Nghiên cứu thuật toán điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ pin quang điện mặt trời có xét đến hiệu ứng bóng râm
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.15 MB, 104 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
TRẦN DUY TÂN
NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐIỂM
CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CỦA HỆ PIN QUANG ĐIỆN MẶT
TRỜI CÓ XÉT ĐẾN HIỆU ỨNG BÓNG RÂM
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN
MÃ SỒ CHUYÊN NGÀNH: 60520202
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP. HÒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2018
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MENH
TRƯỜNG ĐAI HOC BÁCH KHOA
«
9
TRẦN DUY TÂN
NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐIỂM
CÔNG SUẤT
cực ĐẠI CỦA HỆ PIN QUANG ĐIỆN MẶT
TRỜI CÓ XÉT ĐẾN HIỆU ỨNG BÓNG RÂM
•
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN
MÃ SỐ CHUYÊN NGÀNH: 60520202
LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGỮỜI HỨỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. HUỲNH QUANG MINH
TP. HÔ CHÍ MINH - 2018
11
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐHQG -HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: Tiến sĩ. Huỳnh Quang Minh
Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ Cán
bộ chấm nhận xét 2: PGS.TS Nguyễn Thanh Phương
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 14 tháng 07 năm 2018
Thành phần Hội đồng đảnh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. TS Hoàng Minh Trí - Chủ tịch
2. TS Huỳnh Quốc Việt - Thư ký
3. PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ - PB1
4. PGS.TS Nguyễn Thanh Phương - PB2
5. PGS.TS HỒ Phạm Huy Ánh -UV
Xảc nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưỏng Khoa quẳn lý chuyên
ngành sau khỉ luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
TRƯỞNG KHOA
m
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
••••
Họ tên học viên: TRẦN DUY TÂN .......................................... MSHV : 7140431
Ngày, tháng, năm sinh: 10/07/1990 ............................................ Nơi sinh: Đồng Nai
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện ..................................................... Mã số : 60520202
I. TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIÊN BÁM DIÊM CÔNG SUẤT CỰC
ĐẠI CỦA HỆ PIN QUANG ĐIỆN MẶT TRỜI CÓ XÉT ĐẾN HIỆU ÚNG BÓNG
RẤM
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Tìm hiểu về hệ thống pin năng luợng mặt trời.
- Tìm hiểu về bộ biến đổi công suất.
- Tìm hiểu các giải thuật MPPT cho hệ các module năng luợng mặt trời.
- Tìm hiểu công suất của hệ pin quang điện trong điều kiện bóng râm và giải thuật
khắc phục việc giảm công suất.
- Mô phỏng giải thuật bằng MATLAB.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 15/01/2018
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 17/06/2018
V.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Tiến Sĩ. Huỳnh Quang Minh
Tp. HCM, ngày tháng năm 2018 CÁN
BỘ HƯỚNG DẪN
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
TRƯỞNG KHOA
V
LỜI CẢM ƠN
Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy Huỳnh Quang Minh, nguời
đã hết lòng giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thành đề tài này. Xin gửi
lời cảm ơn chân thành nhất gửi đến Thầy, với những điều Thầy đã dành cho tôi trong
suốt quá trình làm luận văn, những lúc tôi gặp bế tắc không có huớng đi, những lúc cần
sự tu vấn và động viên của Thầy, nhờ Thầy mà tôi đã hoàn thành đề tài này.
Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến toàn thể quý Thầy Cô trong bộ môn khoa
Điện - Điện Tử nói chung và bộ môn Hệ Thống Điện nói riêng Truờng Đại Học Bách
Khoa TP.HCM đã truyền đạt những kiến thức tù lúc tôi bắt đầu nhập học đến khi hoàn
thành đề tài này.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày thảng năm 2018 Học
viên
Trần Duy Tân
VI
TÓM TẮT LUÂN VĂN THẠC SỸ
••
Do sự phát triển kinh tế toàn cầu mà nhu cầu năng luợng toàn thế giới ngày càng tăng
theo cấp số nhân. Trong khi đó nguồn năng luợng hóa thạch lại có hạn và ngày càng
cạn kiệt, cũng nhu khi sử dụng năng luợng hóa thạch gây ảnh huởng nghiêm trọng đến
môi truờng sống của con nguời trên trái đất. Tù đó đặt ra các vấn đề cần giải quyết về
năng luợng cấp thiết và vấn đề ô nhiễm môi truờng. Xu huớng của thế giới hiện nay
đang phát triển các loại năng luợng sạch, không ô nhiễm môi truờng. Tù đó thúc đẩy
các nhà khoa học tìm hiểu và nghiên cứu năng luợng tái tạo, đặc biệt là năng luợng mặt
trời, nguồn năng luợng hiện nay có thể xem nhu là vô tận và không gây ra ô nhiễm môi
truờng. Để phát triển bền vững, con nguời đặt ra phải chuyển đổi tù năng luợng hóa
thạch sang hệ thống sử dụng toàn bộ năng luợng tái tạo trong đó có năng luợng mặt trời.
Tuy nhiên, việc chuyển đổi cần có thời gian, tiền bạc, tri thức về hệ thống năng luợng
điện mặt trời, kèm theo đó những khó khăn khi áp dụng hệ thống năng luợng điện mặt
trời vào thực tế. Tù nhu cầu thực tế đó, đề tài bắt đầu tìm hiểu nghiên cứu về hệ thống
pin mặt trời cũng nhu làm sao đạt đuợc công suất tối uu khi sử dụng hệ thồng này vào
thực tế.
Trên cơ sở các nội dung nghiên cứu đuợc đặt ra, luận văn đuợc chia thành 6 chuơng:
Chuơng 1: Mở đầu
Chuơng 2: Hệ thống năng luợng mặt trời
Chuơng 3: Thuật toán bám điểm công suất cục đại
Chuơng 4: Thuật toán p&o cải tiến duới điều kiện có bóng râm
Chuơng 5: Mô phỏng giải thuật trên MATLAB
Chuơng 6: Kết luận và huớng phát triển đề tài
vii
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ với đề tài “Nghiên cứu thuật toán điều khiển bám
điểm công suất cực đại của hệ pin quang điện mặt trời có xét đến hiệu ứng bóng râm”
là công trình nghiên cứu của chính bản thân tôi, duới sự huớng dẫn của TS. Huỳnh
Quang Minh, các số liệu và kết quả thực nghiệm hoàn toàn trung thực. Tôi cam đoan
không sao chép bất kỳ công trình khoa học nào của nguời khác.
Học viên cao học
Trần Duy Tân
viii
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. vi
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ ........................................................................... vii
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... viii
MỤC LỤC ................................................................................................................... ix
DANH MỤC HÌNH MINH HỌA ............................................................................ viii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .................................................................................... XV
CHƯƠNG 1:
MỞ ĐẦU............................................................................................ 1
1.1. Tổng quan về năng lượng tái tạo và nhu cầu
về năng lượng mặt trời: ........ 1
1.2. Mục đích của đề tài: ........................................................................................ 3
1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: ................................................................. 3
1.4. Nội dung sẽ nghiên cứu: ................................................................................. 3
CHƯƠNG 2:
HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI .......................................4
2.1. Sự tăng trưởng của năng lượng mặt trời: ........................................................ 4
2.2. Ưu và nhược điểm của hệ thống năng lượng mặt trời: ............................... 4
2.3. Giói thiệu về pin mặt trời ................................................................................ 5
2.3.1
Định nghĩa ................................................................................................ 5
2.3.2
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động ............................................................... 6
2.3.2.1 Cấu tạo pin mặt trời ................................................................................ 6
2.3.2.2 Nguyên lý hoạt động .............................................................................. 9
2.3.3 Phân loại các loại tế bào quang điện ......................................................... 10
2.3.3.1 Tế bào đơn tinh thể: .............................................................................. 10
2.3.2.2 Tế bào đa tinh thể: ................................................................................ 10
2.3.2.3 Tế bào vô định hĩnh:............................................................................. 12
2.3.4 Module PV................................................................................................. 12
2.3.4.1 Module thực tế: ..................................................................................... 12
2.3.4.2 Sơ đồ tương đương và mô hình toán học: ............................................ 14
2.3.4.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của pin mặt trời: ........................ 16
IX
2.4.
Cấu hình hệ thống năng lượng mặt trời: ....................................................... 18
2.4.1
Hệ thống năng lượng mặt trời độc lập: .................................................. 18
2.4.2
Hệ thống năng lượng mặt tròi kết nối lươi điệnquốc gia: ...................... 19
2.5.
Kết luận: ....................................................................................................... 21
CHƯƠNG 3:
THUẬT TOÁN BÁM ĐIỂM CÔNG SUẤT cực ĐẠI ................. 22
3.1.
Khái niệm MPPT: ......................................................................................... 22
3.2.
Hợp dung tải bằng bộ biến đổi DC - DC ...................................................... 24
3.3.
Các giải thuật điều khiển MPPT ................................................................... 28
3.3.1
Fractional voltage (V-MPPT) ................................................................ 29
3.3.2
Fractional current (I-MPPT): ................................................................. 30
3.3.3
Look-up table MPPT: ............................................................................ 31
3.3.4
Curve-fitting based MPPT: .................................................................... 32
3.3.5
Perturb and Observe (P&O)/ Hill Climbing (HC): ................................ 32
3.3.6
Phương pháp Incremental Conductance (IC):........................................ 34
3.3.7
Phương pháp Fuzzy logic control (FLC): .............................................. 36
3.3.8 Phương pháp Artifial N eural N etwork (ANN): ................................... 39
CHƯƠNG 4: THUẬT TOÁN p&o CẢI TIẾN DƯỚI ĐIỀU KIỆN CÓ BÓNG
RÂM
......... '............................................................................................... 41
4.1
Các hạn chế của giải thuật p&o truyền thống ............................................... 41
4.1.1
Thòi gian nhiễu loạn và bước nhiễu loạn: .............................................. 41
4.1.2
Sự dao động quanh điểm MPP: ............................................................. 42
4.1.3
Sự phân kỳ (Divergence) khi bức xạ thay đối nhanh:............................ 43
4.2
Hiện tượng bóng che .................................................................................... 45
4.3
Giải thuật p&o cải tiến tìm MPP trong điều kiện có bóng râm .................... 51
CHƯƠNG 5:
5.1
MÔ PHỎNG GIẢI THUẬT TRÊN MATLAB ............................... 56
Mô phỏng: .................................................................................................... 56
5.1.1
Sơ đồ mô phỏng: .................................................................................... 56
5.1.2
Kết quả mô phỏng: ................................................................................. 64
5.1.2.1
Giải thuật p&o vận hành trong điều kiện bức xạ đồng đều: ............ 64
5.1.2.2
Giải thuật p&o và p&o cải tiến vận hành trong điều kiện bức xạ
không đồng đều (có bóng râm): ......................................................................... 65
X
CHƯƠNG 6:
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ........................ 77
6.1
Kết luận:........................................................................................................ 77
6.2
Hướng phát triển đề tài: ................................................................................ 77
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 78
PHỤ LỤC (A) 81
PHỤ LỤC (B) 84
XI
DANH MỤC HÌNH MINH HỌA
Hình 1.1. Cấu hình cơ bản của hệ thống điện mặt trời độc lập ................................... 2
Hình 2.1 Năng lượng tiêu thụ trên toàn thế giới
từ 2006 - 2016 ............................... 4
Hình 2.3 Sơ đồ cấu tạo của pin quang điện ................................................................... 6
Hình 2.4 Mạng tinh thể silic vói một nguyên tử photpho (nhóm V)............................. 7
Hình 2.5 Mạng tinh thể silic vói một nguyên tử
Boron (nhóm III) ........................... 8
Hình 2.6 Bán dẫn p-n .................................................................................................... 9
Hình 2.7 Hiệu ứng quang điện tạo dòng I cấp cho tải ................................................. 10
Hình 2.8 Tế bào đơn tinh thể....................................................................................... 11
Hình 2.9 Tế bào đa tinh thể ......................................................................................... 11
Hình 2.10 Tế bào vô định hình.................................................................................... 12
Hình 2.11 Module năng lượng mặt trời thực tế........................................................... 12
Hình 2.12 Đặc tuyến I-V, P-V module pin mặt trời .................................................... 13
Hình 2.13 Mô hình tương đương pin mặt trời ............................................................. 14
Hình 2.14 Đặc tính I - V và p - V khi cường độ chiếusáng thay đổi .......................... 16
Hình 2.15 Đặc tính I-V và P-V của pin mặt tròi khi nhiệtđộ thay đổi từ 25-75 độ c
.......... ................ ... ....................................................... ....... ...... ..17
Hình 2.16 Hệ thống năng lượng mặt trời độc lập........................................................ 19
Hĩnh 2.17 Hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới....................................................... 20
Hĩnh 3.1 Bộ điều khiển MPPT trong hệ thống năng lượng mặt trời ......................... 22
Hĩnh 3.2 Module PV mắc trực tiếp vào tải thuần trở .................................................. 23
Hĩnh 3.3 Đặc tính làm việc của pin mặt trời và của tải trở có thể thay đối giá trị....23
Hĩnh 3.4 Pin mặt trời kết nối với tải qua bộ biến đổi DC - DC .................................. 25
Hĩnh 3.5 Pin mặt trời kết nối với tải Rei ..................................................................... 26
Hĩnh 3.6 Điểm làm việc của module PV ứng với tải R thay đối................................. 27
Hĩnh 3.7 Khoảng làm việc của bộ biến đổi SEPIC ..................................................... 28
Hĩnh 3.8 Mối liên hệ giữa điện áp hở mạch và điện áp cực đại .................................. 31
Hĩnh 3.9 Mối liên hệ giữa dòng điện ngắn mạch và dòng điện cực đại ...................... 31
Hĩnh 3.10 Lưu đồ giải thuật phương pháp P&o .......................................................... 33
xii
Hình 3.11 Lưu đồ giải thuật phương pháp IC ............................................................. 36
Hình 3.12 Hàm thành viên .......................................................................................... 37
Hình 3.13 Cấu trúc cơ bản của mạng nơ rơn 4 ngõ vào .............................................. 39
Hình 4.1. Dao động khi xác lập ở giải thuật p&o ....................................................... 42
Hình 4.2. Hiệu ứng trôi ............................................................................................... 43
Hình 4.3 Module PV vận hành trong thực tế bị bóng che ........................................... 45
Hình 4.4 Module PV với n cell trong trường hợp module không bị che khuất ......... 46
Hình 4.5 Module PV với n cell trong trường hợp module bị che khuất một phần ...46
Hình 4.6 Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm đối vói module PV ........................... 47
Hình 4.7 Module PV với nhiều PV bị che khuất ........................................................ 48
Hình 4.8 Module PV sử dụng diode bypass ................................................................ 48
Hình 4.9 Đặc tính của PV trong trường hợp sử dụng diode bypass ............................ 48
Hình 4.10 Cấu hình bypass diode ............................................................................... 49
Hình 4.11 Cấu hình blocking diode ............................................................................ 50
Hình 4.12 Cấu hình blocking diode kết hợp với bypass diode ................................... 51
Hình 4.13 Lưu đồ của giải thuật p&o cải tiến ............................................................. 52
Hình 4.14 Lưu đồ của giải thuật chương trình con tìm điểm GMPP .......................... 53
Hình 5.1 Thông số pin mặt trời Soltech 1STH-225-P................................................. 56
Hình 5.2 Cấu trúc 3 module không bị che khuất ......................................................... 57
Hình 5.3 Đường cong P-V, I-V ứng với độ rọi 1000 - 1000 - 1000(W/m2) ............... 57
Hĩnh 5.4 Cấu trúc 2 module không bị che khuất với bức xạ lần lượt là 1000 - 500 - 1000
(W/m2)
........................... .. ................................................. .' ...................... 58
Hĩnh 5.5 Đường cong P-V ứng với độ rọi 1000 - 500 - 1000 (W/m2) ........................ 58
Hĩnh 5.6 Cấu trúc 1 module không bị che khuất với bức xạ lần lượt là 1000 - 500 - 500
(W/m2)
........................... .. ................................................. .' ...................... 59
Hĩnh 5.7 Đường cong P-V ứng với độ rọi 1000 - 500 - 500 (W/m2) .......................... 59
Hĩnh 5.8 Sơ đồ mô phỏng của giải thuật p&o cải tiến ................................................ 60
Hĩnh 5.9 Khối 3 PV Module mắc nối tiếp và các bypass diode.................................. 61
Hĩnh 5.10 Khối thay đổi bức xạ ................................................................................. 62
Hĩnh 5.11 Khối biến đổi công suất SEPIC ................................................................. 63
Hình 5.12 Khối điều khiển MPPT.............................................................................. 63
xiii
Hình 5.13 Đường cong P-V, I-V khi bức xạ đồng đều lần lượt là 1000 - 700 (W/m2)
..... ........ . ....................... '........ . ................ ................................... 64
Hình 5.14 Đáp ứng công suất của giải thuật p&o truyền thống trong điều kiện bức
xạ đồng đều 1000-700-1000 (W/m2) .......................................................................... 64
Hình 5.15 Thay đổi chu kì nhiệm vụ khi giải thuật p&o truyền thống vận hành ....65
Hình 5.16 Đáp ứng công suất của giải thuật p&o truyền thống trên toàn miền thời gian
67
Hình 5.17 Đáp ứng dòng điện của giải thuật p&o trên toàn miền thời gian ............... 68
Hình 5.18 Đáp ứng điện áp của giải thuật p&o trên toàn miền thời gian ................ 68
Hình 5.19 So sánh đáp ứng công suất của giải thuật p&o cải tiến 1 và cải tiến 2 trên
toàn miền thời gian ..................................................................................................... 71
Hình 5.20 Phóng to đáp ứng công suất của cải tiến 1 tại t = 0.8s ............................... 72
Hình 5.21 Phóng to đáp ứng công suất của cải tiến 2 tại t = 0.8s ............................... 73
Hình 5.22 So sánh đáp
ứng điện áp của cải tiến 1 và cải tiến 2 khi vận hành ...... 74
Hình 5.23 So sánh đáp
ứng dòng điện của cải tiến 1 và cải tiến 2 khi vận hành .. 74
Hình 5.24 Chu kì nhiệm vụ D của cải tiến 1 khi vận hành ......................................... 75
Hình 5.25 Chu kì nhiệm vụ D của cải tiến 2 khi vận hành ......................................... 75
XIV
DANH MỤC TỪ VIỂT TẤT
MPPT
Maximum Power Point Tracking
MPP
Maximum Power Point
GMPP
Global Maximum Power Point
LMPP
Local Maximum Power Point
PV
Photovoltaic
p&o
Perturbation and Observation
HC
Hill Climbing
INC
Incremental Conductance
RCC
Ripple Correlation Control
FLC
Fuzzy Logic Control
PWM
Pulse Width Modulation
IC
Integrated Circuit
MOSFET
Metal Oxide Silicone Field Effect Transsitor
ADC
Analog to Digital Converter
DSP
Digital Signal Processing
ANN
Artificial neutral network
XV
CHƯƠNG 1:
1.1.
MỞ ĐẦU
Tổng quan về năng lượng tái tạo và nhu cầu về năng lượng mặt trời:
Năng lượng tái tạo là năng lượng phát sinh tù các nguồn tài nguyên thiên nhiên
như ánh sáng mặt trời, gió, mưa, thủy triều và địa nhiệt. Vì vậy, đối với tất cả các
mục đích sử dụng thực tế, các nguồn lực năng lượng này có thể được coi là vô tận,
không giống như nhiên liệu hóa thạch thông thường. Cuộc khủng hoảng năng
lượng toàn cầu đã cung cấp một động lực mới cho sự tăng trưởng và phát triển các
nguồn năng lượng sạch và tái tạo.
Trong bối cảnh các nguồn năng lượng truyền thống như nhiệt điện, thủy điện...
ngày càng cạn kiệt và gây ô nhiễm môi trường, động lực sử dụng các nguồn năng
lượng tái tạo như mặt trời, gió đang ngày càng trở nên mạnh mẽ. Hơn nữa, giá
nhiên liệu tăng cao và sự khan hiếm ngày càng tăng của nhiên liệu hóa thạch có
thể có tác động tiêu cực về kinh tế và chính trị ở nhiều nước trong tương lai gần.
Việc cải thiện hiệu quả năng lượng và sử dụng hiệu quả các nguồn năng lượng tái
tạo là chìa khóa để phát triển bền vững.
Một giải pháp khả thi cho cuộc khủng hoảng này là phát triển các hệ thống năng
lượng tái tạo. Nhiều công nghệ năng lượng tái tạo khác nhau đã được phát triển,
đáng tin cậy và có giá cạnh tranh so với việc sản xuất điện thông thường. Chi phí
năng lượng tái tạo hiện đang giảm, và dự kiến giảm hơn nữa với sự gia tăng nhu
cầu và sản xuất. Nhiều quốc gia đã áp dụng các chính sách năng lượng mới để
khuyến khích đầu tư vào các nguồn năng lượng thay thế như sinh khối, năng lượng
mặt trời, gió và thủy điện nhỏ. Năng lượng mặt trời là một trong những nguồn năng
lượng tái tạo quan trọng nhất và hứa hẹn sẽ tăng thị phần trong tương lai gần. Một
nghiên cứu
1
của cơ quan năng lượng quốc tế, kiểm tra mức tiêu thụ năng lượng của thế giới,
ước tính khoảng 30 đến 60 Terawatt năng lượng mặt trời mỗi năm sẽ là cần thiết
vào năm 2050. Nguồn pin mặt trời với ưu thế không gây tiếng ồn, có thể lắp đặt ở
mọi nơi kể cả trong khu dân cư đã giúp cho quá trình phổ biến loại nguồn này trong
hệ thống đỉện nhanh hơn so với các nguồn khác. Trong đó, vấn đề khai thác tối đa
khả năng phát công suất nhờ các biện pháp tìm điểm công suất cực đại (MPP) và
các kỹ thuật điều khiển bộ biến đổi (BBĐ) hoặc các loại BBĐ khác nhau trong hệ
thống khai thác PV là mục tiêu trợng tâm trong các nghiên cứu cả trong nước và
trên thế giới. Đe tăng hiệu suất truyền công suất pin mặt trời, thì bộ kết nốỉ giữa
pỉn mặt trời và tải đóng vai trò quan trọng. Các nhân tố như bức xạ, nhiệt độ và
góc sẽ ảnh hưởng đến điểm cỏ công suất cực đại (Maximum Power Point - MPP)
của pin mặt trời. Trong nghiên cứu này, đề tài tập trung vào việc cải thiện hiệu suất
của hệ thống điện mặt trời bằng việc cải tiến giải thuật MPPT để thu được công
suất tối đa từ pin mặt trời.
Hình LL Cấu hình cơ bản cửa hê thắng điên mat trời đôc lập
9
o
t
«
f
ti
2
1.2.
Muc đích của đề tài:
*
Đề tài tập trung nghiên cứu và mô phỏng giải thuật tìm điểm công suất cực đại cho
hệ PV trong điều kiện có bóng râm (G biến thiên), nhờ đó giúp xác định chính xác
thông số tại MPP, qua đó thiết lập các biện pháp điều khiển khai thác tối đa công
suất của PV trong mọi điều kiện vận hành thực tế, có xét tới sự thay đổi ngẫu nhiên
của (G,T).
1.3.
-
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là ba module quang điện (PV) ghép nối tiếp với
nhau.
-
Phạm vi nghiên cứu của đề tài là tìm điểm cực đại công suất của hệ PV bằng kỹ
thuật MPPT dựa trên thuật toán p&o cổ điển và đưa ra giải thuật mới tiên tiến hơn.
1.4.
-
Nội dung sẽ nghiên cứu:
Khảo sát đường cong đặc tính I-V, công suất cực đại của hệ PV trong điều kiện
nắng tốt, không có bóng râm.
-
Khảo sát ảnh hưởng hiệu ứng bóng râm đến đặc tính I-V và điểm công suất cực đại
(MPP) của hệ PV.
-
Cấu tạo pin mặt trời, mạch biến đổi công suất.
-
Dùng thuật toán p&o để tìm điểm công suất cực đại trong trường hợp hệ PV bị che
một phần.
-
Trình bày giải thuật mới có nhiều ưu điểm hơn để khắc phục nhược điểm của thuật
toán p&o.
-
Mô phỏng giải thuật cải tiến để kiểm chứng bằng phần mềm MATLAB.
3
CHƯƠNG 2:
HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Sự tăng trưởng của năng lương mặt tròi:
2.1.
Yì thủy điện và năng lượng gió bị giói hạn ở một số điều kiện địa lý nhất định,
năng lượng mặt trời bắt đầu thay thế dần trong vài năm qua khi năng lượng mặt
trời lan rộng khắp hành tinh của chứng ta. Năng lượng mặt
ười đang lan truyền
rất nhanh ưên toàn cầu vì nó là phương pháp sản xuất điện năng dễ dàng và nhanh
chóng thông qua năng lượng mặt ười. Chúng ta cỏ thể nhận thấy rằng sự tiêu thụ
năng lượng mặt trời
ưên toàn thế giới gần gấp rưỡi từ năm 2010 như được thể
hiện trong.
Uã
Wptjrcu
M
303frgaiuạJJf
I
n*
Ĩ2S
JJD
177
Ề
pin1*
LS7
*1
"lĨTUl **
4oiui
ũiuclỉy
ĩ3
70 E
5E
J#« toaiũtầ J
UIM Hữsn.
1IE 3EV jar. 3311 nn ,-ni ::K
Hình 2,1 Nâng lượng tiêu thụ trên toàn thế giởi từ2006 - 2016
Ưu và nhược điểm của hệ thống năng lượng mặt tròi:
2.2.
Ưu điểm của hệ thống năng lượng mặt trời là:
-
Hệ thống PV được coi là máy phát điện tĩnh khi chúng tạo ra điện trực tiếp từ ánh
sáng mặt ười.
-
Hệ thống PV cỏ nhiều kích cỡ và đầu ra phù hợp cho các ứng dụng khác nhau.
Các module PV khá nhẹ, cho phép vận chuyển dễ dàng và an toàn.
4
- Các hệ thống PV có thể dễ dàng được mở rộng bằng cách bổ sung thêm nhiều
module theo chuỗi để mở rộng điện áp của hệ thống hoặc song song nâng cao dòng
điện.
- Hệ thống PV được sản xuất để chịu được điều kiện khắc nghiệt nhất. Các module
được thiết kế để chịu đựng nhiệt độ khắc nghiệt, ở bất kỳ độ cao nào, trong gió
mạnh và với bất kỳ mức độ ẩm hoặc muối nào trong khí quyển. Hệ thống có thể
được thiết kế với khả năng lưu trữ để cung cấp năng lượng phù họp, chất lượng cao
ngay cả khi mặt trời không sáng.
- Hệ thống PV không gây ra tiếng ồn hoặc khí thải carbon, thân thiện với môi trường,
hầu như không gây ô nhiễm.
Nhược điểm của hệ thống năng lượng mặt trời là:
- Chi phí sản xuất rất cao so với các nguồn tái tạo khác.
- Khó bắt được điểm công suất cực đại của hệ thống trong quá trình vận hành.
- Yêu cầu bắt buộc phải làm sạch thường xuyên bề mặt ngoài của các module PV.
- Việc chuyển đổi năng lượng không được cao.
2.3.
Giới thiệu về pin mặt trời
2.3.1 Định nghĩa
Pin mặt trời hay còn gọi là pin quang điện là thiết bị ứng dụng hiệu ứng
quang điện trong lóp bán dẫn (thường gọi là hiện tượng quang điện trong
quang dẫn) để tạo ra dòng điện một chiều khi được chiếu sáng.
5
2.3.2 cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Hình 2.2 Cẩu tạo và nguyên lý hoạt động
2.3.2.1 Cẩu tạo pin mặt trời
Gồm ba than phần chính như đã mô tả trên hình 2.2:
o Lớp tiếp xúc p-n:
■ Lợp tiếp xúc bán dẫn p-n cỏ khả năng biến đổi trực tiếp năng
lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện bên
trong.
(+)Đién OIC trong 51] ét
Lớp tiếp xủc
Bán dlnloai n III
(-) Điên CUC
Hình 2.3 Sơ đồ cấu tạo cửa pin quang điện ■ Vật liệu bán dẫn
chủ yếu để chế tạo pin quang điện và các thiết bị bán dẫn khác là silic
tinh thể. Silic (Si) là nguyên tổ thuộc nhóm IV trong bảng tuần hoàn nên
có 4 eỉecữon ở lớp ngoài cùng. Các nguyên tử silic tạo liên kết hóa trị
với 4 nguyên tử lân cận theo cấu trúc tứ diện, tạo thành mạng tỉnh thể.
6
■ Ở điều kiện thường, tình thề Sỉ tình khiết là chất bán dẫn có tính dẫn
điện kém vì không có đỉện tử tự do. Khi nhiệt độ tăng, các điện tử bị
bức ra khỏi liên kết, đó là các điện tử mang điện tích âm nhảy từ vùng
hóa trị lên vùng dẫn trở thành đỉện tử tự do và để lại các lỗ trống
mang điện tích dương trong vùng hóa trị. Nhiệt độ càng cao, số
nguyên tử tự do càng nhiều, giúp khả năng dẫn điện tăng lên. Để tăng
khả năng dẫn điện của Sỉ, người ta thường thêm vào một lượng nhò
các nguyên tố nhỏm III hoặc nhóm y trong bảng tuần hoàn hóa học.
■ Khi pha Si vái một ít nguyên tử nhóm V, do có 5 điện tử ở lớp ngoài
cùng nên chúng tạo 4 liên kết hóa trị với 4 nguyên tử Si lân cận và
dư một điện tử. Điện tử thừa này sẽ dễ dàng trở
thành điện tử tự do khi được cung cấp một lượng nhỏ năng lượng từ
bên ngoài. Bán dẫn Si chứa tạp chất nhóm V có tính dẫn đỉện âm còn
được gọi là bán dẫn loại n (negatif).
‘ml.
ị•
s
t *< Ị)
m'
*betra
ỉ* /*1 H
Hình 2.4 Mạng tinh thể sỉUc với một nguyên tửphotpho (nhỏm V)
■ Ngược lại, nếu pha Si với tạp chất nhóm III, do cỏ ít hơn một elecữon
hóa trị nên khỉ gắn vào mạng tinh thể Sỉ sẽ thiếu một liên kết và xem
như nỏ mang một lỗ ứống (hole). Vỉ thiếu electron nên lỗ trống mang
điện dương. Bán dẫn Si chứa tạp
7
chất nhóm III cỗ tính dẫn điện dương còn gọi là bán dẫn loại p
(positif).
Hình 2,5 Mạng tình thể sũic với một nguyên tử Boron (nhỏm III) o
Điện cực: là thành phần dẫn đỉện ra phụ tải, vật liệu làm điện cực vừa phải có
độ dẫn tốt vừa phải bám dính tốt vào chất bán dẫn.
■ Khi đặt hai lớp bán dẫn n và p tiếp xúc nhau, điện tử tự do ở lớp n sẽ
tràn qua trung hòa lỗ trống ở lớp p. Đồng thời, các lỗ ưống tự do
mang điện tích dương ở lớp p cũng tràn qua để trung hòa điện tử ở
lợp n. Qua đỏ hình thành một điện trường không cho điện tử từ lớp n
và lỗ trống ở lớp p tiếp tục đi qua tiếp giáp p-n. Vùng các điện tích
cổ định xung quanh tiếp giáp và sinh ra một điện trường hướng từ
lớp n sang p được gọi là vùng nghèo (depletion region). Đỉện trường
này làm hãm quá trình khuếch tán và làm giảm dòng khuếch tán trong
bán dẫn p-n. Khỉ nối haỉ đỉện cực vào bán dẫn p-n, ta được lỉnh kiện
diode bán dẫn.
8
p-rcjwm
Pi-rcyuin
# electron
Ũ hole
0 negative iun
0 positive ÚM
«»
depletion
region
Hình 2,6 Bán đẫnp-n
o Lớp chống phản quang: nếu sự phản xạ ánh sáng càng nhiều sẽ làm cho hiệu
suất của pin giảm. Vì vậy phải phủ một lớp chống phản quang.
2.3.2.2 Nguyên ỉỷ hoạt động
Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời dựa trên hiện tượng quang điện
trong như được mô tả trong hình 2.2. Khỉ ánh sáng chiếu vào pin quang điện,
một phần ánh sáng bỉ phản xạ lại (do đó trên bề mặt pin quang điện cỏ một lớp
chổng phản xạ), một phần bị hấp thụ khi truyền qua lớp n và một phần sẽ đến
được lóp chuyển tiếp, nơi có các cặp electron và lỗ trống nằm trong điện trường
của bề mặt giới hạn p-n. Năng lượng của photon được hấp thụ sẽ truyền đến các
electron ừong màng tỉnh thể một năng lượng đủ lớn để thoát khỏỉ liên kết. Khỉ
thoát khỏi liên kết, dưới tác dụng của điện trường, electron sẽ bị kéo về bán dẫn
loại n, còn lỗ trống bị kéo về bán dẫn loại p. Khỉ đỏ, nếu nối hai cực vào hai
bán dẫn loại n và p sẽ đo được một hiệu điện thế. Giả ừị của hiệu điện thế này
phụ thuộc vào bản chất của chất làm bán dẫn và tạp chất được hấp thụ.
9
Lead
Hình 2.7Hiệu ứng quang điện tạo dòng leap cho tải
233 Phân loại các loại tế bào quang điện
Các tế bào quang điện được sản xuất ở nhiều dạng khác nhau; mỗi loại đều có
những lợi ích và nhược điểm so với các loại khác. Các loại tế bào PV tiêu biểu nhất
là:
2.33.1
Te bào đơn tinh thể:
Tể bào đơn tinh thể được cắt từ một tinh thể silicon đơn, xem Hình 2.8.
Chúng về cơ bản là một lát cắt tinh thể nên chúng rất mịn trong kết cấu, Tể
bào đơn tỉnh thể là tể bào là hiệu quả nhất, nhưng cũng là loại đắt nhất.
23.2.2
Tế bào đa tinh thể:
Các tế bào đa tinh thể được là một lát cắt từ một khối silicon, không
giống như các tế bào đơn tỉnh thể bao gồm một số lượng lớn các tinh thể. Các
tấm pin mặt trời được chế tạo từ các loại tế bào này kém hiệu quả hơn nhưng
rẻ hơn so vối các tấm pin lảm từ tế bào đơn tính thể.
10
Hình 2,8 Tế bào đơn tình thể
Hình 2,9 Tế bào đa tình thể
11
