Thiết kế và chế tạo mạch chuyển đổi DC DC sử dụng thuật toán MPPT lai để nâng cao hiệu suất hệ thống điện mặt trời

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN ANH TUẤN

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẠCH CHUYỂN ĐỔI DC/DC
SỬ DỤNG THUẬT TOÁN MPPT LAI ĐỂ NÂNG CAO
HIỆU SUẤT HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng, 03/2019
i


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN ANH TUẤN

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẠCH CHUYỂN ĐỔI DC/DC
SỬ DỤNG THUẬT TOÁN MPPT LAI ĐỂ NÂNG CAO
HIỆU SUẤT HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số: 60520202

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: TS. DƯƠNG MINH QUÂN

Đà Nẵng, 03/2019
ii


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Trong luận văn có
trích dẫn một số tài liệu chuyên ngành điện của Việt Nam, của một số tổ chức khoa
học trên thế giới về hệ thống năng lượng mặt trời và các số liệu, kết quả nghiên cứu
trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào
khác.
Tác giả luận văn

Trần Anh Tuấn

iii


MỤC LỤC
MỤC LỤC ................................................................................................................. iv
DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................ vi
DANH MỤC CÁC HÌNH ........................................................................................ vii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ..................................................... x
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
1.
2.
3.
4.
5.
6.

Lý do chọn đề tài ................................................................................................. 1
Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................ 1
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................ 2
Nội dung nghiên cứu ............................................................................................ 2
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .............................................................. 2
Bố cục đề tài ........................................................................................................ 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯƠNG MẶT TRỜI VÀ CÁC BỘ
CHUYỂN ĐỔI DC/DC .............................................................................................. 4
1.1. Tổng quan về sự phát triển của năng lượng tái tạo ........................................... 4
1.2. Một số mô hình khai thác năng lượng mặt trời ................................................. 8
1.3. Pin năng lượng mặt trời ..................................................................................... 9
1.3.1. Phân loại tấm pin năng lượng mặt trời ................................................................ 10
1.3.2. Mô hình hóa tấm pin năng lượng mặt trời ........................................................... 11

1.4. Các bộ chuyển đổi DC/DC ................................................................................ 15
1.4.1. Mạch chuyển đổi tăng áp (Boost Converter) ....................................................... 15
1.4.2. Mạch giảm áp ..................................................................................................... 18

1.5. Kết luận ............................................................................................................. 20
CHƯƠNG 2 CÁC THUẬT TOÁN BẮT ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI MPPT
(MAXIMUM POWER POINT TRACKING) ........................................................ 22
2.1. Giới thiệu chung ................................................................................................ 22
2.2. Đường đặc tính Vôn-Ampe và đặc tính công suất của tấm pin ...................... 22
2.3. Các thuật toán bắt điểm công suất cực đại ...................................................... 24
2.3.1. Thuật toán P&O.................................................................................................. 24
2.3.2. Thuật toán điện dẫn gia tăng INC (Incremental Conductance)............................. 26
2.3.3. Thuật toán leo đồi (Hill Climbing) ...................................................................... 27

2.4. Mô phỏng các thuật toán trên Matlab Simmulink .......................................... 29

2.4.1. Giới thiệu ........................................................................................................... 29
2.4.2. Giải thích các khối hàm trong mô hình Matlab simulink ..................................... 31
2.4.3. Các kết quả mô phỏng ........................................................................................ 32

2.5. Kết luận ............................................................................................................. 36
CHƯƠNG 3 THUẬT TOÁN BẮT ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI MPPT SỬ
DỤNG PHƯƠNG PHÁP LAI ................................................................................. 37
3.1. Giới thiệu ........................................................................................................... 37
3.2. Thuật toán MPPT lai ........................................................................................ 37
3.2.1. Sơ đồ thuật toán MPPT lai .................................................................................. 37
iv


3.2.2. Chương trình thuật toán ...................................................................................... 38
3.2.3. Kết quả mô phỏng thuật toán MPPT lai .............................................................. 39

3.3. So sánh thuật toán MPPT lai với các thuật toán INC và P&O: ..................... 41
3.4. Kết luận: ............................................................................................................ 41
CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ MẠCH TĂNG ÁP BOOST CONVERTER .................. 42
4.1. Giới thiệu ........................................................................................................... 42
4.2. Tính chọn thông số bộ biến đổi DC/DC ........................................................... 43
4.2.1. Tính toán thiết kế cuộn cảm L............................................................................. 44
4.2.2. Tính toán chọn mạch từ cho dây quấn: ................................................................ 45
4.2.3. Tính chọn tụ điện trong mạch ............................................................................. 46
4.2.4. Chọn khóa S và diode ......................................................................................... 46
4.2.5. Thiết kế mạch Mosfet Driver: ............................................................................. 46

4.3. Thiết kế mô hình mạch chuyển đổi DC/DC ..................................................... 47
4.3.1. Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển đổi DC/DC tích hợp thuật toán MPPT lai: ........... 47

a) Mạch chuyển đổi DC/DC: ......................................................................... 47
b) Mạch lấy tín hiệu đo lường về vi điều khiển: ............................................. 47
c) Mạch bảo vệ quá áp và quá dòng: ............................................................. 48
d) Mạch Mosfet Driver:................................................................................. 49
e) Mạch cấp nguồn +5VDC (VCC/VDD) và nguồn +12VDC ........................ 49
f) Mạch vi điều khiển STM32F103: ............................................................... 49
4.3.2. Thiết kế bảng mạch............................................................................................. 50

a) Bảng thiết kế mạch (kích thước mạch in 125mm x 158mm) ....................... 50
b) Mô hình mạch lắp đặt thực tế: .................................................................. 52
4.4. Kiểm tra hiệu suất của mạch chuyển đổi DC/DC: .......................................... 52
4.5. Kết quả thử nghiệm khi sử dụng thuật toán MPPT tích hợp trên bộ chuyển
đổi DC/DC ................................................................................................................ 54
CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................ 56
5.1. Kết luận ............................................................................................................. 56
5.2. Hạn chế và kiến nghị......................................................................................... 56
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................. 57
PHỤ LỤC ................................................................................................................. 59

v


DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu
bảng

Tên bảng

Trang

1.1.

Số liệu về bức xạ mặt trời tại Việt Nam

5

1.2.

Tổng lượng bức xạ ở một số địa phương miền Trung của nước ta

7

1.3.

Số giờ năng trong năm ở một số địa phương miền Trung của nước

7

4.1.

Các thông số của MOSFET IRFP460

45

4.2.

Các thông số của Diode MUR3060PT

45

4.3

Kết quả tính toán hiệu suất bộ chuyển đổi

52

vi


DANH MỤC CÁC HÌNH

Số hiệu
hình

Tên hình

Trang

1.1.

Bản đồ bức xạ mặt trời Việt Nam

6

1.2.

Bản đồ nhiệt độ trung bình trong năm tại Việt Nam

6

1.3.

Năng lượng mặt trời dạng lắp mái tại trường Đại học Bách khoa
Đà Nẵng

9

1.4.

Nguồn lưu trữ công suất thấp dùng điện mặt trời

9

1.5.

Cấu tạo của một tế bào pin mặt trời

9

1.6

Pin mono và pin poly

11

1.7.

Sơ đồ mạch tương đương của một Solar Cell

11

1.8.

Sơ đồ mạch tương đương của pin mặt trời

12

1.9.

Đặc tính I-V của tấm pin khi BXMT thay đổi nhưng nhiệt độ môi
trường được giữ nguyên

13

1.10.

Đặc tính P-V của tấm pin khi BXMT thay đổi nhưng nhiệt độ môi
trường được giữ nguyên

13

1.11.

Đặc tính I-V của tấm pin khi nhiệt độ môi trường thay đổi nhưng
BXMT giữ nguyên

14

1.12.

Đặc tính P-V của tấm pin khi nhiệt độ môi trường thay đổi nhưng
BXMT giữ nguyên

14

1.13.

Sơ đồ nguyên lý của mạch DC/DC tăng áp Boost

15

1.14.

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

15

1.15.

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

16

1.16.

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

17

1.17.

Sơ đồ nguyên lý của mạch giảm áp

18

1.18.

Trạng thái làm việc của mạch giảm áp khi khóa S đóng

18

1.19.

Trạng thái làm việc của mạch giảm áp khi khóa S mở

19

1.20.
2.1.

Dạng sóng điện áp và dòng điện của mạch giảm áp trong một chu
kỳ
Tấm pin mặt trời được mắc trực tiếp với một tải thuần trở với giá
trị có thể thay đổi
vii

19
21

2.2.

Đường đặc tính làm việc của pin và của tải thuần trở có giá trị
điện trở thay đổi được

22

2.3.

Nguyên lý tìm điểm làm việc công suất lớn nhất P&O

23

2.4.

Lưu đồ thuật toán P&O

24

2.5.

Nguyên lý tìm điểm công suất cực đại của phương pháp INC

25

2.6.

Sơ đồ thuật toán INC

26

2.7.

Giải thuật Hill Climbing dò tìm điểm công suất cực đại

27

2.8.

Đặc tính mô hình pin quang điện

28

2.9.

Mô hình trong mô phỏng

29

2.10.

Khối đầu vào bức xạ, nhiệt độ và pin quang điện

30

2.11.

Khối thuật toán MPPT

30

2.12.

Mô hình bộ chuyển đổi tăng áp (Boost converter)

31

2.13.

Mô hình phía kết nối với lưới điện

31

2.14.

Kết quả mô phỏng thuật toán bắt điểm công suất cực đại P&O

32

2.15.

Kết quả mô phỏng thuật toán bắt điểm công suất cực đại INC

33

3.1.

Sơ đồ thuật toán MPPT sử dụng phương pháp lai

37

3.2.

Kết quả mô phỏng thuật toán bắt điểm công suất cực đại lai

30

3.3.

Công suất hệ thống PV thu được giữa các thuật toán

40

4.1.

Mô hình hệ thống năng lượng mặt trời độc lập có sử dụng ắc quy
lưu trữ

41

4.2.

Sơ đồ khối bộ chuyển đổi DC/DC sử dụng thuật toán MPPT

42

4.3.

Tổn thất trong mạch từ

44

4.4.

Sơ đồ thiết kế bộ chuyển đổi DC/DC

46

4.5.

Sơ đồ mạch lấy tín hiệu đo lường

47

4.6.

Sơ đồ mạch bảo vệ quá dòng

47

4.7.

Sơ đồ mạch Mosfet Driver

48

4.8.

Sơ đồ mạch Mạch cấp nguồn +5VDC (VCC/VDD) và nguồn

+12VDC

48

4.9.

Sơ đồ mạch vi điều khiển STM32F103

49

4.10.

Mặt trên bảng mạch

49

4.11.

Mặt dưới bảng mạch

50

4.12.

Hình ảnh mạch trong chế độ 3D của phần mềm Proteus

50

4.13.

Mô hình mạch thực tế

51

4.14.

Kết quả đo lường thực thế

51

4.15.

Đồ thị hiệu suất bộ chuyển đổi

52

viii


4.16.

Kết quả trong trường hợp ngày nắng, bức xạ thay đổi nhiều

53

4.17.

Kết quả trong trường hợp ngày nắng, bức xạ ít thay đổi

53

ix


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiêu, từ viết tắt

Tên Tiếng Việt

MPPT

Bắt điểm công suất cực đại

MPP

Điểm công suất cực đại

DC/DC

Chuyển đổi năng lượng một chiều/một chiều

BXMT

Bức xạ mặt trời

NLMT

Năng lượng mặt trời

PV

Pin quang điện

P&O

Thuật toán nhiễu loạn và quan sát

INC

Thuật toán điện dẫn gia tăng

Hill Climbing

Thuật toán leo đồi

DC/AC

Chuyển đổi năng lượng một chiều/xoay chiều

PWM

Điều rộng xung

x


THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẠCH CHUYỂN ĐỔI DC/DC
SỬ DỤNG THUẬT TOÁN MPPT LAI ĐỂ NÂNG CAO HIỆU SUẤT
HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI
Học viên: Trần Anh Tuấn Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số: 60520202
Khóa: K34ĐN.
Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN
Tóm tắt: Năng lượng tái tạo đang trở thành giải pháp thiết thực nhất để đáp ứng
vấn nạn về môi trường cũng như sự cạn kiệt của nguồn nhiên liệu hóa thạch. Trong đó,
năng lượng gió và năng lượng mặt trời là các loại hình được chú trọng nghiên cứu
nhiều nhất trong thời gian qua và ngày càng được áp dụng rộng rãi. Các loại hình năng
lượng này vừa đáp ứng được các nhu cầu về điện năng, vừa giảm thiểu được các các
động tiêu cực đến môi trường. Tuy nhiên, những ảnh hưởng của các yếu tố tự nhiên:
vận tốc gió, hiện tượng che khuất mặt trời,… gây ra nhiều tác động xấu đến nguồn
năng lượng tái tạo và đặc biệt là với nguồn năng lượng mặt trời. Sự thay đổi bất
thường của nhiệt độ và bức xạ nhiệt trong ngày làm cho năng lượng đầu ra của pin
quang điện luôn biến động.
Các bộ chuyển đổi DC/DC kết hợp các phương pháp điều kiển đang được phát
triển nghiên cứu để có thể đáp ứng được các yêu cầu ở đầu ra của hệ thống pin quang
điện khi có sự thay đổi đột ngột các giá trị đầu vào. Để nâng cao hiệu suất làm việc của
tấm pin cũng như năng lượng đầu ra, các thuật toán “Bắt điểm công suất cực đạiMPPT” cũng phải được tích hợp vào.
Hiện nay, hai phương pháp MPPT sử dụng phổ biến là: Thuật toán nhiễu loạn và
quan sát P&O (Perturb and Observe) và Thuật toán điện dẫn gia tăng INC
(Incremental Conductance), song hai phương pháp này vẫn còn tồn tại nhiều nhược
điểm: khả năng đáp ứng chậm, gây thất thoát một phần năng lượng,… Do đó, cần phải
có thêm các thuật toán cải tiến.
Đề tài đề xuất một thuật toán MPPT lai để nâng cao hiệu suất của hệ thống pin
quang điện, khắc phục được một số nhược điểm còn tồn tại của các thuật toán trước
đây. Dưa trên các phương pháp mô hình hóa, mô phỏng và lắp đặt mạch chuyển đổi
thực tế, kết quả của thuật toán mới sẽ được so sánh và đánh giá cụ thể.
Từ khóa: Bộ chuyển đổi DC/DC ; Bộ tăng áp; P&O; INC; Hill Climbing

xi

DESIGN THE DC / DC CONVERTER WITH A HYBRID MPPT
ALGORITHM TO IMPROVE THE PERFORMANCE OF
PHOTOVOLTAIC SYSTEM
Abstract: Renewable energy is becoming the most practical solution to

environmental problems as well as the exhaustion of fossil fuels. In particular,
wind and solar energy are the most researched types in recent years and more
and more applied widely. These types of energy both meet electricity needs and
minimize negative environmental impacts. However, the effects of natural
factors such as wind velocity, solar obscuration,... cause many adverse impacts
on renewable energy sources and especially on solar energy. Abnormal changes
in temperature and heat radiation during the day make the output power of solar
panels fluctuating.
DC / DC converters in combination with control methods are being
developed to meet the output requirements of photovoltaic system when there is
a sudden change of input values. To improve the performance of the cells as
well as the output power, the algorithms "Maximum Power Point Tracking MPPT" must also be integrated.
Currently, two popularly used MPPT methods are: Perturbation and
Observation Algorithm – P&O, Incremental Conductance Algorithm – INC, but
these two methods still exist many weaknesses such as slow response, partial
energy loss and so on. Therefore, more advanced algorithms are needed.
This project proposes a hybrid MPPT algorithm to improve the
performance of photovoltaic system, overcome some disadvantages existed in
previous algorithms. Based on the methods of modeling, simulation and
installation of actual converters, the results of the new algorithm will be
compared and evaluated specifically.
Keywords: DC / DC converters; boost converters; P&O; INC; Hill
Climbing.

xii


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Nhu cầu điện năng ngày một tăng cao đòi hỏi phải có các giải pháp phát triển
nguồn điện, đồng thời phải giảm thiểu các tác động tiêu cực đến môi trường do các
nguồn điện truyền thống gây nên. Để giải quyết vấn đề trên, năng lượng tái tạo là một
trong những giải pháp hàng đầu, đang nhận được sự quan tâm nghiên cứu phát triển
mạnh mẽ, dần tích hợp vào lưới điện và trong tương lai gần sẽ trở thành bộ phận quan
trọng hệ thống điện quốc gia. Với các loại hình năng lượng tái tạo hiện nay, Năng
lượng mặt trời ngày càng có xu hướng được chú trọng đầu tư cao, nhất là tại Việt
Nam. Quyết định số 428/QĐ-TTg ngày 18/03/2016, thông tư 16/2017/TT-BCT ban
hành ngày 12/9/2017, Quyết định số 11/2017/QĐ-TTg về cơ chế khuyến khích phát
triển các dự án điện mặt trời cho thấy được sự quan tâm của chính phủ Việt Nam về
loại hình năng lượng sạch này.
Tuy nhiên, năng lượng mặt trời lại chịu sự ảnh hưởng quá nhiều từ các vấn đề
thời tiết: nhiệt độ, bức xạ,… làm cho năng lượng thu được thiếu sự ổn định. Các bộ
chuyển được kết hợp sử dụng để giữ ổn định nhưng lại không thể thu được hiệu suất
năng lượng cao nhất từ các hệ thống pin mặt trời nếu thiếu các phương pháp bắt điểm
công suất cực đại-MPPT tích hợp trong đó. Hiện nay, hai phương pháp MPPT sử dụng
phổ biến là: Thuật toán nhiễu loạn và quan sát P&O (Perturb and Observe) và Thuật
toán điện dẫn gia tăng INC (Incremental Conductance), song hai phương pháp này vẫn
còn tồn tại nhiều nhược điểm: khả năng đáp ứng chậm, gây thất thoát một phần năng
lượng,… Do đó, các thuật toán cải tiến cần phải được nghiên cứu thêm.
Để giải quyết vấn đề này, tôi đã chọn đề tài:
“Thiết kế và chế tạo mạch chuyển đổi DC/DC sử dụng thuật toán MPPT lai để
nâng cao hiệu suất hệ thống điện mặt trời”.
Nội dung luận văn tập trung vào phân tích các thuật toán MPPT, đánh giá ưu
nhược điểm các thuật toán đang sử dụng, từ đó đưa ra một thuật toán cải tiến với mục

đích khắc phục các nhược điểm còn tồn tại. Dưa trên các phương pháp mô hình hóa,
mô phỏng và lắp đặt mạch chuyển đổi thực tế, kết quả của thuật toán mới sẽ được so
sánh và đánh giá cụ thể.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Phân tích khả năng hoạt động, ưu nhược điểm của các thuật toán MPPT đang
được sử dụng. Đưa ra thuật toán MPPT cải tiến sử dụng phương pháp lai để khắc phục
1


các nhược điểm còn tồn tại của thuật toán trước đây. Phân tích, đánh giá kết quả thu
được thông qua mô phỏng bằng phần mềm Matlab/Simulink kết hợp lắp đặt mạch
chuyển đổi thực tế.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu:
- Các thuật toán bắt điểm công suất cực đại của hệ thống năng mặt trời;
- Phương pháp mô hình hóa, mô phỏng thuật toán;
- Thiết kế và lắp mạch chuyển đổi thực tế.
Phạm vi nghiên cứu:
- Nghiên cứu các thuật toán MPPT thường sử dụng trong hệ thống mặt trời;
- Nghiên cứu thuật toán MPPT sử dụng phương pháp lai;
- Thiết kế mạch chuyển đổi thực tế;
- Thời gian nghiên cứu: 06 tháng.
4. Nội dung nghiên cứu
Đề tài “Thiết kế và chế tạo mạch chuyển đổi DC/DC sử dụng thuật toán MPPT
lai để nâng cao hiệu suất hệ thống điện mặt trời” tập trung nghiên cứu và mô phỏng
mạch chuyển đổi năng lượng kết hợp với các thuật toán MPPT, đưa ra các nhược điểm
còn tồn tại từ đó đề xuất giải phái cải tiến bằng cách sử dụng phương pháp lai. Đề tài
được xây dựng dựa trên ứng dụng cho hệ thống điện mặt trời. Phương pháp đề xuất
được kiểm tra tính đúng đắn bằng phương pháp mô phỏng trên công cụ toán học
Matlab/Simulink kết hợp với lắp đặt mạch chuyển đổi thực tế.

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học: Ứng dụng trong các nghiên cứu về năng lượng tái tạo nói
chung và năng lượng mặt trời nói riêng. Mô hình hóa hệ thống năng lượng mặt trời sử
dụng các thuật toán bắt điểm công suất cực đại. Thiết kế lắp đặt mạch tăng áp DC/DC
(Boost Converter) có sử dụng các thuật toán điều khiển bắt điểm công suất cực đại.
Kiểm chứng giữa lí thuyết và thực tế.
Tính thực tiễn: Xây dựng được thiết kế cơ sở cho bộ chuyển đổi tăng áp DC/DC
sử dụng thuật toán bắt điểm công suất cực đại MPPT lai. Đề tài có khả năng phát triển
tạo thành một bộ chuyển đổi hoàn thiện cho năng lượng mặt trời kết nối với lưới điện
phân phối ở cấp điện áp 0.4kV.

2


6. Bố cục đề tài
Chương 1: Tổng quan hệ thống điện mặt trời và mô hình các bộ chuyển đổi
DC/DC.
Chương 2: Một số thuật toán bắt điểm công suất cực đại-MPPT
Chương 3: Thuật toán bắt điểm công suất cực đại-MPPT sử dụng phương pháp
lai
Chương 4: Thiết kế mạch tăng áp Boost Converter ở mức công suất 1500W.
Chương 5: Kết luận và kiến nghị

3


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯƠNG MẶT TRỜI VÀ CÁC BỘ
CHUYỂN ĐỔI DC/DC
1.1. Tổng quan về sự phát triển của năng lượng tái tạo

Ngày nay, ngành công nghiệp điện đang có những bước tiến đột phá và phát triển
đồng bộ từ các khâu: sản xuất, truyền tải và phân phối, đưa ra các phương thức vận
hành và sử dụng điện sao cho hiệu quả, tiết kiệm. Đặc biệt với hiệu ứng nóng lên của
trái đất, sự cạn kiệt của các nguồn năng lượng hóa thạch, sự bùng nổ tăng trưởng của
các nước đang phát triển. Bên cạnh đó dân số ngày càng tăng, ước tính đến năm 2050
khoảng 9.5 tỷ người, nhiệt độ trung bình của trái đất có thể tăng lên 600C. Điều này
dẫn đến yêu cầu bức thiết phải có những phương thức mới trong việc cung cấp và sử
dụng nguồn năng lượng sao cho giảm thiểu sự phát thải khí CO2. Để có thể đạt được
các mục tiêu trên, việc đưa vào sử dụng năng lượng thay thế, tái tạo (các nguồn năng
lượng mặt trời, gió, sóng biển ….) là một giải pháp đã và đang được sử dụng rộng rãi
trên thế giới. Do vậy, việc tích hợp các nguồn này vào lưới điện truyền thống là vấn đề
đang được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng.
Tốc độ tăng trưởng hàng năm năng lượng tái tạo đã đạt mức cao kỷ lục hơn 160
GW vào năm 2016 và dự kiến sẽ có những bước nhảy vọt vào năm 2017 và 2018.
Châu Á, bao gồm cả Trung Quốc và Ấn Độ chiếm khoảng 60% tăng trưởng công suất
nguồn điện năng lượng tái tạo toàn cầu. Năm 2015, sản lượng điện từ năng lượng tái
tạo, không bao gồm thủy điện, chiếm 6,8% tổng sản lượng điện toàn cầu, trong đó bao
gồm 3,5% điện gió, 1,9% điện sinh khối và 1,0% điện mặt trời (quang điện). Nếu tính
cả thủy điện (16,0%) thì sản lượng điện từ các nguồn năng lượng tái tạo đạt tới 22,8%.
Châu Âu đã tăng công suất nguồn điện năng lượng tái tạo với tốc độ ổn định
hàng năm là 20 GW, tương ứng khoảng 4% kể từ khi đạt mức tăng hơn 30 GW vào
năm 2011 và dự kiến cũng sẽ đạt tốc độ tăng trưởng tương tự vào năm 2017 và 2018.
Tuy nhiên, để thúc đẩy sự phát triển nguồn điện năng lượng tái tạo cần phải tiếp tục nỗ
lực hơn nữa giải quyết nhiều thách thức như nâng cao tính ổn định và an toàn của hệ
thống điện khi mở rộng công suất nguồn điện năng lượng tái tạo. Để đạt được cần phải
có thời gian và sự đầu tư, nhất là đối với các nước đang phát triển.
Việt Nam là một quốc gia có tiềm năng rất lớn về năng lượng mặt trời nhờ vào
đặc điểm địa lý thuận lợi gần xích đạo và khí hậu nhiệt đới. Cường độ BXMT trung
bình khoảng từ 4-5 kWh/m2 mỗi ngày. Ở Việt Nam, BXMT trung bình 230-250
kcal/cm2 chiếm khoảng 2.000 - 5.000 giờ trên năm, với ước tính tiềm năng lý thuyết

4


khoảng 43,9 tỷ TOE, lượng BXMT thu được càng cao khi di chuyển về hướng phía
nam [1].
Năng lượng mặt trời có sẵn quanh năm, khá ổn định và phân bố rộng rãi trên các
vùng miền khác nhau của đất nước. Theo khảo sát, số ngày nắng trung bình trên các
tỉnh của miền trung và miền nam là khoảng 300 ngày/năm. Với tất cả những điều kiện
thuận lợi đó, chính phủ Việt Nam ngày càng có nhiều hành động khuyến khích phát
triển loại hình năng lượng này. Quyết định số 428/QĐ-TTg ngày 18 tháng 3 năm 2016
phê duyệt điều chỉnh Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011 - 2020 có
xét đến 2030, cụ thể: tăng công suất lắp đặt điện mặt trời lên khoảng 850 MW vào năm
2020; khoảng 4.000 MW vào năm 2025 và khoảng 12.000 MW vào năm 2030. Ngoài
ra, thông tư 16/2017/TT-BCT ban hành ngày 12/9/2017, Quyết định số 11/2017/QĐTTg về cơ chế khuyến khích phát triển các dự án điện mặt trời tại Việt Nam. Ngoài ra
còn nhiều chính sách ưu tiên về sử dụng toàn bộ lượng công suất do các nhà máy năng
mặt trời và gió phát ra kết hợp tăng giá bán điện của năng lượng mặt trời [2].
Bảng 1.1. Số liệu về bức xạ mặt trời tại Việt Nam
VÙNG

GIỜ NẮNG
TRONG NĂM

CƯỜNG ĐỘ BXMT
(kWh/m2, ngày)

ỨNG DỤNG

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

Tiềm năng về NLMT được nhận định ở mức khá cao, nhiều khu vực thuộc các
tổng lượng bức xạ cả năm từ 1300 kWh/m2 đến trên 2400 kWh/m2 và có xu hướng
tăng từ Bắc vào Nam. Tương tự, số giờ nắng ở khu vực này đều trên 1400 giờ/năm và
cũng có xu hướng tăng từ Bắc vào Nam.Với các số liệu có thể thấy, từ khu vực Miền
Trung trở vào, đặc biệt là khu vực Tây Nguyên và Nam Trung Bộ, mang tiềm năng
phát triển năng lượng mặt trời rất lớn. Vấn đề này đang được cụ thể hóa bằng hang loạt
dự án đang được khảo sát: ở các huyện Đức phổ, Mộ Đức, Bình Sơn thuộc tỉnh Quảng
Ngãi; Huyện Cam Lâm tỉnh Khánh Hòa, … hay các dự án năng lượng mặt trời trên
long hồ thủy điện: Hàm Thuận-Đa Mi, … Các điều kiện về đất đai, tài chính và chính
sách cũng đã được phân tích nhằm giúp các nhà đầu tư có thêm tư liệu để tiến hành lập
5


dự án xây dựng nhà máy điện mặt trời ở khu vực này góp phần đưa công suất điện mặt

trời tăng lên trong tương lai gần. Tuy nhiên, suất đầu tư cho năng lượng mặt trời vẫn
còn khá cao nên vẫn kén nhà đầu tư.

Hình 1.1. Bản đồ bức xạ mặt trời Việt Nam

Hình 1.2. Bản đồ nhiệt độ trung bình trong năm tại Việt Nam.
6


Bảng 1.2. Tổng lượng bức xạ ở một số địa phương miền Trung của nước ta [3-4]
Tổng lượng bức xạ

TT

ĐỊA PHƯƠNG

1

Thanh Hóa

1310,4

2

Vinh

1384,6

3

Hà Tĩnh

1443,6

4

Đồng Hới ( Quảng Bình)

1542,4

5

Đông Hà (Quảng Trị)

1625,1

6

Đà Nẵng

1900,1

7

Cam Ranh (Khánh Hòa)

2292,7

8

Hàm Tân (Bình Thuận)

2419,5

(đơn vị: kWh/m2)

Bảng 1.3. Số giờ năng trong năm ở một số địa phương miền Trung của nước [3-4]
Tổng số giờ nắng
TT ĐỊA PHƯƠNG

cả năm
(đơn vị: Giờ)

TT

ĐỊA
PHƯƠNG

Tổng số giờ nắng
cả năm
(đơn vị: Giờ)

1

Sầm Sơn

1444,5

11

Đà Nẵng

2347,2

2

Thanh Hóa

1620,0

12

Tam Kì

2221,3

3

Tĩnh Gia

1894,2

13

Quảng Ngãi

2170,2

4

Quỳnh Lưu

1863,2

14

Hòa Nhơn

2434,6

5

Vinh

1721,2

15

Quy Nhơn

2525,3

6

Kỳ Anh

1734,3

16

Tuy Hòa

2558,9

7

Ba Đồn

1902,8

17

Nha Trang

2654,8

8

Đồng Hới

1902,4

18

Cam Ranh

2831,3

9

Đông Hà

2008,0

19

Phan Thiết

2981,2

10

Huế

2073,7

20

Hàm Tân

2987,6

Tiềm năng của NLMT hiện nay rất lớn, nhưng hầu như các quốc gia không thể
khai thác hết. Tỷ trọng năng lượng thu được từ NLMT vẫn còn khiêm tốn khi so với
năng lượng tiêu thụ trên thế giới. Trên thế giới nói chung và tại Việt Nam nói riêng
đang đề xuất nhiều phương pháp để cố gắng tận dụng tối đa những nguồn lợi mà
nguồn năng lượng này mang lại. Theo đó, NLMT đang được ứng dụng rộng rãi dưới
hai dạng chính là nhiệt mặt trời và điện mặt trời. Năng lượng mặt trời được khai thác
sử dụng chủ yếu cho các mục đích như: sản xuất điện và cung cấp nhiệt. Tuy nhiên,
nước ta vẫn gặp phải rất nhiều vấn còn vướng phải rất nhiều khó khăn, vẫn còn bị hạn

7


chế trong việc xây dựng, công suất lắp đặt, sản lượng thu được. Đa phần hiện nay mới
chỉ lắp đặt dưới dạng thử nghiệm ở một số nơi chưa có lưới điện như vùng sâu, vùng
xa, hải đảo với công suất nhỏ. Một số lắp đặt theo hình thức tự phát hộ gia đình mà
không có quy hoạch.
Dù các dự án đầu tư xây dựng và phát triển nguồn năng lượng mặt trời ngày càn
được đẩy mạnh và thu hút các nhà đầu tư, nhưng theo tìm hiểu, đa phần các dự án vẫn
còn đang ở mức độ khảo sát. Những nguyên nhân chính dẫn đến điều này là do chi phí
đầu tư xây dựng, lắp đặt các thiết bị công nghệ kèm theo cũng như hệ thống pin năng
lượng mặt trời khá đắt đỏ. Bên cạnh đó, trình tự, thủ tục xin cấp phép xây dựng, bổ
sung dự án điện mặt trời vào quy hoạch điện lực 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.
1.2. Một số mô hình khai thác năng lượng mặt trời
Tiềm năng của NLMT hiện nay rất lớn, nhưng hầu như các quốc gia không thể
khai thác hết. Tỷ trong năng lượng thu được từ NLMT vẫn còn khiêm tốn khi so với
năng lượng tiêu thụ trên thế giới. Trên thế giới nói chung và tại Việt Nam nói riêng
đang đề xuất nhiều phương pháp để cố gắn tận dụng tối đa những nguồn lợi mà nguồn
năng lượng này mang lại. Theo đó, NLMT đang được ứng dụng rộng rãi dưới hai dạng
chính là nhiệt mặt trời và điện mặt trời.
Hiện nay loại hình này ngày càng phát triển mạnh. Dựa trên hiện tượng quang
điện trong, năng lượng mặt trời dưới dạng bức xạ và nhiệt được hấp thu thông quá các
tấm pin quang điện (PV) chuyển hóa thành điện năng và được sử dụng trực tiếp hoặc
gián tiếp thông qua các bộ biến đổi. Điện mặt trời phát triển với nhiều quy mô khác
nhau. Xét theo quy mô công suất ta có thể phân loại như sau:
Quy mô công suất lớn nối lưới thường là các nhà máy điện mặt trời (PV farm)
kết nối với lưới điện với công suất pin quang điện lớn.

Quy mô công suất nhỏ nối lưới thường là các dàn pin lắp mái (rooftop) của hộ
tiêu thụ nhỏ: gia đình, công sở, ….
Quy mô nhỏ không nối lưới thường là các tấm pin mặt trời công suất thấp, năng
lượng điện sinh ra được sử dụng trực tiếp (như dùng trong đèn chiếu sáng, các thiết bị
công suất thấp, viễn thông, …)

8


Hình Error! No text of specified style in document..3: Năng lượng mặt trời dạng lắp
mái tại trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng

Hình Error! No text of specified style in document..4: Nguồn lưu trữ công suất thấp
dùng điện mặt trời
1.3. Pin năng lượng mặt trời
Pin năng lượng mặt trời (Solar Panel) là thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các
diode P-N dưới tác động của ánh sáng mặt trời có khả năng tạo ra dòng điện sử dụng
được như hình 1.5. Hiện nay, loại vật liệu thông dụng nhất sử dụng tạo ra pin mặt trời
là silic tinh thể. Khi bị ánh sáng hay nguồn nhiệt kích thích, các điện tử bị bứt ra khỏi
liên kết: các điện tử 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.

9


Hình 1.5. Cấu tạo của một tế bào pin mặt trời
Khi chất bán dẫn silicon tiếp xúc với năng lượng, các electron tự do ở điện cực N
sẽ di chuyển sang để 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. 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
sử dụng (về điện áp, công suất) 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 sử dụng (về điện áp, công suất. Tuy nhiên, những tấm
pin mặt trời có công suất khá nhỏ nên thường được liên kết với nhau và đặt trên một
diện tích lớn để đáp ứng được nguồn năng lượng đủ lớn, nhằm đáp ứng nhu cầu của
các thiết bị sử dụng. Các loại pin với công suất phổ biến hiện nay: 22Wp, 50Wp,
75Wp, 100Wp, 125Wp, 150Wp, 175Wp, 250Wp, 330Wp, … tuy nhiên không có loại
nào vượt quá 400wp. Điện áp phổ biến hiện nay của PV là 12V, 20V, 40V, tất cả là
điện áp một chiều.
1.3.1. Phân loại tấm pin năng lượng mặt trời
Với công nghệ hiện đại ngày nay, công nghệ về PV ngày càng phổ biến và có sự
phát triển mạnh. Có 3 loại hình PV đang được sử dụng phổ biến: dạng momo (đơn tinh
thể), dạng poly (đa tinh thể) và dạng phim mỏng.
10


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.
Cả tinh thể đơn hay 1 tinh thể đều được sản xuất dựa vào quá trình với tên gọi
Czochralski. Một quy trình điều chế những Silic đơn tinh thể. Silic rất quan trọng khi
chế tạo vi mạch bán dẫn và những đơn tinh thể loại này với hiệu suất cao khá đắt tiền.
Loại pin năng lượng mặt trời Mono hấp thu 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.
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 pin
mặt trời Mono đơn tinh thể và hiệu suất cũng khá thấp. Loại pin Poly hấp thu ánh nắng
mặt trời khá chậm và phải đạt đến mức độ ánh nắng mặt trời nhất định mới có thể hoạt
động. Pin ngưng hoàn toàn hoạt động khi thời tiết mây nhiều, âm u.
Pin mặt trời dạng phim mỏng được tạo từ những miếng phim rất mỏng từ chất
liệu Silic nóng chảy. Pin có cấu trúc đa tinh thể và cho hiệu suất thấp nhất khi so sánh
với hai dòng pin trên. Bởi bỏ qua thao tác cắt thỏi Silicon nên loại pin mặt trời dạng
phim mỏng được xem có giá cả mềm nhất so với hai loại pin Mono và Poly.

Hình Error! No text of specified style in document..6. Pin mono và pin poly
1.3.2. Mô hình hóa tấm pin năng lượng mặt trời
Pin PV có mạch điện tương đương như một diode mắc song song với một nguồn
điện quang sinh. Ở cường độ ánh sáng ổn định, pin PV có một trạng thái làm việc nhất
định, dòng điện quang sinh không thay đổi theo trạng thái làm việc. Do đó, trong mạch
điện tương đương có thể xem như là một nguồn dòng ổn định Iph. Trên thực tế, trong
11


quá trình chế tạo pin PV, do tiếp xúc điện cực mặt trước và sau, cũng có thể do bản
thân vật liệu có một điện trở suất nhất định. Vì vậy trong mạch điện tương đương cần
phải mắc thêm vào một điện trở nối tiếp Rs và một điện trở song song Rsh với tải RL.
Như vậy, mạch điện tương đương của pin PV được thể hiện trên hình 1.7 dưới đây.

Hình 1.7. Sơ đồ mạch tương đương của một Solar Cell.
Phương trình đặc tính V-I của Solar Cell được biểu diễn như sau [5-8]:
=

=
Trong đó:

+

+

− .

(1.1)
+

−1 −

(1.2)

là dòng phát quang hay là dòng quang điện,

là dòng bão hòa, q

là điện tích của điện tử (C), q = 1,6.10-19 C, k là hằng số Boltzmann (1,38.10-23 J/K),
T là nhiệt độ làm việc, A là hệ số lý tưởng.
Dòng quang điện chủ yếu phụ thuộc vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ làm việc,
được thể hiện trong phương trình sau:

%
(1.3)
1000
là dòng điện ngắn mạch, KI là hệ số nhiệt độ dòng điện ngắn mạch,
=

Trong đó:

+

( −

!" )$.

Tref là nhiệt độ tham chiếu, Tref = 250C, % là cường độ bức xạ mặt trời W/m2
Dòng điện bão hòa thay đổi theo nhiệt độ làm việc của cell và được thể hiện theo
phương trình:
=

.'

)

!"

( .

*+

,

-./

0

,

(1.4)

Trong đó: IRs là dòng điện bão hòa ngược tại nhiệt độ tham chiếu và cường độ
bức xạ tiêu chuẩn, Eg là năng lượng kích hoạt electron của vật liệu bán dẫn được sử
dụng trong pin mặt trời.
Dòng điện qua diode được tính theo phương trình:
(
)
(1.5)
= .
−1
Một tấm pin năng lượng mặt trời hoàn chỉnh bảo gồm nhiều Solar Cell kết nối
12


với nhau nối tiếp hoặc song song để tạo ra nguồn công suất lớn hơn, vì vậy sơ đồ mạch
tương đương của pin mặt trời gồm Np Solar Cell kết nối song song và Ns Solar Cell
nối nối tiếp được thể hiện trong hình 1.8:

Hình 1.8. Sơ đồ mạch tương đương của pin mặt trời
Dựa vào các phương trình trên, ta tiến hành mô hình hóa hệ thống pin mặt trời đề
tài sử dụng trong Matlab/simulink ở điều khiện chuẩn cường độ bức xạ mặt trời
1000w/m2, nhiệt độ 25oC như sau:
- Pmpp = 44 (W) (gồm 2 tấm pin PV SV-22W mắc song song)
- Umpp = 18 (V)
- Impp = 2.25 (A)
- Uoc = 21.46 (V)
Isc = 2.7 (A)

Kết quả mô phỏng được thể hiện trong các hình bên dưới.

Hình 1.9. Đặc tính I-V của tấm pin khi BXMT thay đổi nhưng nhiệt độ môi trường
được giữ nguyên

13