Đồ án tốt nghiệp năng lượng điện mặt trời đầy đủ kèm file 2019 (Khoa Điện ĐHBK Đà Nẵng)

TÓM TẮT

Với nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng cao trong cuộc sống, thì năng lượng
sử dụng (than đá, dầu mỏ…) đang ngày càng cạn kiệt đi và gây ra ảnh hưởng không
nhỏ đến môi trường, điều này đòi hỏi phải có sự phát triển của các loại hình nguồn
phát mới. Năng lượng mặt trời ngày càng bùng nổ và dẫn trở thành giải pháp hữu hiệu
trong việc phát triển nguồn phát, đáp ứng nhu cầu phụ tải, đồng thời giảm được các
tác động xấu đến môi trường, với suất đầu tư thấp và nhiều loại hình lắp đặt linh hoạt:
nhà máy, lắp mái,… Bên cạnh đó, thì bộ chuyển đổi inverter có giá thành khá đắt và
chưa được tối ưu với công suất thay đổi liên tục. Để cải thiện điều này thì các bộ
chuyển đổi đang được nghiên cứu để đảm bảo được sự ổn định, có chất lượng điện áp
cao, kích thước nhỏ gọn cho các thiết bị sử dụng điện là hết sức cần thiết, trong đó
bao gồm bộ chuyển đổi một chiều DC/DC. Vì vậy nhóm chúng em chọn đề tài
“Nghiên cứu và thiết kế bộ Boost đa tầng ứng dụng trong hệ thống năng lượng mặt
trời”, tập trung nghiên cứu bộ chuyển đổi năng lượng DC/DC nhằm năng cao công
suất thu được từ các hệ thống pin năng lượng mặt trời.
Các kiến thức tổng quan được giới thiệu từ đó làm cơ sở cho quá trình tính toán mô
hình mạch DC/DC. Các mô hình mạch được mô phỏng và sau đó mô hình thực tế
được lắp đặt và thử nghiệm.

1


LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp, em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ,
đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cô và bạn bè.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến ThS.Trần Anh Tuấn, giảng viên Trung
Tâm Thí Nghiệm Điện và ThS.Nguyễn Văn Tấn, giảng viên Bộ môn Điện Công
Nghiệp, trường Đại Học Bách Khoa, Đại Học Đà Nẵng đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo
em trong suốt quá trình hoàn thành đồ án tốt nghiệp.

Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Điện đã truyền dạy cho
em kiến thức về các môn học đại cương cũng như các môn chuyên ngành, giúp em có
được cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt quá trình học
tập.
Do thời gian và kiến thức còn hạn chế, trong quá trình hoàn thiện đồ án không
tránh khỏi những sai sót. Kính mong quý thầy/cô chỉ bảo thêm.
Em xin chân thành cảm ơn!
Đà Nẵng, ngày 20 tháng 12 năm 2019
Sinh viên thực hiện

Huỳnh Trần Thanh Nhi

2


CAM ĐOAN

Chúng em xin cam đoan nội dung, số liệu, kết quả của đồ án, dưới sự hướng dẫn
của ThS.Trần Anh Tuấn là trung thực và không phải là bản sao chép của bất cứ đồ án
hay công trình đã có từ trước.
Chúng em xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện đồ án này đã được
cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong đồ án đã được chỉ rõ nguồn gốc rõ ràng và
được phép công bố.

Đà Nẵng, ngày 20 tháng 12 năm 2019
Sinh viên thực hiện

Huỳnh Trần Thanh Nhi

3

MỤC LỤC

TÓM TẮT............................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ ii
CAM ĐOAN .......................................................................................................... iii
MỤC LỤC .............................................................................................................. iv
DANH MỤC CÁC BẢNG ..................................................................................... vi
DANH MỤC HÌNH VẼ.......................................................................................... vii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT............................................................................... ix
Trang
MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TẠI VIỆT NAM
VÀ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ĐỘC LẬP ................................ 2
1.1. Năng lượng mặt trời tại Việt Nam ............................................................ 2
1.1.1. Đặt vấn đề .................................................................................................... 2
1.1.2. Xu hướng phát triển năng lượng mặt trời tại Việt Nam ............................... 4
1.2. Hệ thống năng lượng mặt trời độc lập ..................................................... 7
1.2.1. Pin quang điện ............................................................................................. 7
1.2.2. Ắc quy ......................................................................................................... 9
1.2.3. Bộ chuyển đổi DC/DC ................................................................................. 11
1.2.4. Bộ chuyển đổi DC/AC ................................................................................. 12
1.3. Kết luận ...................................................................................................... 13
CHƯƠNG 2: BỘ CHUYỂN ĐỔI DC/DC (BOOST CONVERTER) VÀ BỘ
CHUYỂN ĐỔI DC/AC ........................................................................................ 14
2.1. Bộ chuyển đổi DC/DC tăng áp (Boost Converter) .................................. 14
2.1.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động mạch tăng áp ............................................ 14
2.1.2. Thiết kế, tính toán mạch tăng áp .................................................................. 17
2.2. Bộ chuyển đổi DC/AC cầu H một pha ...................................................... 20

2.2.1. Cấu tạo và nguyên lí hoạt động ................................................................... 20
2.2.2. Phương pháp điều khiển SPWM .................................................................. 21
2.3. Các phương pháp điều khiển bộ DC/DC ................................................. 22
2.3.1. Phương pháp điều chỉnh độ rộng xung PWM .............................................. 22
2.3.2. Điều khiển phương pháp xung tần ............................................................... 23
2.4. Kết luận ...................................................................................................... 23
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ BỘ CHUYỂN ĐỔI BOOST
CONVERTER ĐA TẦNG .................................................................................... 24
3.1. Tổng quan .................................................................................................. 24
3.2. Lựa chọn linh kiện thiết bị ........................................................................ 24
3.2.1. Vi điều khiển ARM STM32F103C8T6 ........................................................ 24
3.2.2. IC ổn áp 7805 và 7812 ................................................................................. 26
3.2.3. Mosfet IRFP250N ....................................................................................... 27
4


3.2.4. Diode D92-02 .............................................................................................. 28
3.2.5. IC 74HC32 .................................................................................................. 29
3.2.6. IC IR2110 .................................................................................................... 30
3.2.7. Mosfet IRFP460 .......................................................................................... 31
CHƯƠNG 4: LẮP ĐẶT, HÌNH ẢNH THỰC TẾ VÀ KẾT QUẢ BỘ CHUYỂN
ĐỔI …………........................................................................................................ 32
4.1. Lắp đặt mô hình thực tế ............................................................................ 32
4.1.1. Mạch nguồn 5VDC và 12VDC..................................................................... 32
4.1.2. Mạch điều khiển STM32 ............................................................................. 32
4.1.3. Mạch điều khiển công suất sử dụng IR2110 ................................................ 33
4.1.4. Mạch công suất ............................................................................................ 34
4.2. Hoàn thành bo mạch ................................................................................. 36
4.3. Kết quả bộ chuyển đổi DC/DC ................................................................. 42
4.4. Kết luận ...................................................................................................... 46

KẾT LUẬN ........................................................................................................... 47
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 48
PHỤ LỤC ........................................................................................................... 50

5


DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1. Số liệu về bức xạ mặt trời tại Việt Nam ................................................... 3
Bảng 3.1. Các thông số cơ bản của STM32F103C8T6 ........................................... 26
Bảng 3.2. Thông số IC 7805 và IC 7812 ................................................................. 27
Bảng 3.3. Thông số kỹ thuật Mosfet IRFP250N ...................................................... 28
Bảng 3.4. Thông số kỹ thuật IC 74HC32 ................................................................. 29
Bảng 3.5. Thông số kỹ thuật IC IR2110 .................................................................. 30
Bảng 3.6. Thông số kỹ thuật Mosfet IRFP460 ........................................................ 31

6


DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1.

Bản đồ bức xạ mặt trời tại Việt Nam ................................................... 4

Hình 1.2.

Nhà máy điện mặt trời Hồng Phong 4 – tỉnh Bình Thuận ................... 6

Hình 1.3.

Nhà máy điện mặt trời BP Solar 1 – Ninh Thuận................................. 6

Hình 1.4.

Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của một tế bào pin mặt trời ............... 7

Hình 1.5.

Cấu tạo Pin Mono và Pin Poly............................................................. 8

Hình 1.6.

Ắc quy 12V-5Ah.................................................................................. 9

Hình 1.7.

Các loại biến đổi DC/DC không cách ly ............................................. 12

Hình 1.8.

Bộ chuyển đổi DC/AC......................................................................... 12

Hình 2.1.

Sơ đồ nguyên lý của mạch tăng áp ...................................................... 14

Hình 2.2.

Trạng thái làm việc của mạch tăng áp khi khóa S đóng ...................... 15

Hình 2.3.

Trạng thái làm việc của mạch tăng áp khi khóa S mở ......................... 15

Hình 2.4.

Dạng sóng điện áp và dòng điện của mạch tăng áp một chu kỳ........... 16

Hình 2.5.

Sơ đồ nguyên lí bộ nghịch lưu cầu H một pha .................................... 20

Hình 2.6.

Dạng sóng dòng điện, điện áp mạch nghịch lưu áp một pha ............... 21

Hình 2.7.

Nguyên lí hoạt động của SPWM ......................................................... 22

Hình 2.8.

Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển băm xung một chiều PWM ............... 23

Hình 2.9.

Sơ đồ cấu trúc mạch băm xung một chiều kiểu xung – tần ................. 24

Hình 3.1.

Sơ đồ tổng quan bộ chuyển đổi .......................................................... 24

Hình 3.2.

Vi xử lý STM32F103C8T6 ................................................................. 25

Hình 3.3.

Cấu trúc mạch CPU ............................................................................ 25

Hình 3.4.

IC ổn áp 7805 ...................................................................................... 26

Hình 3.5.

IC ổn áp 7812 ...................................................................................... 27
7


Hình 3.6.

Mosfet IRFP250N ............................................................................... 27

Hình 3.7.

Diode D92-02 ..................................................................................... 28

Hình 3.8.

IC 74HC32 .......................................................................................... 29

Hình 3.9.

IC IR2110 ........................................................................................... 30

Hình 3.10. Mosfet IRFP460 .................................................................................. 31
Hình 4.1.

Sơ đồ mạch nguồn 5VDC kết hợp 12VDC ......................................... 32

Hình 4.2.

Sơ đồ nối chân STM32........................................................................ 32

Hình 4.3.

Mạch điều khiển mosfet ...................................................................... 33

Hình 4.4.

Mạch công suất bộ Boost 1 ................................................................. 34

Hình 4.5.

Mạch công suất bộ Boost 2 ................................................................. 34

Hình 4.6.

Mạch bảo vệ quá áp ............................................................................35

Hình 4.7.

Bản vẽ thiết kế 3D ............................................................................... 36

Hình 4.8.

Bộ Boost 1 sau khi lắp đặt linh kiện .................................................... 37

Hình 4.9.

Bộ Boost 2 sau khi lắp đặt linh kiện .................................................... 38

Hình 4.10. Hoàn thành lắp đặt hai bộ Boost ......................................................... 39
Hình 4.11. Mặt trên của bộ modul ........................................................................ 40
Hình 4.12. Hệ thống hoàn chỉnh ........................................................................... 41
Hình 4.13. Khi bắt đầu nạp nguồn ........................................................................ 42
Hình 4.14. Kết quả đạt được ................................................................................. 43
Hình 4.15. Điện áp nguồn vào đo được ................................................................ 44
Hình 4.16. Điện áp và dòng điện đạt được của bộ chuyển đổi .............................. 45

8


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

CHỮ VIẾT TẮT :

Ký hiệu

Giải thích

BXMT

Bức xạ mặt trời

NLMT

Năng lượng mặt trời

DC/AC

Chuyển đổi điện một chiều/xoay chiều

DC/DC

Chuyển đổi điện một chiều

IGBT

Van bán dẫn IGBT

MOSFET

Van bán dẫn Mosfet

NLMT

Năng lượng mặt trời

PV

Pin quang điện

PWM

Điều rộng xung

TOE

Tấn dầu tương đương

MPPT

Thuật toán bắt điểm công suất cực đại

9


10


Nghiên cứu và thiết kế bộ Boost đa tầng ứng dụng trong hệ thống năng lượng mặt trời

MỞ ĐẦU:

1. Mục tiêu đề tài:
- Tìm hiểu tổng quan nguồn năng lượng mặt trời.

- Tìm hiểu về cấu tạo, nguyên lý điều khiển, hoạt động của bộ chuyển đổi
DC/DC và bộ biến đổi tăng áp Boost Converter.
- Thiết kế, chế tạo mô hình thực tế và kiểm chứng khả năng hoạt động.
2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Bộ chuyển đổi DC/DC.
Phạm vi nghiên cứu của đề tài tập trung vào việc tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý
hoạt động của bộ biến đổi tăng áp Boost Converter và mô hình thực tế của bộ này.
3. Cấu trúc của đồ án tốt nghiệp:
Đồ án tốt nghiệp được cấu trúc làm 04 chương, bao gồm:
Chương 1 : Tổng quan về năng lượng mặt trời tại Việt Nam và hệ thống năng
lượng mặt trời độc lập
Chương 2 : Bộ chuyển đổi DC/DC và bộ chuyển đổi DC/AC
Chương 3 : Tính toán, thiết kế bộ chuyển đổi Boost Converter đa tầng
Chương 4 : Lắp đặt, hình ảnh thực tế và đánh giá kết quả bộ chuyển đổi.

SVTH: Huỳnh Trần Thanh Nhi

GVHD: Th.S Trần Anh Tuấn – Th.S Nguyễn Văn Tấn

1


Nghiên cứu và thiết kế bộ Boost đa tầng ứng dụng trong hệ thống năng lượng mặt trời

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TẠI
VIỆT NAM VÀ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ĐỘC LẬP

1.1. Năng lượng mặt trời tại Việt Nam:
1.1.1. Đặt vấn đề:
Ngày nay, với sự phát triển kinh tế, dân số tăng vọt thì nhu cầu sử dụng điện khá

cao, đồng thời tỷ trọng năng lượng hóa thạch (dầu mỏ, than đá, …) sử dụng trong phát
điện vẫn còn khá lớn. Bên cạnh nguy cơ thiếu hụt nguồn năng lượng hóa thạch do trữ
lượng đang dần cạn kiệt thì việc sử dụng nguồn năng lượng hóa thạch đang gây ô
nhiễm trầm trọng, ảnh hưởng lớn đến môi trường. Trước thực trạng trên, đòi hỏi
chúng ta phải tìm ra những nguồn năng lượng thay thế. Một trong những giải pháp
được tối ưu nhất là sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo được, những dạng năng
lượng mới như năng lượng gió, năng lượng sóng biển, năng lượng mặt trời, … Năng
lượng mặt trời được xem là sự bổ sung lý tưởng cho sự thiếu hụt điện năng. Nó không
chỉ là nguồn năng lượng tái tạo sạch nhất, có khắp trên bề mặt Trái Đất mà còn góp
phần giảm thiểu các tác động tiêu cực mà năng lượng truyền thống gây ra cho môi
trường.
Việt Nam nằm trong khu vực nhiệt đới, có tiềm năng rất lớn về năng lượng mặt
trời, đặc biệt ở các miền Trung và lượng BXMT thu được càng cao khi di chuyển về
hướng phía Nam. Với cường độ BXMT trung bình khoảng 5 kWh/m 2, nhờ vào đặc
điểm địa lý nằm gần xích đạo cùng với khu vực Tây Nguyên có độ cao lớn. Ở các
vùng phía Bắc thì có cường độ BXMT thấp hơn, ước tính khoảng 4 kWh/m 2 do điều
kiện thời tiết bất thuận lợi. Ở nước ta, BXMT trung bình 230-250 kcal/cm 2 chiếm
khoảng 2.000 – 5.000 giờ trên năm, với ước tính tiềm năng lý thuyết khoảng 43,9 tỷ
TOE [1]. Ở Việt Nam, năng lượng mặt trời luôn có sẵn quanh năm, khá ổn định và
phân bố rộng rãi trên các vùng miền khác nhau. Đặc biệt số ngày nắng trung bình trên
các tỉnh của miền trung và miền nam là khoảng 300 ngày/năm. Năng lượng mặt trời
được khai thác và sử dụng chủ yếu cho các mục đích sản xuất điện và cung cấp nhiệt.
Với tất cả những điều kiện thuận lợi đó, chỉnh phủ Việt Nam ngày càng có nhiều hành
động khuyến khích phát triển loại hình năng lượng này.

SVTH: Huỳnh Trần Thanh Nhi

GVHD: Th.S Trần Anh Tuấn – Th.S Nguyễn Văn Tấn

2

Nghiên cứu và thiết kế bộ Boost đa tầng ứng dụng trong hệ thống năng lượng mặt trời

SVTH: Huỳnh Trần Thanh Nhi

GVHD: Th.S Trần Anh Tuấn – Th.S Nguyễn Văn Tấn

3


Nghiên cứu và thiết kế bộ Boost đa tầng ứng dụng trong hệ thống năng lượng mặt trời

Bảng 1.1. Số liệu về bức xạ mặt trời tại Việt Nam
VÙNG

GIỜ NẮNG
TRONG NĂM

CƯỜNG ĐỘ BXMT

Đông Bắc

1600 – 1750

3,3 – 4,1

Trung bình

Tây Bắc

1750 – 1800

4,1 – 4,9

Trung bình

Bắc Trung Bộ

1700 – 2000

4,6 – 5,2

Tốt

Tây Nguyên và Nam
Trung Bộ

2000 – 2600

4,9 – 5,7

Rất tốt

Nam Bộ

2200 – 2500

4,3 – 4,9

Rất tốt

Trung bình cả nước

1700 – 2500

4,6

Tốt

(kWh/m2, ngày)

ỨNG DỤNG

Hiện nay, các dự án đầu tư xây dựng và phát triển nguồn năng lượng mặt trời
được đẩy mạnh và thu hút các nhà đầu tư. Số lượng các nhà máy điện đang ngày càng
gia tăng nhưng khả năng khai thác năng lượng mặt trời tại Việt Nam vẫn còn rất hạn
chế. Đa phần mới chỉ lắp đặt dưới dạng thử nghiệm ở một số nơi vùng sâu vùng xa,
hải đảo với công suất nhỏ hoặc là hình thức tự phát ở một số hộ gia đình ở thành thị
mà không có quy hoạch. Nguyên nhân chính dẫn đến tình trạng này là do chi phí xây
dựng, lắp đặt các thiết bị công nghệ, hệ thống pin năng lượng mặt trời khá đắt đỏ nên
hiệu suất, sản lượng thu được là không cao. Bên cạnh đó, trình tự thủ tục cấp phép xây
dựng của Quốc gia và từng địa phương còn nhiều vướng mắc rườm rà. Do đó, muốn
năng lượng mặt trời có thể phát triển mạnh mẽ và đạt mục tiêu đề ra, đòi hỏi phải có
nhiều sự hỗ trợ từ các cơ quan quản lý, các cấp chính quyền.

SVTH: Huỳnh Trần Thanh Nhi

GVHD: Th.S Trần Anh Tuấn – Th.S Nguyễn Văn Tấn

4


Nghiên cứu và thiết kế bộ Boost đa tầng ứng dụng trong hệ thống năng lượng mặt trời

Hình 1.1. Bản đồ bức xạ mặt trời tại Việt Nam
1.1.2. Xu hướng phát triển năng lượng mặt trời tại Việt Nam:
Hiện nay, công nghệ NLMT được phân thành ba loại: Công nghệ quang điện
(Solar Photovoltaic, PV) ; Công nghệ NLMT hội tụ (Concentrating Solar Thermal
Power, CSP) hay công nghệ nhiệt điện mặt trời ; Công nghệ nhiệt mặt trời nhiệt độ
thấp hay còn gọi là công nghệ nhiệt mặt trời (Solar thermal heating and cooling). [2]
Trong công nghệ quang điện, thiết bị thu và chuyển đổi NLMT là các mô đun
pin mặt trời (PMT), nó biển đổi trực tiếp NLMT thành điện năng (dòng một chiều,
DC). Nhờ các bộ biến đổi điện (Inverter) dòng điện DC được chuyển thành dòng xoay
chiều, AC. Dàm PMT gồm nhiều môđun PMT ghép nối lại, có công suất từ vài chục

SVTH: Huỳnh Trần Thanh Nhi

GVHD: Th.S Trần Anh Tuấn – Th.S Nguyễn Văn Tấn

5


Nghiên cứu và thiết kế bộ Boost đa tầng ứng dụng trong hệ thống năng lượng mặt trời

oát (W) đến vài chục MW. Hiệu suất khá thấp, trong khoảng từ 12% đến 15% đối với
các hệ thương mại. Bù lại, hệ nguồn này có cấu trúc đơn giản, hoạt động tin cậy và lâu
dài, công việc vận hành và bảo trì bảo dưỡng cũng đơn giản và chi phí thấp.
Công nghệ nhiệt điện mặt trời, CSP thì các bộ thu NLMT là các bộ hội tụ (như
máng gương parabol, bộ hội tụ Fresnel, tháp hội tụ sử dụng các gương phẳng …). Quá

trình chuyển đổi năng lượng thực hiện qua 2 bước. Đầu tiên, NLMT được hội tụ để
tạo ra nguồn năng lượng có mật độ và nhiệt độ rất cao. Sau đó nguồn NL này làm hóa
hơi nước ở áp suất và nhiệt độ cao để cấp cho tua bin của máy phát điện để sản xuất
điện. Công nghệ này có hiệu suất chuyển đổi khá cao, khoảng 25%, nhưng nó chỉ có
hiệu quả ở các khu vực có mật độ NLMT cao hơn 5,5 kWh/m 2 và không nhỏ hơn
5MW. Ngoài ra, cần có thêm thiết bị điều khiển các bộ thu theo dõi chuyển động mặt
trời.
Công nghệ nhiệt mặt trời nhiệt độ thấp là công nghệ thu NLMT và chuyển đổi
thành nguồn năng lượng nhiệt có nhiệt độ thấp (dưới 2000 oC) dựa trên hiệu ứng nhà
kính. Công nghệ này hiện nay chủ yếu được ứng dụng để sản xuất nước nóng (cho
sinh hoạt, cho các dây chuyền sản xuất công nghiệp …). Các bộ thu và chuyển đổi
NLMT trong công nghệ này là các thiết bị nước nóng NLMT (TBNNMT) hay còn gọi
là Collector nhiệt mặt trời.
Trong một vài năm trở lại đây, các công nghệ năng lượng mặt trời, đặc biệt là
công nghệ điện pin mặt trời đã có sự phát triển rộng khắp cả nước với tốc độ ấn tượng.
Có thể nói từ đầu năm 2017 đến nay, các dự án điện mặt trời bùng nổ tại Việt Nam, có
thể điểm qua một số dự án như :
- Tỉnh Bình Thuận, dự án điện năng lượng mặt trời lớn nhất của tỉnh nằm ở xã
Sông Bình (huyện Bắc Bình) có công suất 200MW, chiếm diện tích đất tới 282 ha, do
EVN làm chủ đầu tư. Toàn bộ tiềm năng điện mặt trời chiếm khoảng 8.400 ha, với
công suất được quy hoạch 5.000 MW. Ngoài 37 nhà đầu tư đã được tỉnh cho phép
nghiên cứ, khảo sát và chấp thuận đầu tư, hiện vẫn có khá nhiều nhà đầu tư đang đề
nghị được tỉnh cho nghiên cứu, đo nắng và lập dự án.
- Tỉnh Ninh Thuận cũng thu hút được nhiều dự án điện mặt trời. Theo Sở Công
Thương Ninh Thuận, toàn tỉnh có 8 dự án đã được chấp thuận đầu tư, khoảng 40 nhà
đầu tư khác đến từ Hàn Quốc, Thái Lan, Đức, Trung Quốc đang nộp hồ sơ dự án với
quy mô 30 – 100 MW.

SVTH: Huỳnh Trần Thanh Nhi

GVHD: Th.S Trần Anh Tuấn – Th.S Nguyễn Văn Tấn

6


Nghiên cứu và thiết kế bộ Boost đa tầng ứng dụng trong hệ thống năng lượng mặt trời

- Nhiều nhà đầu tư trong và ngoài nước đang xúc tiến nhiều dự án điện mặt trời
công suất từ 20 MW đến 300 MW tại các tỉnh khác như Tây Ninh, Hậu Giang, Đồng
Nai, Quảng Ngãi, Thanh Hóa, Hà Tĩnh, …

Hình 1.2. Nhà máy điện mặt trời Hồng Phong 4 – tỉnh Bình Thuận

SVTH: Huỳnh Trần Thanh Nhi

GVHD: Th.S Trần Anh Tuấn – Th.S Nguyễn Văn Tấn

7


Nghiên cứu và thiết kế bộ Boost đa tầng ứng dụng trong hệ thống năng lượng mặt trời

Hình 1.3. Nhà máy điện mặt trời BP Solar 1 – Ninh Thuận, với tổng mức đầu tư 1.315
tỉ đồng, công suất 46 MWp
1.2. Hệ thống năng lượng mặt trời độc lập:
1.2.1. Pin quang điện:
Pin năng lượng mặt trời (còn gọi là Pin quang điện – PV) là thiết bị bán dẫn giúp
chuyển hóa trực tiếp năng lượng mặt trời (quang năng) thành năng lượng điện (điện
năng) dựa trên hiệu ứng quang điện (là khả năng phát ra điện từ khi ánh sáng chiếu
vào bề mặt vật chất).

SVTH: Huỳnh Trần Thanh Nhi

GVHD: Th.S Trần Anh Tuấn – Th.S Nguyễn Văn Tấn

8


Nghiên cứu và thiết kế bộ Boost đa tầng ứng dụng trong hệ thống năng lượng mặt trời

Hình 1.4. Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của một tế bào pin mặt trời
Khi bị ánh sáng hay nguồn điện kích thích, các điện tử bị bứt ra khỏi liên kết,
nhảy từ vùng hóa trị lên vùng dẫn và để lại một lỗ trống điện tích dương trong vùng
hóa trị. Lúc này, chất bán dẫn sẽ tạo nên đường dẫn cho các điện tử tự do.
Khi chất bán dẫn silicon tiếp xúc, các electron tự do ở điện cực N sẽ di chuyển sang
lấp đầy các lỗ trống bên điện cực P. Sau đó, các electron từ điện cực N và điện cực P
sẽ cùng nhau tạo ra điện trường. Các tế bào năng lượng mặt trời sẽ trở thành một
diode, cho phép electron di chuyển từ điện cực P đến điện cực N, không cho phép di
chuyển ngược lại, tạo thành dòng điện một chiều. Tất nhiên, để kích hoạt quá trình cần
có năng lượng tiếp xúc với các tế bào silicon. Ánh sáng mặt trời bản chất là các hạt
photon, các hạt nhỏ mang năng lượng này có thể tiếp xúc với các tế bào năng lượng
mặt trời và nới lỏng liên kết của các electron ở điện cực N. Sự di chuyển của các
elentron tự do từ điện cực N tới điện cực P tạo ra dòng điện.
Để tạo thành một hệ thống PV có công suất lớn, các tấm PV có thể được liên kết với
nhau theo các mắc liên tiếp, song song hay hỗn hợp hai kiểu nối, tùy theo nhu cầu về
điện áp hay công suất sử dụng. Thông thường, các tấm pin mặt trời có công suất khá
nhỏ nên thường được liên kết với nhau và đặt trên một diện tích lớn để đạt hiệu quả
tốt nhất. Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, ngày nay công nghệ PV đã trở nên
phổ biến và có sự phát triển mạnh mẽ. Có 3 loại hình PV đang được sử dụng rộng rãi:
dạng mono (đơn tinh thể), dạng poly (đa tinh thể) và dạng phim mỏng [3-4]:

SVTH: Huỳnh Trần Thanh Nhi

GVHD: Th.S Trần Anh Tuấn – Th.S Nguyễn Văn Tấn

9


Nghiên cứu và thiết kế bộ Boost đa tầng ứng dụng trong hệ thống năng lượng mặt trời

- Pin mặt trời Mono đơn tinh thể (Monocrystalline) hình thành cắt ra từ
những thỏi Silic hình ống, những tấm đơn tinh thể này có những mặt trống ngay góc
nối Module. Loại pin năng lượng mặt trời Mono hấp thụ ánh sáng mặt trời nhanh, kể
cả khi không có nắng, chỉ cần có ánh sáng loại pin này đã tạo ra điện, tiến hành đo V
hay A đều đầy đủ hai chỉ số với hiệu suất cao và khá đắt tiền.
- Pin mặt trời Poly đa tinh thể (Polycrystalline) được làm từ những thỏi đúc
từ Silic đã nung chảy, làm nguội và làm rắn. Loại pin mặt trời Poly có giá cả thấp hơn
loại Mono đơn tinh thể và hiệu suất khá thấp. Loại pin Poly hấp thụ ánh nắng mặt trời
khá chậm và phải đạt đến mức độ ánh nắng mặt trời nhất định mới hoạt động tốt. Pin
ngưng hoạt động hoàn toàn khi thời tiết mây nhiều, âm u.
- Pin mặt trời dạng phim mỏng được tạo ra từ những miếng phim rât mỏng từ
chất liệu Silic nóng chảy. Có cấu trúc đa tinh thể và cho hiệu suất thấp nhất trong ba
loại pin. Bỏ qua thao tác cắt thỏi Silicon nên loại pin mặt trời dạng phim mỏng có giá
thành mềm nhất.

Hình 1.5. Cấu tạo Pin Mono và Pin Poly
1.2.2. Ắc quy:
Ắc quy là một nguồn điện được trữ năng lượng điện dưới dạng hóa. Là nguồn
điện một chiều cung cấp điện cho các thiết bị điện trong công nghiệp cũng như trong
đời sống hằng ngày như: động cơ điện, bóng đèn điện, là nguồn nuôi của các linh kiện

SVTH: Huỳnh Trần Thanh Nhi

GVHD: Th.S Trần Anh Tuấn – Th.S Nguyễn Văn Tấn

10


Nghiên cứu và thiết kế bộ Boost đa tầng ứng dụng trong hệ thống năng lượng mặt trời

điện tử… Ắc quy là nguồn cung cấp điện cho các động cơ khởi động. Hình 2.5 là loại
ắc quy được sử dụng trong mạch.

Hình 1.6. Ắc quy 12V – 5Ah
Cho đến nay có rất nhiều loại ắc quy khác nhau được sản xuất tuỳ thuộc vào
những điều kiện yêu cầu cụ thể của từng loại máy móc, dụng cụ, điều kiện làm việc.
Cũng như những tính năng kinh tế kỹ thuật của ắc quy có thể liệt kê một số loại sau:
- Ắc quy chì (ắc quy axit)
- Ắc quy kiềm
- Ắc quy không lamen và ắc quy kiềm
- Ắc quy kẽm-bạc
Nhưng trong hệ thống điện năng lượng mặt trời độc lập thì ắc quy chì axit vẫn
được sử dụng phổ biến nhất do nó có giá thành rẻ và có dung lượng lớn, dễ sử dụng.

Phương pháp nạp cho ắc quy:
- Nạp với dòng không đổi:

SVTH: Huỳnh Trần Thanh Nhi

GVHD: Th.S Trần Anh Tuấn – Th.S Nguyễn Văn Tấn

11


Nghiên cứu và thiết kế bộ Boost đa tầng ứng dụng trong hệ thống năng lượng mặt trời

Phương pháp nạp điện với dòng nạp không đổi cho phép chọn dòng điện nạp
thích hợp với mỗi loại ắc quy, đảm bảo cho ắc quy được nạp no. Đây là phương pháp
sử dụng trong các xưởng bảo dưỡng sửa chữa để nạp điện cho các ắc quy mới hoặc
nạp sửa chữa cho các ắc quy bị sunfat hoá.
Nhược điểm của phương pháp nạp với dòng không đổi là thời gian nạp kéo dài
và yêu cầu các ắc quy đưa vào nạp có cùng cỡ dung lượng định mức. Để khắc phục
nhược điểm thời gian nạp kéo dài người ta sử dụng phương pháp nạp với dòng điện
nạp thay đổi hai hay nhiêù nấc. Trong trường hợp nạp hai nấc, dòng điện nạp ở nấc
thứ nhất chọn bằng (0,3 - 0,5) C 20 và kết thúc nạp ở nấc một khi ắc quy bắt đầu sôi.
Dòng điện nạp ở nấc thứ hai bằng 0,05C20.
- Nạp với điện áp không đổi:
Phương pháp nạp với điện áp nạp không đổi yêu cầu các ắc quy được mắc song
song với nguồn nạp. Hiệu điện thế của nguồn nạp không đổi và được tính bằng
(2,3÷2,5) V cho một ngăn ắc quy đơn. Đây là phương pháp nạp điện cho ắc quy lắp
trên ôtô.
Phương pháp nạp với điện áp nạp không đổi có thời gian nạp ngắn, dòng điện
nạp tự động giảm theo thời gian. Tuy nhiên dùng phương pháp này ắc quy không được
nạp no, vậy nạp với điện áp không đổi chỉ là phương pháp nạp bổ sung cho ắc quy
trong quá trình sử dụng.
Để đánh giá khả năng cung cấp điện của ắc quy người ta dùng vôn kế phụ tải
hoặc đánh giá gián tiếp thông qua nồng độ dung dịch điện phân của ắc quy.
- Phương pháp nạp dòng áp:
Đây là phương pháp tổng hợp của hai phương pháp trên. Nó tận dụng được
những ưu điểm của mỗi phương pháp.

+ Đối với ắc quy axit: Để đảm bảo cho thời gian nạp cũng như hiệu suất nạp
thì trong khoảng thời gian t n = 8 giờ tương ứng với 75- 80% dung lượng ắc qui ta nạp
với dòng điện không đổi là I n = 0,1 C10. Vì theo đặc tính nạp của ắc quy trong đoạn
nạp chính thì khi dòng điện không đổi thì điện áp, sức điện động tải ít thay đổi, do đó
bảo đảm tính đồng đều về tải cho thiết bị nạp. Sau thời gian 8 giờ ắc quy bắt đầu sôi
lúc đó ta chuyển sang nạp ở chế độ ổn áp. Khi thời gian nạp được 10 giờ thì ắc quy bắt
đầu no, ta nạp bổ sung thêm 2-3 giờ.

SVTH: Huỳnh Trần Thanh Nhi

GVHD: Th.S Trần Anh Tuấn – Th.S Nguyễn Văn Tấn

12


Nghiên cứu và thiết kế bộ Boost đa tầng ứng dụng trong hệ thống năng lượng mặt trời

+ Đối với ắc quy kiềm: Trình tự nạp cũng giống như ắc quy axit nhưng do
khả năng quá tải của ắc quy kiềm lớn nên lúc ổn dòng ta có thể nạp với dòng nạp I n
=0,2 C10 hoặc nạp cưỡng bức để tiết kiệm thời gian với dòng nạp In = 0,5 C10
Các quá trình nạp ắc quy tự động kết thúc khi bị cắt nguồn nạp hoặc khi nạp ổn
áp với điện áp bằng điện áp trên 2 cực của ắc quy, lúc đó dòng nạp sẽ từ từ giảm về
không.
.

Vì ắc quy là tải có tính chất dung kháng kèm theo sức phản điện động cho nên
khi ắc quy đói mà ta nạp theo phương pháp điện áp thì dòng điện trong ắc quy sẽ tự
động dâng lên không kiểm soát được sẽ làm sôi ắc quy dẫn đến hỏng hóc nhanh
chóng. Vì vậy trong vùng nạp chính ta phải tìm cách ổn định dòng nạp trong ắc quy.
Khi dung lượng của ắc quy dâng lên đến 80% lúc đó nếu ta cứ tiếp tục giữ ổn

định dòng nạp thì ắc quy sẽ sôi và làm cạn nước. Do đó đến giai đoạn này ta lại phải
chuyển chế độ nạp cho ắc quy sang chế độ ổn áp. Chế độ ổn áp được giữ cho đến khi
ắc quy đã thực sự no. Khi điện áp trên các bản cực của ắc quy bằng điện áp nạp thì lúc
đó dòng nạp sẽ tự động giảm về không, kết thúc quá trình nạp.
1.2.3. Bộ chuyển đổi DC/DC:
Với hệ thống pin mặt trời, các bộ chuyển đổi năng lượng một chiều DC/DC được
sử dụng rộng rãi với mục đích biến đổi nguồn một chiều không ổn định thành nguồn
một chiều ổn định có thể điều khiển được [5-6]. Thông thường, bộ chuyển đổi được
tích hợp thêm các thuật toán MPPT nâng cao công suất đầu ra của pin, đạt được cực
đại. Các phần tử, linh kiện cơ bản trong bộ chuyển đổi DC/DC bao gồm: van bán dẫn
(khóa điện tử) có vai trò điều khiển hoạt động mạch, cuộn cảm để tích trữ năng lượng
và lọc dòng điện DC, tụ điện để hạn chế dao động điện áp và một diode dẫn dòng. Có
2 loại bộ chuyển đổi năng lượng DC/DC:
- Loại cách ly: Có máy biến áp để cách ly giữa hai nguồn điện đầu vào và đầu ra,
có thể sử dụng tỉ số biến áp để tăng hoặc giảm áp, độ an toàn cao, nhưng có nhiều hạn
chế trong giá trị chuyển đổi.
- Loại không cách ly, có các bộ biến đổi thường dùng:
+ Bộ biến đổi giảm áp (Buck Converter) : biến đổi điện áp đầu ra thấp hơn
điện áp đầu vào, có thể xác định được điểm làm việc có công suất tối ưu mỗi khi điện
áp ra của pin vượt quá điện áp tham chiếu.
+ Bộ biến đổi tăng áp (Boost Converter) : nâng điện áp đầu vào lên mức cao
hơn, có thể xác định được điểm làm việc tối ưu ngay cả khi cường độ ánh sáng yếu.

SVTH: Huỳnh Trần Thanh Nhi

GVHD: Th.S Trần Anh Tuấn – Th.S Nguyễn Văn Tấn

13

Nghiên cứu và thiết kế bộ Boost đa tầng ứng dụng trong hệ thống năng lượng mặt trời

Hệ thống làm việc với lưới dùng bộ Boost để tăng điện áp ra trước khi đưa vào bộ
chuyển đổi DC/AC.
+ Bộ biến đổi đảo dấu điện áp (Buck – Boost Converter) : là sự kết hợp của
hai bộ biến đổi Buck và Boost, dùng để tăng hoặc giảm điện áp dựa trên cách điều
khiển van bán dẫn.
+ Ngoài ra, còn có các bộ biến đổi khác như fly-back, bộ đẩy kéo (push –
pull) , ….

Hình 1.7. Các loại biến đổi DC/DC không cách ly
1.2.4. Bộ chuyển đổi DC/AC :
Bộ chuyển đổi DC/AC (hay còn gọi là bộ nghịch lưu) có các phần tử cấu tạo cơ
bản tương tự bộ chuyển đổi DC/DC. Chức năng chính là chuyển đổi năng lượng một
chiều thành năng lượng xoay chiều có giá trị tần số thay đổi tùy thuộc vào quy tắc
điều khiển van bán dẫn.

Hình 1.8. Bộ chuyển đổi DC/AC
Có hai dạng nghịch lưu: nghịch lưu độc lập và nghịch lưu phụ thuộc:
SVTH: Huỳnh Trần Thanh Nhi

GVHD: Th.S Trần Anh Tuấn – Th.S Nguyễn Văn Tấn

14


Nghiên cứu và thiết kế bộ Boost đa tầng ứng dụng trong hệ thống năng lượng mặt trời

- Nghịch lưu phụ thuộc: tần số chính là tần số không thể thay đổi của lưới điện.
Hoạt động của dạng nghịch lưu phụ thuộc vào điện áp lưới vì tham số điều chỉnh duy

nhất là góc điều khiển α được xác định theo tần số và pha của lưới điện xoay chiều.
- Nghịch lưu độc lập : tần số do mạch điều khiển quyết định và có thể thay đổi
tùy ý, độc lập với lưới điện. Nghịch lưu độc lập có ba loại : nghịch lưu điện áp, nghịch
lưu dòng điện, nghịch lưu cộng hưởng.
Hiện nay, nhiều bộ chuyển đổi DC/AC có thể làm việc ở cả hai chế độ : từ một
chiều sang xoay chiều và ngược lại, từ xoay chiều sang một chiều. Bộ chuyển đổi
DC/AC trong hệ thống PV có thể làm việc ở nhiều mức điện áp khác nhau tùy thuộc
vào tính chất của hệ PV và tải được kết nối.
1.3. Kết luận :
Trong chương 1, đề tài đã giới thiệu tổng quan về các hiện trạng và xu hướng
phát triển năng lượng mặt trời tại Việt Nam. Mô hình pin năng lượng mặt trời và các
bộ chuyển đổi được giới thiệu làm tiền đề phát triển cho các chương tiếp theo.

SVTH: Huỳnh Trần Thanh Nhi

GVHD: Th.S Trần Anh Tuấn – Th.S Nguyễn Văn Tấn

15