơi nước có khả năng hấp thụ mạnh các tia hồng ngoại. Đặc biệt, ở
5


trong vùng lân cận các bước sóng 1m, 1,4m và 1,8m thì khả năng hấp thụ các tia

hồng ngoại của hơi nước rất mạnh. Chính hiện tượng hấp thụ làm giảm cường độ của
các tia bức xạ và làm cho quang phổ của các tia bức xạ đến mặt đất thu hẹp lại, có thể
nói các tia bức xạ có bước sóng lớn hơn 2,3m rất khó đến được bề mặt Trái đất. Cùng
với hiện tượng hấp thụ, hiện tượng phản xạ làm một bộ phận của tia bức xạ bị đổi
phương, do đó phương của thành phần bị phản xạ không rõ ràng. Kết quả của các hiện
tượng vừa nêu là, càng tiến đến gần bề mặt đất, cường độ của các tia bức xạ tổng càng
giảm.
BXMT tới mặt đất gồm hai thành phần được gọi là trực xạ và nhiễu xạ:
- Trực xạ là thành phần tia mặt trời đi thẳng từ mặt trời tới điểm quan sát trên mặt đất
không bị thay đổi phương truyền. Nó phụ thuộc vào vị trí mặt trời và thời tiết.
- Nhiễu xạ là các thành phần gồm các tia sáng đến điểm quan sát từ mọi hướng do các
tia mặt trời khi qua lớp khí quyển của quả đất bị tán xạ, nhiễu xạ trên các phần tử khí,
hơi nước, các hạt bụi…Thành phần nhiễu xạ cũng phụ thuộc vào vị trí mặt trời và thời
tiết.
Tổng của các thành phần trực xạ và nhiễu xạ gọi là tổng xạ.
Các đại lượng trực xạ, nhiễu xạ, tổng xạ được đo trong cả ngày và theo đơn vị
MJ/m2.ngày hay KW/m2.ngày.
Thông thường ở các trạm khí tượng thủy văn người ta đo trực xạ, nhiễu xạ và tổng xạ
trên mặt nằm ngang. Trong khi đó các bộ thu năng lượng mặt trời lại có bề mặt đặt
nghiêng một góc nào đó nên cần phải có các hiệu chỉnh chuyển đổi từ cường độ bức xạ
mặt trời đo được trên mặt nằm ngang sang mặt nghiêng. Tuy nhiên, số hiệu chỉnh này
không lớn nên chúng ta có thể bỏ qua.
1.3 Hiệu ứng nhà kính và bộ thu phẳng
1.3.1 Hiệu ứng nhà kính
Bộ thu phẳng được chế tạo dựa trên nguyên lý “hiệu ứng nhà kính”.

6


Nguyên lý hoạt động như sau: Các loại kính xây dựng cho các tia BXMT có bước

sóng   0,7m truyền qua một cách dễ dàng, trong khi đó các bức xạ có  > 0,7m
thì bị kính phản xạ trở lại.
Trước hết ta khảo sát một hộp thu nhiệt mặt trời như hình vẽ . Mặt trên hộp được đậy
bằng tấm kính (1). Thành xung quanh và đáy hộp có lớp vật liệu cách nhiệt dày (2).
Đáy trong của hộp được làm bằng tấm kim loại dẫn nhiệt tốt, mặt trên của nó phủ một
lớp sơn đen, hấp thụ nhiệt tốt và được gọi là tấm hấp thụ (3).

Hình 1.1 Sơ đồ hộp thu NLMT theo nguyên lý hiệu ứng nhà kính

Như đã nói ở trên, các tia BXMT có bước sóng   0,7m tới mặt hộp thu, đi qua tấm
kính phủ phía trên (1), tới bề mặt tấm hấp thu (3). Tấm này hấp thụ năng lượng BXMT
và chuyển hóa thành nhiệt làm cho tấm hấp thụ nóng lên, khi đó nó trở thành nguồn
phát xạ thứ cấp phát ra các tia bức xạ nhiệt có bước sóng   0.7m, hướng về mọi
phía. Các tia đi lên phía trên bị tấm kính ngăn lại, không ra ngoài được. Nhờ vậy hộp
thu liên tục nhận BXMT nên tấm hấp thụ được nung nóng dần lên và có thể đạt đến
nhiệt độ hàng trăm độ. Như vậy năng lượng nhiệt mặt trời bị “giam” trong hộp, giống
như một cái bẫy nhiệt - năng lượng vào được nhưng không thể ra được. Đó là nguyên
lý “hiệu ứng nhà kính”. Nhiệt độ của tấm hấp thụ càng cao , phát xạ nhiệt từ mặt hấp
thụ càng lớn, cho đến khi năng lượng mà tấm hấp thụ nhận được từ BXMT cân bằng
với năng lượng mất mát cho môi trường xung quanh thì trạng thái cân bằng nhiệt được
thiết lập.
Bộ thu phẳng có cấu tạo dựa trên nguyên lý hiệu ứng nhà kính như đã mô tả trên,
nhưng tùy thuộc vào mục đích sử dụng nhiệt khác nhau phần thu nhiệt có thể có các
dạng kết cấu khác nhau.

7


1.3.2 Bộ thu năng lượng mặt trời phẳng
Bộ thu năng lượng mặt trời phẳng có dạng mà tấm hấp thu là tấm phẳng.

Bộ thu phẳng có hình khối hộp chữ nhật, trên cùng được đậy bằng một hay vài lớp
kính trong suốt. Cũng có thể thay lớp kính này bằng các tấm trong suốt khác như thủy
tinh hữu cơ, polyester... Tấm hấp thu là một tấm kim loại dẫn nhiệt tốt, mặt trên có phủ
một lớp sơn hấp thụ ánh sáng màu đen. Lớp hấp thụ cần có hệ số hấp thụ càng cao
càng tốt, ví dụ > 85% thì hiệu suất bộ thu sẽ có thể có giá trị cao. Ngoài ra , tấm hấp
thụ bằng vật kim loại còn để việc hàn các thành phần khác (ví dụ ống nước bằng kim
loại nếu bộ thu dùng để đun nước nóng) được dễ dàng hơn.
Thành hộp xung quanh và đáy hộp là một lớp vật liệu cách nhiệt khá dày để giảm hao
phí nhiệt từ tấm hấp thụ ra xung quanh. Vật liệu cách nhiệt thường dùng là “xốp bọt
biển” (polystyrene) màu trắng rất nhẹ được sản xuất dưới dạng hoặc hạt, cũng có thể
dùng vật liệu khác như bông thủy tinh, mút, gỗ khô, mùn cưa…Nếu cách nhiệt tốt thì
trong những ngày nắng, nhiệt độ tấm hấp thu có thể đạt đến 100  1150C hoặc cao
hơn.
Tùy theo mục đích sử dụng mà người ta thiết kế bộ thu có thêm các phần phụ khác và
tấm hấp thu có hình dạng khác nhau
Hiệu suất của các bộ thu thông thường trong khoảng 35  45%
1.4 Cấu tạo, nguyên lý, tính chất của pin mặt trời
Pin năng lượng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện) là thiết bị bán dẫn
chứa một lượng lớn các diode p-n, có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng BXMT
thành điện năng sử dụng được nhờ vào hiệu ứng quang điện trong.
1.4.1 Cấu tạo của pin mặt trời
Pin mặt trời có cấu tạo của một diode bán dẫn với diện tích bề mặt tương đối rộng và
một lớp n cực mỏng để ánh sáng có thể truyền qua.

8


Hình 1.2 Cấu tạo của pin mặt trời

Pin mặt trời được sản xuất và ứng dụng phổ biến nhất hiện nay là các pin mặt trời

được chế tạo từ vật liệu tinh thể bán dẫn Silic có hóa trị 4.
Từ tinh thể Silic tinh khiết, để có vật liệu tinh thể bán dẫn Silic loại n, người ta pha tạp
chất donor là Photpho có hóa trị 5, P có 5 điện tử ở lớp ngoài cùng do đó khi liên kết
trong tinh thể Silic sẽ dư ra 1 điện tử, điện tử này trong điều kiện bị kích thích nhiệt có
thể bứt ra khỏi liên kết với hạt nhân P để khuếch tán trong mạng tinh thể. Còn để có
vật liệu bán dẫn tinh thể loại p, thì tạp chất acceptor được dùng để pha vào Silic là Bo
có hóa trị III, Bo có 3 điện tử ở lớp ngoài cùng do đo tính chất dẫn điện của bán dẫn
tinh thể Silic loại p chủ yếu bằng các lỗ trống.
Bên cạnh Silic tinh thể, vật liệu Silic vô định hình (a-Si) cũng đã được sử dụng để chế
tạo pin mặt trời. So với pin mặt trời tinh thể Silic thì pin mặt trời a-Si có giá thành rẻ
hơn nhưng hiệu suất thấp hơn.
Ngoài vật liệu truyền thống là Silic, người ta còn sử dụng các vật liệu khác như
CuCdS, GaAs…để chế tạo pin mặt trời. Đặc biệt, các nhà khoa học đã kết hợp các vật
liệu có khe vùng khác nhau để tạo ra một vật liệu mới có cấu trúc chuyển tiếp đa tầng
(multi-junction) từ đó cải thiện đáng kể hiệu suất của pin.
1.4.2

Nguyên lý hoạt động pin năng lượng mặt trời

Pin mặt trời được mô tả là như là một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n. Chúng ta tìm hiểu cơ
chế điện tử thay đổi khi ta cho 2 loại bán dẫn trên tiếp xúc với nhau. Khi đó, các điện
9


tử tự do ở gần mặt tiếp xúc trong bán dẫn loại n sẽ khuếch tán từ bán dẫn loại n sang
bán dẫn loại p và lấp các lỗ trống trong phần bán dẫn loại p này. Khi các điện tử di
chuyển như vậy nó làm cho bán dẫn n mất điện tử và tích điện dương, ngược lại bán
dẫn p tích điện âm. Như vậy, ở bề mặt tiếp xúc của 2 chất bán dẫn bây giờ tích điện
trái ngược và một điện trường hướng từ bán dẫn p sang bán dẫn n xuất hiện ngăn cản
dòng điện tử chạy từ bán dẫn n sang p, nó chỉ cho phép dòng điện tử chạy theo 1 chiều

duy nhất từ p sang n.
Khi bức xạ của ánh sáng mặt trời chạm vào bề mặt của pin năng lượng mặt trời, một
phần sẽ bị phản xạ trở lại không gian (và vì vậy trên bề mặt của pin quang điện luôn có
một lớp chống phản quang) và một phần bị hấp thụ khi truyền qua lớp n. Chỉ có một
phần ánh sáng đến được lớp chuyển tiếp, nơi có các cặp electron và lỗ trống nằm trong
điện trường của bề mặt giới hạn p-n. Với các bước sóng thích hợp, sẽ truyền cho
electron một năng lượng đủ lớn để bật khỏi liên kết trở thành các electron tự do, đồng
thời dịch chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn.
Dưới tác dụng của điện trường tiếp xúc p-n, các electron tự do ở vùng dẫn của bán dẫn
loại p bị kéo về phía bán dẫn loại n. Nguyên tử bán dẫn loại p bị thiếu điện tử và lập
tức được lấp đầy bởi các electron tự do từ bán dẫn loại n. Khi có ánh sáng truyền tới,
các electron tự do này lại bị kéo về bán dẫn loại n, cứ như vậy tạo thành một vòng luân
chuyển các điện tử tự do giữa hai lớp bán dẫn p và n.
Kết quả là nếu ta nối hai cực vào 2 phần bán dẫn loại n và p sẽ đo được một hiệu điện
thế. Giá trị hiệu điện thế này phụ thuộc vào bản chất của chất làm bán dẫn và tạp chất
được hấp thụ.

10


Hình 1.3 Nguyên lý của pin mặt trời

1.5 Nguyên lý tracking và điều khiển
Solar tracking là thuật ngữ dùng để chỉ những thiết bị mang các trọng tải hướng về
phía mặt trời. Các trọng tải có thể là tấm pin mặt trời, tấm kính phản xạ, thấu kính hay
các dụng cụ quang học khác. Hệ Solar tracking được dùng để làm giảm thiểu góc tới
giữa tia nắng và pháp tuyến của tấm pin. Điều này làm tăng khả năng chuyển đổi
quang - điện hơn so với tấm pin đặt cố định.
Solar tracking được phân thành nhiều loại. Có thể được phân loại theo số trục, phân
loại theo cấu trúc, phân loại theo ứng dụng.

Có hai phương pháp tracking:
- Phương pháp thuật toán điều khiển cố định (Fixed control algorithm method).
- Phương pháp động (Dynamic method).
Điểm khác biệt của hai phương pháp này là cách xác định vị trí mặt trời. Phương pháp
điều khiển cố định sử dụng hệ thống các công thức để tính toán vị trí mặt trời theo

11