LUẬN VĂN THẠC SĨ TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CỦA PIN MẶT TRỜI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM

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

   H
  C
   E
   T
   U
   H
NGUYỄN NGỌC TRUNG

TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI
CỦA PIN MẶT TRỜI .

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành : Thiết bị, mạng và nhà máy điện
Mã số ngành: 60 52 50

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2012


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

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

NGUYỄN NGỌC TRUNG

   H
  C
   E
   T
   U
   H

TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI
CỦA PIN MẶT TRỜI.

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành : THIẾT BỊ , MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN
Mã số ngành: 60 52 50

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS.
HỌC: TS. TRƯƠNG VIỆT ANH

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2012


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. TRƯƠNG VIỆT ANH

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ TP.
HCM ngày 14 tháng 07 năm 2012

   H
  C
   E
   T
   U
   H

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, t ên,
ên, học hàm, học vị của H ội
ội đồng chấm bảo vệ Luận văn T hạc sĩ)
1. TS. Huỳnh Châu Duy
2. PGS. TS. Đinh Thành Việt
3. TS. Ngô Cao Cường
ần Vĩnh Tịnh
4. . TS. Tr ần
5. PGS. TS. Quy ền Huy Ánh

- Chủ tịch
- Phản biện 1
- Phản biện 2
- Uỷ viên
- Uỷ viện, Thư k ý

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được
sửa chữa (nếu có).

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

TRƯỜNG ĐH KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM
PHÒNG QLKH - ĐTSĐH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
TP. HCM, ngày .… tháng….. năm 2011

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: NGUYỄN NGỌC TRUNG

Giới tính: Nam

 Ngày,
 Ngày, tháng
tháng,, năm sinh: 09 - 06 - 1965

 Nơi sinh:
sinh: TP HCM

Chuyên ngành: Thiết bị , mạng và Nhà máy điện .

MSHV: 1081031028

   H
  C
   E
   T
   U
   H

I- TÊN ĐỀ T ÀI:

TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CỦA PIN MẶT TRỜI.
II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Nội dung : Tìm điểm công suất cực đại của pin mặt trời
- Phương pháp nghiên cứu : Mô phỏng
- K ết
ết quả đạt được : Thực hiện được mô phỏng giải thuật tìm điểm công suất cực
đại của pin mặt trời

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 15 - 09 - 2011

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 15 - 06 -2012
V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS . TRƯƠNG VIỆT ANH
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

TS. TRƯƠNG VIỆT ANH

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công tr ình
ình nghiên cứu của riêng tôi. Các s ố liệu, kết
quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ
công trình nào khác.

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện L uận văn này đã
được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ r õ nguồn gốc.

   H
  C
   E
   T
   U
   H

Học viên thực hiện L uận văn

 Nguyễn Ngọc Trung


ii

LỜI CÁM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn TS.Trương Việt Anh  –  Phó
  Phó Trưởng khoa điện  –
òng chỉ
điện tử  –  Trường
  Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ thuật Tp.HCM, người thầy đ ã h ết l òng
bảo, hướng dẫn, truyền đạt những kiến thức chuy ên môn cũng như những kinh
nghiệm nghiên cứu trong suốt thời gian học tập v à thực hiện luận văn n ày.
 Xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu, Ban chủ nhiệm khoa Cơ -  Điện  –
 Điện tử, Phòng quản lý sau đại học của Trường Đại Học Kỹ thuật Công nghệ
Tp.HCM đ ã t ạo
ạo những điều kiện tốt nhất về vật chất lẫn tinh thần để chúng tôi
hoàn thành t ốt

ốt luận văn n ày.

   H
  C
   E
   T
   U
   H

 Xin chân thành cám ơn đến tất cả Quí Thầy, Cô của Trường Đại Học Kỹ
thuật Công nghệ Tp.HCM đ ã giảng dạy, trang bị cho tôi những kiến
kiến thức rất bổ
ích và quí báu trong suốt quá tr ình
ình học tập cũng như nghiên cứu sau n ày.
 Xin cảm

ơn bạn bè, đồng nghiệp và đặc biệt l à nhóm thực nghiệm chung
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ thuật Tp.HCM và Trường Đại Học Kỹ thuật Công
nghệ Tp.HCM dưới sự hướng dẫn của Thầy Trương Việt Anh những người luôn
giành những t ình
ình cảm sâu sắc nhất, giúp đỡ v à khuyến khích tôi để cùng nhau vượt
qua mọi khó khăn trong suốt quá tr ình
ình thực hiện luận văn n ày.
 Xin cảm ơn Gia đ ình
ình đ ã t ạo
ạo mọi điều kiện để tôi y ên tâm học tập tốt trong
suốt thời gian vừa qua.
 Xin c ảm

ơn Ban Giám

Giám Hiệu Trường Cao đẳng Giao
Giao thông Vận tải TPHCM
ất cả bạn bè thân thuộc đ ã động viên, t ạo
ạo điều kiện thuận lợi v à h ỗ trợ cho tôi
và t ất
r ất
ình học tập, công tác cũng như trong suốt thời gian thực hiện
ất nhiều trong quá tr ình
luận văn.

TP.H ồ Chí Minh, tháng 06

năm 2012

 Người
 Người thực
thực hiện
hiện
 Nguy
 Nguyễn Ngọc Trung


iii

TÓM TẮT
 Nghiên cứu n ày trình bày phương pháp tìm điểm làm việc có công suất cực đại của
 pin mặt trời (MPPT) bằng giải thuật INC. Tác giả sử dụng Matlab/Simulink để xây
dựng mô hình pin mặt tr ời
ời và mô phỏng giải thuật và sử dụng thực nghiệm để kiểm
tra giải thuật.

ết quả mô phỏng và th ực nghiệm cho thấy sự cần thiết phải sử dụng MPPT trong
K ết
hệ thống pin mặt trời v à bằng việc sử dụng giải thuật INC, hệ thống đ ã nhanh

chóng đưa pin mặt trời vào làm việc tại điểm có công suất tối ưu.

   H
  C
   E
   T
   U
   H


iv

ABSTRACT
This study presents the Maximum Power Point Tracking (MPPT) technique of
Photovoltaic by INC Algorithm. The author uses Matlab / Simulink for modeling
and simulation of solar cells and the Algorithm.
The simulation results and experiment shows the need to use MPPT solar system
and by using the INC algorithm, the system was quickly put photovoltaic to work at
optimum power point .

   H
  C
   E
   T
   U

   H


v

MỤC LỤC

TRANG
Lời cam đoan
i
Lời cám ơn
ii
Tóm tắt 
iii
Mục lục
v
Danh sách các ch ữ viết tắt
vii
Danh sách các b ảng
vii
Danh mục các biểu đồ, đồ thị, sơ đồ, h ình ảnh 
viii
N ội dung luận văn
.................................
.......................
......................
.......................
.......................
......................
.......................

.......................
................1
.....1
Chương 1 .....................
...............................
.......................
.......................
.......................
.......................
.....................
........................
.....................1
........1
TỔNG QUAN .....................
1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghi ên cứu trong và
...............................
.......................
.......................
.......................
.......................
.....................
.................1
......1
ngoài nước đã công bố .....................
1.2. Mục đích của đề t ài .....................
...............................
.......................
.......................
.......................
.......................

.....................
...............1
....1
1.3. Nhiệm vụ của đề t ài và giớ i hạn đề tài............................
ài........................................
.......................
......................
.............4
..4
...............................
.......................
.......................
.......................
.......................
..................4
.......4
1.4. Phương pháp nghiên cứu ....................
1.5. Nộidung luận văn ......................
..................................
.......................
.....................
.......................
........................
.....................
................5
......5
..................................
.......................
.....................
.......................

.......................
......................
.......................
.......................
................6
.....6
Chương 2 .....................
CƠ SỞ LÝ THUYẾT ......................
..................................
.......................
......................
.......................
.......................
.....................
..................6
........6
ời .....................
2.1 Mô hình pin mặt tr ời
...............................
.......................
.......................
.......................
.......................
.....................
.............6
..6
2.2. Bộ chuyển đổi DC/DC boost converter .....................
...............................
.......................
........................

................13
.....13
2.3. Điểm l àm việc cực đại của Pin mặt trời .....................
...............................
.......................
........................
................16
.....16
2.4. Các phương pháp t ìm điểm cực đại của pin mặt trời phổ biến ..........................21
2.4.1. Phương pháp điện áp hằng số .....................
.................................
.......................
......................
..............
... 21
2.4.2. Phương pháp P&O (Perturb and Observe) .......................................22
Chương 3.....................
..................................
.......................
.....................
.......................
.......................
......................
.......................
.......................
..............
...25
25
CHỌN GIẢI THUẬT BỘ D Ò ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CỦA PIN MẶT
..................................

.......................
.....................
.......................
.......................
.....................
........................
.......................
...................25
.........25
TRỜI ......................
..................................
.......................
...............25
.....25
3.1. Phương pháp INC (Incremental Conductance) .....................

   H
  C
   E
   T
   U
   H


vi

3.2. Mô hình mô ph ỏng giải thuật .....................
...............................
.......................
.......................

.......................
.....................27
........27
3.2.1. Mô hình Pin mặt trời .....................
...............................
.......................
.......................
.......................
.................
.... 28
3.2.2. Giải thuật INC .....................
..................................
.......................
.....................
.......................
.......................
..............
... 31
.................................
.......................
......................
.......................
.......................
......................
.......................
.......................
..............
...33
33
Chương 4 .....................

...............................
.......................
.......................
.......................
.......................
.....................
...............33
33
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG .....................
4.1. Mô hình pin mặt trời ....................
...............................
........................
.......................
.......................
.......................
.....................33
...........33
4.2. Giải thuật MPPT .....................
.................................
.......................
......................
.......................
.......................
.....................
................35
......35
..................................
.......................
.....................
.......................

.......................
......................
.......................
.......................
..............
...42
42
Chương 5 .....................
..................................
.......................
.....................
.......................
.......................
................42
.....42
KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM .....................
5.1. Mô hình thực nghiệm .....................
..................................
.......................
.....................
........................
.......................
...................42
.........42
5.2. K ết
...............................
.......................
.......................
.......................
.......................

.....................50
...........50
ết quả thực nghiệm .....................
..................................
.......................
.....................
.......................
.......................
......................
.......................
.......................
..............
...54
54
Chương 6.....................
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ T ÀI .....................
..................................
...................54
......54
6.1. K ết
..................................
.......................
.....................
.......................
.......................
.....................
........................
.................54
....54
ết luận ......................

..................................
.......................
......................
.......................
......................54
..........54
6.2. Hướng phát triển của đề t ài ......................
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................
...............................
.......................
.......................
........................
.......................
.................56
.......56
PHỤ LỤC

   H
  C
   E
   T
   U
   H


vii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
PV

: PhotoVotaic : Pin quang điện ( pin mặt trời )

MPPT : Maximum Power Point Tracking
Tracking : Dò tìm điểm cực đại

P&O : Perturb and Observe : Phương pháp nhiễu loạn và quan sát
INC

: Incremental
Incremental Conductance : Phương pháp INC
INC

 NOCT : Normal Control Ttemperature : Niệt độ vận hành bình thường

   H
  C
   E
   T
   U
   H
DANH MỤC CÁC BẢNG

TRANG

Bảng 3.1. Thông số của pin mặt trời thương mại MSX 60 tại 1 kW/m 2 , 25 oC .......29
Bảng 3.2 Thông số của pin mặt trời thương mại WN -15 tại 1 kW/m2 , 25 oC ........
..........43
..43

viii

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ , HÌNH ẢNH
TRANG

Hình 1.1. Phân bố tổng số giờ nắng 3 tháng 1,2,3 năm 2011 .....................................2
Hình 1.2. Bức xạ mặt trời tại ba th ành phố tiêu biểu năm 2010 ................................2
Hình 2.1. Mạch điện tương đương của  pin mặt trời ......................
..................................
.......................
................8
.....8
Hình 2.2. Mô hình pin mặt trời lý tưởng.....................
.................................
.......................
......................
.......................
.............9
.9
Hình 2.3. Mô đun pin mặt trời .....................
.................................
.......................
......................
.......................
.......................
..............
...10
10
Hình 2.4. Đặc tuyến I-V với các bức xạ khác nhau ......................
..................................

.......................
................12
.....12
Hình 2.5. Đặc tuyến P-V với các bức xạ khác nhau .....................
.................................
.......................
................12
.....12

   H
  C
   E
   T
   U
   H

Hình 2.6. Sơ đồ nguyên lý mạch boost .....................
.................................
.......................
......................
.......................
.............. 13
Hình 2.7. Mạch điện khi S đóng ......................
..................................
.......................
.....................
.......................
.......................14
..........14
Hình 2.8. Dạng sóng điện áp và dòng điện tr ên

ên cuộn dây L khi S đóng ...................14
Hình 2.9. Mạch điện khi S mở  ......................
..................................
.......................
......................
.......................
.......................
............. 15
Hình 2.10. Dạng sóng điện áp và dòng điện tr ên
ên L khi S mở ...................................15
...................................15
Hình 2.11. Đặc tuyến I-V, P-V của pin mặt trời với điểm công suất cực đại ............17
Hình 2.12. Các điểm MPP dưới các điều
đ iều kiện môi trường thay đổi .........................17
Hình 2.13 Sơ đồ khối của hệ thống MPPT tiêu biểu. .....................
.................................
.......................
..............
...18
18
Hình 2.14. Bộ DC/DC giúp hút công suất cực đại từ pin mặt trời ............................19
Hình 2.15. Giải thuật MPPT dựa trên các điện áp hằng số ....................
...............................
...................22
........22
Hình 2.16. Đặc tính của pin mặt trời ....................
...............................
........................
.......................
.......................

.................23
....23
Hình 2.17. Đồ thị PV khi bức xạ thay đổi và sự làm việc tìm điểm cực đại của

 phương pháp P&O .....................
.................................
.......................
......................
.......................
.......................
......................
....................23
.........23
Hình 2.18 Giải thuật P&O .....................
..................................
.......................
.....................
........................
.......................
...................24
.........24
Hình 3.1. Độ dốc (dP/dV) của PV .....................
...............................
.......................
.......................
.......................
.....................26
........26
Hình 3.2. Giải thuật InC .....................
...............................

.......................
.......................
.......................
........................
.....................
..............27
27
Hình 3.3. Mô hình pin mặt trời được xây dựng trong Matlab/Simulink
Matlab/Simulink ...................28
...................28
Hình 3.4. Mô hình pin mặt trời thu gọn ....................
...............................
.......................
.......................
.......................
.............. 28
Hình 3.5. Bảng thông số đầu vào của pin mặt trời .....................
..................................
.......................
.................29
.......29
Hình 3.6. Đặc tuyến I-V, P-V với các bức xạ khác nhau (Nhiệt độ pin 25 oC)..........30


ix

Hình 3.7. Đặc tuyến I-V, P-V với nhiệt độ vận hành khác nhau (bức xạ 1kW/m2)...30
Hình 3.8. Bộ phận đo điện áp v à dòng điện ......................
..................................
.......................

.....................
................31
......31
Hình 3.9. Giải thuật INC được xây dựng trong
.........................31
tron g Matlab & Simulink .........................31
Hình 3.10. Mô hình mô phỏng đặc tuyến pin mặt trời .....................
...............................
.......................
............... 32
Hình 3.11. Mô hình mô phỏng giải thuật ......................
..................................
.......................
......................
....................32
.........32
Hình 4.1. Bức xạ mặt trời ....................
...............................
........................
.......................
.......................
.......................
.....................33
...........33
Hình 4.2. Đặc tuyến PV của pin mặt trời ......................
..................................
.......................
......................
....................34
.........34

Hình 4.3. Đặc tuyến IV của pin mặt trời .....................
.................................
.......................
......................
......................35
...........35
Hình 4.4. Điện áp làm việc của pin mặt trời .....................
...............................
.......................
.......................
................36
......36

   H
  C
   E
   T
   U
   H

Hình 4.5. Dòng điện làm việc của pin mặt trời ....................
...............................
........................
.......................
..............36
36
Hình 4.6. Công suất làm việc của pin mặt trời .....................
..................................
.......................
.....................

...............37
37

Hinh 4.7. Điện áp l àm việc của pin mặt trời tương ứng với công suất thu được .......37
Hình 4.8. Bức xạ mặt trời thay đổi nhanh .....................
.................................
.......................
......................
....................39
.........39
Hình 4.9. Điện áp làm việc của pin mặt trời .....................
...............................
.......................
.......................
................39
......39
Hình 4.10. Dòng điện làm việc của pin mặt trời ....................
...............................
.......................
.......................40
...........40
Hình 4.11. Công suất làm việc của pin mặt trời .....................
..................................
.......................
.....................40
...........40
Hinh 4.12. Điện áp làm việc của pin mặt trời tương ứng với công suất thu được .....41
Hình 5.1. Mô hình thực nghiệm ......................
..................................
.......................

......................
.......................
......................42
..........42
Hình 5.2. Pin mặt trời và thông số của nhà sản xuất ....................
...............................
.......................
.................43
.....43
Hình 5.3. Sơ đồ mạch công suất v à bộ phận đo lường dòng điện .............................44
Hình 5.4.Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển ......................
..................................
.......................
......................
................45
.....45
Hình 5.5. Sơ đồ mạch in mạch điều khiển .....................
.................................
.......................
......................
..................46
.......46
Hình 5.7. Mạch điều khiển và mạch công suất thi công .....................
...............................
......................47
............47
Hình 5.8. Lưu đồ chương tr ình
ình chính .....................
..................................
.......................

.....................
........................
.................48
48
Hình 5.9 Lưu đồ chương tr ình
ình MPPT.....................
MPPT..................................
.......................
.....................
........................
.................49
49
Hình 5.10. Điện áp và công suất và dòng điện pin mặt trời .....................................52
Hình 5.11. Độ rộng xung kích Mosfet ....................
...............................
........................
.......................
.......................
.................52
52
Hình 5.12. Cường độ sáng của tải là bóng đèn 20W ....................
...............................
.......................
.................52
.....52


x

Hình 5.13. Điện áp tr ên

ên tải và dòng điện chạy qua tải .....................
...............................
.......................
............... 52
Hình 5.14. Điện áp pin mặt trời .....................
...............................
.......................
........................
.......................
.......................
............. 53
Hình 5.15. Điện áp pin mặt trời .....................
...............................
.......................
........................
.......................
.......................
............. 53

   H
  C
   E
   T
   U
   H


1

Chương 1

TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghi ên cứu, các kết quả nghi ên cứu trong
và ngoài nước đ ã công bố
 Ngày nay, nhu cầu sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo đang tăng l ên m ạnh
mẽ do bởi các nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt v à chúng gây ra
những hậu quả về môi trường như hiệu ứng nh à kính, lũ lụt… Trong các nguồn

   H
  C
   E
   T
   U
   H

năng lượng tái tạo như năng lượng sinh khối, năng lượng địa nhiệt, gió, thủy điện
nhỏ, năng lượng mặt trời đang dần trở n ên r ất
ất phổ biến bởi vì chúng có nhiều ưu

điểm trong phương pháp phát điện, ch i phí bảo dưỡng thấp, an toàn cho người sử
dụng, không gây ô nhi ễm môi trường và đặc biệt nguồn tài nguyên này cực kỳ lớn.
Tổng tiêu thụ năng lượng của con người tr ên
ên thế giới hiện tại (tính tổng cộng
tất cả các loại năng lượng như dầu hỏa, than đá, thủy điện, v.v.) k hoảng 15 nghìn tỷ
watt, tức là ch ỉ bằng khoảng 1/5000 công suất dự trữ của năng lượng mặt trời cho

trái đất. Trong số 15 ngh ìn t ỷ watt công suất năng lượng mà con người đang d ùng,
thì có đến 37% là t ừ dầu hỏa, 25% là than đá, và 23% là khí đốt (tổng cộng b a th ứ

này đã đến 85%), là những nguồn năng lượng cạn kiệt nhanh ch óng và không phục

hồi lại được .

Với tốc độ khai thác hiện tại, th ì các nguồn năng lượng hóa thạch sẽ gần như
hết đi trong thế kỷ 21. Tương lai năng lượng của thế giới không thể nằm ở những
nguồn n ày, mà phải nằm ở những nguồn năng lượng tái tạo (renewable energy), ví
dụ như năng lượng gió và thủy năng. Nhưng tổng cộng dự trữ của tất cả các nguồn

khác này (trong đó chủ yếu l à gió) chỉ bằng khoảng 1 phần trăm nguồn dự trữ năng
lượng mặt trời. Bởi vậy có thể nói tương lai năng lượng của thế giới chính là năng
lượng mặt trời.
Ở Việt Nam, vị trí địa lý đã ưu ái cho chúng ta một nguồn năng lượng tái tạo
vô cùng lớn, đặc biệt là năng lượng mặt trời.  Nằm gần đường xích đạo, Việt Nam


2

nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao, năng lượng bức xạ
mặt trời trung bình đạt 4 đến 5kWh/m2 mỗi ngày[1].

   H
  C
   E
   T
   U
   H

Hình 1.1. Phân bố tổng số giờ nắng 3 tháng 1,2,3 năm 2011[1]

Hình 1.2. Bức xạ mặt trời tại ba th ành phố tiêu biểu năm 2010[3]
Tuy nhiên, vớ i tiềm năng lớn song năng lượng mặt trời lại đang gặp những

rào cản lớn về kỹ thuật và các rào c ản khác. R ào
ào cản kỹ thuật là một trong những


3

thách thức lớn cho việc
việc sử dụng pin mặt trời hiện nay do bởi giá thành cao và hiệu
suất chuyển đổi năng lượng c òn thấp. Giá của một mô đun pin mặt trời khoảng
3.5$/Wp và nếu tính cả chi phí lắp đặt hệ thống th ì khoảng 7$/Wp dẫn đến giá

thành điện năng phát ra c òn r ất
ất cao khoảng 0.25  – 0.65 $/kWh gấp gần 5 lần điện
năng phát ra dùng nguồn năng lượng hóa thạch [2]. Ngoài ra còn các rào c ản khác
như thiếu sự hỗ trợ về chính sách của chính phủ, nhận thức của mọi người về năng
lượng, sự tham gia của các tổ chức cá nhân v ào các dự án phát triển nguồn năng
lượng tái tạo.
Để khắc phục những r ào
ào cản đó, đặc biệt là liên quan đế n giá thành và hiệu

   H
  C
   E
   T
   U
   H

suất của pin mặt trời rất nhiều giải pháp đ ã được thực hiện. Ví dụ như liên quan đến
giá thành của pin mặt trời, các nh à nghiên cứu và s ản xuất đã phát triển công nghệ
sản xuất pin theo hướng hiện đại, liên quan đến việc cải thiện hiệu suất chuyển đổi

ên
năng lượng có hai phương pháp chủ yếu đó là cải thiện hiệu suất của pin dựa tr ên
công nghệ sản xuất pin và cải thiện phương pháp sử dụng pin mặt trời.

Phương pháp thứ nhất, các nh à nghiên cứu đã và đang tìm ra r ất
ất nhiều các
 phương pháp nhằm nâng cao hiệu suất của pin mặt trời như dùng vật liệu mới, thậm
chí là phương pháp phát điện mới. Phương pháp thứ hai có thể được thực hiện bằng
cách sử d ụng bộ thu năng lượng tập trung để hút được bức xạ cực đại hoặc sử dụng
 bộ dò điểm công suất cực đại để đảm bảo pin mặt trời luôn vận h ành ở điều kiện tối

ưu và công suất pin sẽ đạt được cực đại.

Trên thế giới và trong nước đ ã có nhiều nghiên cứu về hệ thống pin mặt trời.
Chủ yếu về các lĩnh vực như:

Ổn định và nâng cao điện áp phát ra của hệ thố ng pin mặt tr ời
ời [5,6]
Các phương pháp điều khiển nhằm đưa hệ thống pin mặt trời l àm việc tại
điểm công suất cực đại [ 16-26].
Các phương pháp nghịch lưu nhằm cải thiện chất lượng điện trong hệ thống
năng lượng mặt trời [4-15].


4

Các phương pháp ngăn ngừa hiện tượng I slanding cho hệ thống pin năng
lượng mặt trời [12,13].
Các phương pháp điều khiển công suất tác dụng, công suất phản kháng v à
dòng điện bơm vào lưới của hệ thống pin mặt trời nối lưới  [12,13].

1.2. Mục đích của đề t ài
Đề tài tập trung nghiên c ứu các phương pháp  tìm điểm làm việc cực đại của
 pin mặt trời. Trên các đặc tuyến của pin mặt trời, tồn tại một điểm vận h ành tối ưu

nơi mà công suất nhận được từ pin mặt trời l à c ực đại. Tuy nhiên, điểm vận h ành

   H
  C
   E
   T
   U
   H

tối ưu này không cố định mà nó thay đổi theo các điều kiện môi trường đặc biệt l à
 bức xạ mặt trời và nhiệt độ pin. V ì vậy t ìm điểm làm việc cực đại (MPP T) c ủa pin
mặt trời là một phần không thể thiếu của hệ thống pin mặt trời để đảm bảo rằng các

mô đun pin mặt trời luôn vận hành trong điều kiện tối ưu.

Có r ất
ất nhiều phương pháp MPPT đ ã được nghiên cứu và công bố. Các

 phương pháp khác nhau ở nhiều khía cạnh như mức độ phức tạp, thông số đo
lường, số lượng cảm biến y êu cầu, tốc độ chuyển đổi và giá thành. Đề t ài sẽ nghiên
cứu các phương pháp MPPT. Mục đích của nghi ên cứu của đề tài là đề xuất

 phương pháp MPPT tối ưu với khả năng đáp ứng dưới các điều kiện môi trường
 bức xạ thay đổi và có th ể thực hiện mô h ình vật lý với chi phí thấp .

1.3. Nhiệm vụ của đề t ài và giới hạn đề t ài

-  Nghiên cứu phân tích mô hình pin mặt trời, phân tích các đặc tuyến I -V, PV của pin mặt trời, sự phụ thuộc các đặc tính của pin mặt trời dưới các điều kiện

môi trường.

- Phân tích tính cần thiết của điểm l àm việc cực đại của pin mặt trời .
-  Nghiên cứu các giải thuật MPPT của pin mặt trời, đề xuất phương ph áp
MPPT khả dụng.

- Dùng phần mềm Matlab/Simulink nghi ên cứu mô hình mô dò tìm điểm
làm việc cực đại  của phỏng pin mặt trời.


5

- Thiết kế thi công bộ MPPT kiểm tra giải thuật .

1.4. Phương pháp nghiên cứu
- Thu thập tài liệu liên quan đến đề t ài nghiên cứu.
-  Nghiên cứu các mô hình toán h ọc của pin mặt trời. Đề nghị mô h ình tính
toán cụ thể.

-  Nghiên cứu bộ tăng áp DC - DC
- Thực hiện mô hình mô phỏng pin mặt trời và các giải thuật MPPT.

   H
  C
   E
   T

   U
   H

- Thiết kế thi công bộ MPPT kiểm tra giải thuật đề xuất.
- Phân tích các k ết
ết quả nhận được và các ki ến nghị.
- Đánh giá tổng quát toàn bộ bản luận văn.
- Đề nghị hướng phát triển của đề t ài.
1.5. Nội dung luận văn:

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Chọn giải thuật bộ dò tìm điểm công suất cực đại
Chương 4 : Kết quả mô phỏng
phỏn g

Chương 5: K ết
ết quả thực nghiệm

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển của đề t ài


6

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Mô hình pin mặt trời

Từ khi hiệu ứng quang điện được phát hiện bởi nh à vật lí Edmund Becquere

năm 1838 và pin mặt trời đầu tiên được phát minh bởi Charles Fritts vào năm
1883, k ỹ thuật  pin mặt trời (PV) đã phát triển đáng kể. Sự phát triển đó l à: cải

   H
  C
   E
   T
   U
   H

thiện hiệu suất chuyển đổi năng lượng, thúc đẩy quá tr ình
ình sản xuất, giảm chi
 phí sản xuất và thậm chí cũng giới thiệu của một số thế hệ mới của PV. Quá
trình phát triển kỹ thuật PV đượ c mô tả trong hình 1.4. Hiện nay, hiệu suất cao
nhất của PV (khoảng 40%) đ ã đạt được trong phòng thí nghiệm. Tuy nhiên,
hiệu suất module PV thương mại c òn thấp, khoảng 15%. Việc giảm chi phí sản
xuất lớn cũng đạt được.

Hiệu suất pin là tỉ số của năng lượng điện từ ánh sáng mặt trời. V ào buổi

trưa một ngày tr ời
ời trong, ánh mặt trời tỏa nhiệt khoảng 1000 W/m². Trong đó,
10% hiệu suất của 1 module 1 m² cung cấp năng lượng khoảng 100 W. Hiệu
suất của pin mặt trời thay đổi từ 6% từ pin mặt trời l àm từ silic không thù hình,
và có thể lên đến 30% hay cao hơn nữa, sử dụng pin có nhiều mối nối ngh iên
cứu trong phòng thí nghiệm.

Có một số loại pin mặt trời như: đơn tinh thể, đa tinh thể, vô định h ình,

nhiều mối nối, tế bào năng lượng mặt trời hữu cơ và pin mặt trời m àng mỏng,
và một số loại khác.
Tuy nhiên, nhìn chung pin thương mại được phân thành 3 thế hệ:
a) Thế hệ đầu tiên: lát silic (đơn và đa tinh thể).
 b) Thế hệ thứ hai: màng mỏng (cadmium telluride [CdTe], copper indium
gallium diselenide [CIGS], và amorphous silicon [a-Si]).
c) Thế hệ thứ ba:  polyme/hữu cơ , quang điện hóa.


7

Pin mặt trời sản xuất trực tiếp điện một chiều (DC) khi hấp thụ photon từ
ánh sáng mặt trời. Có nhiều ứng dụng sử dụng điện DC từ các mô -đun này. Tuy
nhiên, hiện nay việc điện DC chuyển thành điện AC v à hòa đồng bộ vào lưới

điện đang rất phát triển v ì lợi ích và nhu cầu năng lượng. Nhìn chung, các ứng
dụng của pin mặt trời có thể được phân loại thành hai nhóm: nhóm độc lập v à
hệ thống kết nối lưới điện.
Hệ thống độc lập thường được sử dụng trong khu vực v ùng sâu, vùng xa, h ải

đảo. Hệ thống này thường bao gồm một số th ành phần: năng lượng mặt trời, ắc
quy dự trữ và b ộ điều khiển. Biến tần cũng có thể được sử dụng để chuyển đổi

   H
  C
   E
   T
   U
   H

điện DC thành AC. Bộ điều khiển là thành phần quan trọng, đặc biệt là điều
khiển quá tr ình
ình nạp, xả ắc quy dự trữ và ngăn chặn việc sạc quá mức hay xả quá
mức. Ban ngày, pin mặt trời cung cấp điện cho tải v à s ạc cho ắc quy dự trữ và

 ban đêm chỉ có ắc quy cung cấp điện cho tải.

Về cấu tạo pin mặt trời bao gồm một lớp tiếp xúc bán dẫn p -n có khả năng
 biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời thành điện nhờ hiệu ứng quang

điện được gọi là pin mặt trời. Khi ánh sáng chi ếu tới pin mặt trời, năng lượng từ
ánh sáng (các photon) t ạo ra các hạt mang điện tự do, được tách ra bởi điện

trường. Điện áp được tạo ra và đo được tại các điểm tiếp xúc b ên ngoài, vì vậy
ta đo được giá trị d òng quang điện khi có tải kết nối vào. Dòng quang điện được
tạo ra trong pin mặt trời và tỷ lệ thuận với cường độ bức xạ.

Pin quang điện (pin mặt trời) ti êu biểu cho thiết bị chuyển đổi cơ bản năng
lượng mặt trời thành năng lượng điện. Cường độ nắng, nhiệt độ của tế b ào
quang điện và điện áp vận h ành ảnh hưởng lớn đến đặc tính công suất v à dòng
điện ngõ ra của pin mặt trời.
 Ngày nay, quang điện vẫn là nguồn năng lượng tương đối đắt tiền. Vì vậy,
điều quan trọng là phải sử dụng pin mặt trời đúng cách để đạt được công suất
tối đa. Để đạt được điều n ày, các tấm pin mặt trời thường được bố trí ở một vị
trí cố định và nghiêng về phía Nam để tối ưu hóa việc sản xuất năng lượng h àng
ngày và buổi trưa. Sự định hướng tấm pin cố định cần được chọn cẩn thận để


8

nhận được năng lượng cực đại theo mùa trong năm. Khi cần, có thể điều chỉnh

hướng đặt pin theo định kỳ. Cơ bản, các tấm pin có một điểm hoạt động tối ưu
gọi là điểm công suất cực đại (MPP) . Đó l à một điểm mà các tấm pin có thể
 phát công suất tối đa từ ánh sáng mặt tr ời.
ời.
Mạch điện tương đương của pin mặt trời được cho như h ình 2.1.

   H
  C
   E
   T
   U
   H

Hình 2.1. Mạch điện tương đương của pin mặt trời

Mạch điện gồm có d òng quang điện IPH, điốt, điện trở d òng rò R SH
SH và điện trở
nối tiếp R S, đặc tuyến I-V của pin được mô tả bằng biểu thức 2.1 [3, 27 ]:


I  I ph  Is  exp(


q 
V  IR S 
 V  IR )  1 
(2.1)
kTC A

R SH   

Trong đó:

IPH: dòng quang điện (A)
IS: dòng bão hòa (A)

q: điện tích của electron, q = 1,6x10 -19 C

k: hằng số Boltzmann’s, k =1,38x10 -23 J/K
TC: nhiệt độ vận hành của pin (K)
A: hệ số lý tưởng phụ thuộc vào công nghệ chế tạo pin, ví dụ công nghệ Si mono A=1.2, Si-Poly A = 1.3…
Dòng quang điện IPH phụ thuộc trực tiếp vào b ức xạ mặt trời và nhiệt độ của
 pin [3, 27]:


9

I PH  ISC  K I  TC  TRe f   

(2.2)

Trong đó:
ISC: dòng ngắn mạch tại nhiệt độ ti êu chuẩn 25OC (A) và b ức xạ 1kW/m2
K I: hệ số dòng điện phụ thuộc vào nhiệt độ (A/ OC)
TC: Nhiệt độ vận hành của pin mặt trời ( 0K)
TREF : Nhiệt độ tiêu chuẩn của pin mặt trời ( 0K)

λ: Bức xạ mặt trời (kW/m 2)

   H
  C
   E
   T
   U
   H

Mặt khác, dòng bão hòa IS là dòng các h ạt tải điện không cơ bản được tạo ra
do kích thích nhiệt. Khi nhiệt độ của pin mặt trời tăng d òng bão hòa cũng tăng theo
hàm mũ [3, 27]:

3

 qE  1
 T 
1 
IS  I RS  C  exp  G 
  
(2.3)
 TRe f 
 kA  TRef TC  

Trong đó:

IRS: Dòng điện ngược bão hòa tại nhiệt độ tiêu chuẩn (A)
EG: Năng lượng lỗ trống của chất bán dẫn

Đối với pin mặt trời lý tưởng, điện trở d òng rò R SH
SH = ∞, R S = 0. Khi đó mạch
điện tương đương của pin mặt trời được cho bởi h ình 2.2:

Hình 2.2. Mô hình pin mặt trời lý tưởng

Khi đó, biểu thức (2.1) có thể được mô tả như biểu thức 2.4.


10




 1 
 KTC A  
 qV

I  IPH  IS  exp 


(2.4)

Và dòng bão hòa ngược tiêu chuẩn có thể được biểu diễn như biểu thức 2.5.

IRS 

ISC
1 
 qvOC 
exp 

 kATRef  

(2.5)

   H
  C
   E
   T
   U
   H

Thông thường, công suất của pin mặt trời k hhooảng 2W và điện áp khoảng
0.5V. Vì vậy, các pin mặt trời được ghép nối với nhau theo dạng nối tiếp - song

song để sinh ra lượng công suất và điện áp đủ lớn. Mạch điện tương đương của mô
đun pin mặt trời gồm có N P nhánh song song và N S pin nối tiếp được mô tả như
hình 2.3.

Hình 2.3. Mô đun pin mặt trời


11

Mạch điện hình 2.3 được miêu tả bởi biểu thức:



Qv
 1   
 NSkTC A  


I  N P I P H  N P I S  e xp 


(2.6)

Pin mặt trời chuyển một phần bức xạ mặt trời trực tiếp thành năng lượng điện,

nhưng một phần đó chuyển thành nhiệt cộng với pin mặt trời có m àu dễ hấp thụ
nhiệt nên nhiệt độ vận hành của pin có thể cao hơn nhiệt độ môi trường. Nhiệt độ
của pin dưới các điều kiện khác nhau có thể được đánh giá qua nhiệt độ vận h ành
 bình th ường (NOCT).  Nhiệt độ vận hành bình thường được định nghĩa l à nhiệt độ
của
m/s.

   H
  C
   E
   T
   U
   H

pin dưới điều kiện môi trường 20 oC, b ức xạ mặt trời 0.8 kW/m 2 , t ốc
ốc độ gió < 1

Công thức sau được sử dụng để tính toán sự khác nhau giữa nhiệt độ môi

trường (TAmb) và nhiệt độ vận h ành của pin mặt trời (T C):
 T NOCT  20 
 

0,8



TC  TAmb  

(2.7)

Đặc tuyến I-V tương ứng với từng b ức xạ nhất định được mô tả như h ình 2.4
và hình 2.5.