Mô hình và mô phỏng hệ thống năng lượng mặt trời kết nối lưới
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.99 MB, 101 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
_________________________________
ĐỖ NHẬT QUANG
MƠ HÌNH VÀ MƠ PHỎNG
HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KẾT NỐI LƯỚI
(MODELING AND SIMULATION OF
GRID CONNECTED SOLAR PV SYSTEM)
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 8520201
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 8 năm 2020
CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM
Cán bộ hƣớng dẫn khoa học : PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1 : PGS.TS Nguyễn Đình Tuyên
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. Huỳnh Văn Vạn
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG
Tp. HCM ngày 22 tháng 8 năm 2020
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn
thạc sĩ)
1. PGS.TS Phan Quốc Dũng
- Chủ tịch
2. PGS.TS Nguyễn Đình Tuyên
- Phản biện 1
3. TS. Huỳnh Văn Vạn
- Phản biện 2
4. TS. Trƣơng Phƣớc Hòa
- Thƣ ký
5. TS. Trần Thanh Ngọc
- Ủy viên
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trƣởng Khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã đƣợc sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
TRƯỞNG KHOA…………
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên:ĐỖ NHẬT QUANG. MSHV: 1870359
Ngày, tháng, năm sinh: 28/06/1994. Nơi sinh: Quy Nhơn, Bình Định
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện. Mã số : 8520201
I. TÊN ĐỀ TÀI: Mơ hình và mô phỏng hệ thống năng lƣợng mặt trời kết nối lƣới.
(Modelling and simulation of grid connected solar PV system)
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
-
Nghiên cứu tổng quan cơ sở lý thuyết về hệ năng lƣợng mặt trời.
-
Nghiên cứu tổng quan các bộ chuyển đổi năng lƣợng từ DC – DC (bộ boost
converter) và DC – AC (bộ inverter).
-
Nghiên cứu và mơ phỏng thuật tốn nhiễu loạn và quan sát (Perturb and
Observe) và gia tăng tổng dẫn (Incremental Conductance) trên bộ DC-DC.
-
Nghiên cứu và mô phỏng bộ biến đổi DC-AC (bộ Inverter) nối lƣới sử dụng
phƣơng pháp VOC để điều khiển công suất bơm lên lƣới.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 5/2/2020
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 3/8/2020
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS. Nguyễn Văn Nhờ
Tp. HCM, ngày 3 tháng 8 năm 2020
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
PGS.TS. Nguyễn Văn Nhờ
TRƯỞNG KHOA
Lời cảm ơn
Để luận văn này đạt kết quả tốt đẹp, em đã nhận đƣợc sự nhiệt tình giúp đỡ của các
thầy cô, các cơ quan, tổ chức, cá nhân. Với lòng biết ơn chân thành nhất, cho phép em
đƣợc gửi lời cảm ơn sâu sắc đến tất cả thầy cô, các cá nhân và cơ quan đã tạo điều kiện
giúp đỡ em trong quá trình học tập và làm luận văn.
Trƣớc hết, cho em xin đƣợc gửi tới các thầy cô khoa Điện- Điện tử của trƣờng Đại học
Bách Khoa lời chào trân trọng nhất, cùng với lời chúc sức khỏe và lời cảm ơn sâu sắc.
Nhờ sự quan tâm, dạy dỗ và chỉ bảo nhiệt tình chu đáo của thầy cơ, em đã có thể hồn
thành luận văn.
Đặc biệt, cho em xin đƣợc gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới thầy giáo– PGS. TS.
Nguyễn Văn Nhờ đã quan tâm giúp đỡ và chỉ bảo, hƣớng dẫn em làm luận văn trong
thời gian qua. Và cuối cùng, em xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến lãnh đạo
Trƣờng Đại học Bách Khoa, các Khoa, các Phòng ban chức năng đã tạo điều kiện giúp
đỡ em trong suốt quá trình học tập và làm luận văn.
Với điều kiện và vốn kiết thức còn hạn chế học viên, luận văn này khơng thể tránh
đƣợc nhiều thiếu sót. Vì vậy em rất mong nhận đƣợc sự chỉ bảo của các thầy cô để em
nâng cao kiến thức của bản thân, phục vụ tốt q trình cơng tác của em sau này.
TĨM TẮT
Đề tài “Mơ hình và mơ phỏng hệ thống điện mặt trời kết nối lƣới” là sự tìm hiểu
về pin mặt trời, bộ biến đổi điện áp một chiều, bộ nghịch lƣu 3 pha PWM và các giải
thuật dò tìm điểm cơng suất cực đại (MPPT), giải thuật điều khiển bộ nghịch lƣu nối
lƣới. Sau đó đƣa ra các mơ hình và tiến hành mơ phỏng chúng.
Bài luận văn gồm có 7 chƣơng. Chƣơng I là giới thiệu về tính cần thiết của đề
tài và mục tiêu nghiên cứu. Chƣơng II giới thiệu về năng lƣợng bức xạ mặt trời, pin
mặt trời và các hệ thống pin mặt trời. Chƣơng III giới thiệu về các bộ biến đổi trong hệ
thống điện mặt trời nối lƣới bao gồm các bộ biến đổi một chiều, bộ nghịch lƣu PWM.
Chƣơng IV là tìm hiểu về thuật tốn dị tìm điểm cơng suất cực đại, cụ thể là hai thuật
toán quan sát và nhiễu loạn (P&O) và thuật toán tăng tổng dẫn (INC). Chƣơng V là tìm
hiểu về thuật tốn định hƣớng điện áp (VOC) cho bộ nghịch lƣu 3 pha PWM nhằm
đồng bộ với điện áp lƣới và điều khiển công suất đƣa lên lƣới điện. Chƣơng VI là tiến
hành mô phỏng và kết quả của mô phỏng hệ thống điện mặt trời trên phần mềm
Matlab. Chƣơng VII là kết luận những kết quả đạt đƣợc.
ABSTRACT
The topic "Modeling and simulation of grid connected solar PV system" is the
study of solar cells, DC voltage converters, 3-phase PWM inverters and maximum
power point tracking algorithms(MPPT), algorithm for grid inverter.
The thesis consists of 7 chapters. Chapter I is an introduction to the necessity of
the topic and research objectives. Chapter II introduces solar radiation, solar
photovoltaic cells and photovoltaic systems. Chapter III introduces the converters in
grid-connected solar power systems including DC converters, PWM inverters. Chapter
IV explores the maximum power point tracking algorithm, specific is Perturb and
Observe algorithms (P&O) and Incremental Conductance algorithm (INC). Chapter V
is about the Voltage Oriented Control (VOC) for the 3-phase PWM inverter to
synchronize with the grid voltage and control the power put on the grid. Chapter VI is
conducting the simulation and results of solar power system simulation on Matlab
software. Chapter VII concludes the results achieved.
LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của bản thân dƣới sự hƣớng dẫn của PGS.TS
Nguyễn Văn Nhờ. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận nêu trong để tài là trung thực
và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dƣới bất kỳ hình thức nào. Việc tham
khảo tài liệu đã đƣợc thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng theo yêu
cầu.
TP. Hồ Chí Minh, ngày 02 tháng 08 năm 2020
Ngƣời thực hiện đề tài
Đỗ Nhật Quang
MỤC LỤC
Trang bìa
Nhiệm vụ luận văn
Lời cảm ơn
Tóm tắt
Lời cam đoan
Mục lục
Liệt kê hình vẽ
CHƢƠNG I: GIỚI THIỆU………………………………………………………….1
1. Tính cần thiết của đề tài………………………………………………….1
2. Nhiệm vụ luận văn……………………………………………………….2
a. Phạm vi nghiên cứu…………………………………………………..2
b. Mục tiêu nghiên cứu………………………………………………….2
c. Phƣơng pháp nghiên cứu……………………………………………..3
CHƢƠNG II: TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN MẶT TRỜI………………………………4
1. Năng lƣợng bức xạ mặt trời…………………………………………………4
2. Tính tốn năng lƣợng mặt trời………………………………………………8
3. Cấu tạo và hoạt động của pin mặt trời………………………………………9
a) Hiệu ứng quang điện…………………………………………………….9
b) Hiệu xuất của quá trình biến đổi quang điện…………………………...12
c) Cấu tạo pin mặt trời…………………………………………………….13
4. Mơ hình pin mặt trời……………………………………………………….14
5. Các loại hệ thống pin mặt trời……………………………………………...16
a) Hệ PV độc lập…………………………………………………………..16
b) Hệ PV kết nối lƣới……………………………………………………...17
6. Các tiêu chuẩn kết nối lƣới của hệ thống điện mặt trời…………………….19
CHƢƠNG III: CÁC BỘ BIẾN ĐỔI NĂNG LƢỢNG TRONG HỆ THỐNG PIN
MẶTTRỜI………………........................................................................................21
1. Bộ biến đổi DC-DC………………………………………………………...21
1.1.
Bộ tăng áp (Boost Converter)……………………………………….22
1.2.
Bộ giảm áp (buck converter)………………………………………..26
1.3.
Bộ tăng giảm điện áp (Buck-Boost Converter)……………………..29
2. Bộ biến đổi DC/AC………………………………………………………...31
2.1.
Nghịch lƣu áp 1 pha………………………………………………...31
2.2.
Nghịch lƣu áp 3 pha………………………………………………...33
3. Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung (PWM)……………………………...36
CHƢƠNG IV: THUẬT TỐN DỊ TÌM ĐIỂM CƠNG SUẤT CỰC ĐẠI………40
1. Giới thiệu chung…………………………………………………………...40
2. Nguyên lý cân bằng tải…………………………………………………….41
3. Thuật toán điều khiển……………………………………………………...42
3.1.
Thuật toán Perturb & Observe (P&O)……………………………...43
3.2.
Thuật toán tăng tổng dẫn (Incremental Conductance – INC)……...46
CHƢƠNG V: PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƢU NỐI LƢỚI..49
1. Chuyển đổi hệ quy chiếu…………………………………………………..49
2. Phƣơng pháp điều khiển định hƣớng điện áp (VOC)……………………...54
CHƢƠNG VI: XÂY DỰNG MƠ HÌNH VÀ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG PIN
MẶT TRỜI KẾT NỐI LƢỚI TRONG MATLAB SIMULIN……………............56
1. Tấm pin mặt trời…………………………………………………………...56
2. Bộ biến đổi DC-DC………………………………………………………..59
3. Mạch nghịch lƣu 3 pha nối lƣới và hệ thống PV kết nối lƣới……………..67
CHƢƠNG VII: KẾT LUẬN………………………………………………………83
Tài liệu tham khảo…………………………………………………………………85
Danh sách viết tắt
PV – (Photovoltaic) pin mặt trời, biến quang năng thành điện năng
P&O – (Perturb & Observe) thuật toán quan sát và nhiễu loạn để đạt đƣợc điểm
cực đại
INC – (Incremental Conductance) thuật toán tăng tổng dẫn để đạt đƣợc điểm
cực đại
MPPT – (Maximum Power Point Tracking) dị tìm điểm làm việc có cơng suất
cực đại
PWM – (pulse width modulation) phƣơng pháp điều chế độ rộng xung.
VOC – (Voltage Oriented Control) phƣơng pháp điều định hƣớng điện áp
Danh sách hình vẽ.
Hình 2.1. Góc nhìn Mặt Trời………………………………………………..5
Hình 2.2. Quá trình tuyền năng lƣợng bức xạ
mặt trời qua lớp khí quyển của Trái Đất……………………………………7
Hình 2.3 Nhật kế xạ………………………………………………………...8
Hình 2.4 Trực xạ kế………………………………………………………...9
Hình 2.5 Hệ 2 mức năng lƣợng…………………………………………….10
Hình 2.6. Các vùng năng lƣợng…………………………………………….11
Hình 2.7. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời…………………………....12
Hình 2.8. Quan hệ η(Eg)…………………………………………………….13
Hình 2.9. Sụt áp do điện trở nối tiếp………………………………………..15
Hình 2.10. Ảnh hƣởng của điện trở song song Rp………………………….15
Hình 2.11. Sơ đồ khối của hệ hệ PV độc lập……………………………….16
Hình 2.12. Sơ đồ khối của hệ PV độc lập có lƣu trữ năng lƣợng…………..17
Hình 2.13. Sơ đồ khối của hệ thống PV kết nối lƣới……………………….18
Hình 2.14. Sơ đồ của khối PCU…………………………………………….18
Hình 3.1. Sơ đồ Boost Converter…………………………………………...22
Hình 3.2. Hai chế độ của bộ Boost converter phụ thuộc trạng thái khóa S…22
Hình 3.3. Các giá trị dịng điện điện áp ở các trạng thái của khóa S………..23
Hình 3.4. Sơ đồ bộ Buck Converter………………………………………...25
Hình 3.5. Hai chế độ của bộ Buck converter phụ thuộc trạng thái khóa S…26
Hình 3.6. Các giá trị dịng điện điện áp ở các trạng thái của khóa S……….27
Hình 3.7. Sơ đồ bộ Buck-Boost Converter…………………………………28
Hình 3.8. Hai chế độ của bộ Buck-Boost converter
phụ thuộc trạng thái khóa S………………………………………………...29
Hình 3.9. Sơ đồ nghịch lƣu áp cầu 1 pha…………………………………..31
Hình 3.10. Đồ thị nghịch lƣu áp cầu 1 pha………………………………...32
Hình 3.11. Sơ đồ nghịch lƣu áp 3 pha……………………………………..34
Hình 3.12. Quy tắc điều khiển các khóa T…………………………………34
Hình 3.13. Điện áp trên tải của mạch nghịch lƣu…………………………..35
Hình 3.14. Sơ đồ bộ nghịch lƣu 3 pha……………………………………...37
Hình 3.15. Các dạng sóng của bộ nghịch lƣu khi điều chế PWM………….37
Hình 3.16. Quan hệ giữ ma và tỷ số giữa sóng mang và sóng điều khiển…..39
Hình 4.1. Ví dụ tấm pin mặt trời đƣợc mắc trực tiếp với
tải thuần trở có thể thay đổi giá trị điện trở đƣợc………………………….40
Hình 4.2. Đƣờng đặc tính làm việc của pin và của tải thuần trở
có giá trị điện trở thay đổi đƣợc……………………………………………41
Hình 4.3. Tổng trở Rin đƣợc điều chỉnh bằng D……………………………43
Hình 4.4. Đƣờng đặc tính P-V và thuật tốn P&O…………………………44
Hình 4.5. Lƣu đồ thuật tốn P&O………………………………………….45
Hình 4.6. Đƣờng đặc tính P-U của hệ PV………………………………….46
Hình 4.7. Lƣu đồ thuật tốn INC…………………………………………...47
Hình 5.1. Vector x và 3 biến xa, xb, và xc………………………………….50
Hình 5.2. Biến đổi hệ trục 3 pha abc sang hệ trục 2 pha dq………………..51
Hình 5.3. Sơ đồ khối điều khiển điện áp nối lƣới bằng phƣơng pháp VOC..54
Hình 6.1. Khối PV Array trong Simulink…………………………………..57
Hình 6.2. Thơng số của tấm pin mặt trời…………………………………...57
Hình 6.3. Đƣờng đặc tính V-I và đặc tính cơng suất của dãy pin
ở điều kiện bức xạ 1000W/m2 và T=250C…………………………………58
Hình 6.4. Sơ đồ mạch Boost Converter……………………………………59
Hình 6.5. Mơ hình mạch Boost Converter trong Matlab…………………..59
Hình 6.6. Mơ hình khối điều chỉnh hệ số D………………………………..60
Hình 6.7. Mơ hình khối Boost Converter đƣợc điều khiển MPPT…………62
Hình 6.8. Cơng suất của dãy pin mặt trời…………………………………..63
Hình 6.9. Điện áp ra của dãy pin mặt trời…………………………………..63
Hình 6.10. Cơng suất đầu ra bộ Boost………………………………………64
Hình 6.11. Điện áp đầu ra bộ Boost…………………………………………64
Hình 6.12. Cơng suất của dãy pin mặt trời…………………………………..65
Hình 6.13. Điện áp ra của dãy pin mặt trời…………………………………..65
Hình 6.14. Cơng suất đầu ra bộ Boost……………………………………….66
Hình 6.15. Điện áp đầu ra bộ Boost………………………………………….66
Hình 6.16. Sơ đồ mơ hình của bộ nghịch lƣu 3 pha………………………….67
Hình 6.17. Sơ đồ mơ hình của hệ thống PV kết nối lƣới…………………….67
Hình 6.18. Sơ đồ mơ hình khối chuyển hệ quy chiếu abc
sang hệ quy chiếu dq…………………………………………………………68
Hình 6.19. Sơ đồ mơ hình của phƣơng pháp điều khiển VOC………………68
Hình 6.20. Sơ đồ của khối tạo xung kích……………………………………69
Hình. 6.21. Điện áp ra của dãy pin mặt trời…………………………………70
Hình 6.22. Cơng suất ra của dãy pin mặt trời……………………………….70
Hình 6.23. điện áp Vdc-link………………………………………………...71
Hình 6.24. Đồ thị của hệ số điều khiển D của mạch Boost…………………71
Hình 6.26. Cơng suất tác dụng và công suất phản kháng
đƣa lên lƣới của hệ thống PV……………………………………………….72
Hình 6.27. Đồ thị điện áp và dịng điện của bộ Inverter……………………72
Hình 6.28. Điện áp ra của dãy pin mặt trời…………………………………73
Hình 6.29. Cơng suất ra của dãy pin mặt trời……………………………….73
Hình 6.30. điện áp Vdc-link………………………………………………...74
Hình 6.31. Đồ thị của hệ số điều khiển D của mạch Boost…………………74
Hình 6.32. Cơng suất tác dụng và cơng suất phản kháng
đƣa lên lƣới của hệ thống PV……………………………………………….75
Hình 6.33. Đồ thị điện áp và dịng điện của bộ Inverter……………………75
Hình 6.34. Điện áp ra của dãy pin mặt trời…………………………………76
Hình 6.35. Cơng suất ra của dãy pin mặt trời……………………………….76
Hình 6.36. điện áp Vdc-link………………………………………………...77
Hình 6.37. Đồ thị của hệ số điều khiển D của mạch Boost…………………77
Hình 6.38. Cơng suất tác dụng và cơng suất phản kháng
đƣa lên lƣới của hệ thống PV……………………………………………….78
Hình 6.39. Đồ thị điện áp và dòng điện của bộ Inverter……………………78
Hình 6.40. Điện áp ra của dãy pin mặt trời…………………………………79
Hình 6.41. Cơng suất ra của dãy pin mặt trời……………………………….79
Hình 6.42. điện áp Vdc-link………………………………………………...80
Hình 6.43. Đồ thị của hệ số điều khiển D của mạch Boost…………………80
Hình 6.44. Cơng suất tác dụng và công suất phản kháng
đƣa lên lƣới của hệ thống PV……………………………………………….81
Hình 6.45. Đồ thị điện áp và dịng điện của bộ Inverter……………………81
1
Chƣơng 1:
GIỚI THIỆU
1. Tính cần thiết của đề tài:
Nguồn năng lƣợng đóng vai trị quyết định nền văn minh của nhân loại. Các nguồn
năng lƣợng hóa thạch (dầu lửa, than đá,…) hiện nay đang đƣợc sử dụng phổ biến
nhƣng lại gây ô nhiễm môi trƣờng và sẽ cạn kiệt trong một tƣơng lai gần. Nguồn năng
lƣợng ngun tử thì khơng an tồn. Trong khi đó mặt trời cung cấp một nguồn năng
lƣợng vơ cùng tận và gần nhƣ hồn tồn miễn phí cũng nhƣ khơng sản sinh ra chất thải
hủy hoại môi trƣờng. Tuy nhiên năng lƣợng mặt trời vẫn cịn đang trong thời kỳ đầu
của những ứng dụng vì nó địi hỏi những đầu tƣ rất lớn cho thiết bị nhƣng lại chỉ
chuyển hóa đƣợc một lƣợng rất nhỏ năng lƣợng từ mặt trời sang dạng hữu ích. Hơn
nữa, năng lƣợng mặt trời lệ thuộc vào điều kiện tự nhiên, không đủ ổn định để những
thiết bị điện và điện tử có thể sử dụng một cách an tồn và hiệu quả. Tận dụng tốt
nguồn năng lƣợng này, phần lớn sẽ giải quyết đƣợc bài toán năng lƣợng của nhân loại.
Để sản xuất điện mặt trời ngƣời ta thƣờng sử dụng 2 công nghệ : nhiệt mặt trời và pin
quang điện:
-
Nhiệt mặt trời : năng lƣợng mặt trời đƣợc hội tụ nhờ hệ thống gƣơng hội tụ để
tập trung ánh sáng mặt trời tạo thành nguồn nhiệt có nhiệt độ cao làm bốc hơi
nƣớc, hơi nƣớc sinh ra làm quay tuabin để sản xuất ra điện năng.
-
Pin quang điện đƣợc chế tạo từ các chất bán dẫn. Điện năng đƣợc sinh ra khi có
ánh sáng mặt trời chiếu đến. Các tế bào quang điện có khả năng thể hiện chức
năng này bằng cách nhận năng lƣợng mặt trời tách electron ra khỏi tinh thể bán
dẫn tạo thành dòng điện. Nhƣ vậy các tế bào quang điện dùng mặt trời là nguồn
nhiên liệu.
Ở đây ta tập trung vào lĩnh vực thứ hai, tức biến đổi trực tiếp quang năng thành điện
năng. Tuy nhiên nó có cơng suất khơng lớn và giá thành cịn q đắt. Do đó để nâng
2
cao cơng suất và giảm chi phí, thì ta phải đi nghiên cứu các phƣơng pháp sao cho công
suất của nguồn năng lƣợng mặt trời thu đƣợc là lớn nhất, từ đó thiết kế và điều khiển
tối ƣu các bộ thu năng lƣợng mặt trời.
Đề tài này cho ta cái nhìn tổng quan về hệ năng lƣợng mặt trời với các phƣơng pháp để
thu đƣợc công suất cực đại trong hệ năng lƣợng mặt trời và bộ chuyển đổi năng lƣợng
DC - DC, DC – AC.
2. Nhiệm vụ luận văn:
Luận văn “ Mơ hình và mơ phỏng hệ thống năng lƣợng mặt trời kết nối lƣới” có nội
dung chủ yếu:
-
Nghiên cứu tổng quan cơ sở lý thuyết về hệ năng lƣợng mặt trời.
-
Nghiên cứu tổng quan các bộ chuyển đổi năng lƣợng từ DC – DC (bộ boost
converter) và DC – AC (bộ inverter).
-
Nghiên cứu và mơ phỏng thuật tốn nhiễu loạn và quan sát (Perturb and
Observe) và gia tăng tổng dẫn (Incremental Conductance) trên bộ DC-DC.
-
Nghiên cứu và mô phỏng bộ biến đổi DC-AC (bộ Inverter) nối lƣới sử dụng
phƣơng pháp VOC để điều khiển công suất bơm lên lƣới.
a. Phạm vi nghiên cứu:
-
Chỉ nghiên cứu về hệ thống pin mặt trời kết nối lƣới cho tòa nhà với công suất
lắp đặt là 50KW.
-
Trong hệ thống pin mặt trời nối lƣới chỉ tập trung nghiên cứu thuật tốn dị tìm
điểm cơng suất cực đại (MPPT) và thuật tốn điều khiển định hƣớng điện áp
lƣới VOC Inverter nối lƣới.
-
Tiến hành mơ phỏng hệ thống PV cùng các thuật tốn điều khiển trên phần mềm
Matlab.
b. Mục tiêu nghiên cứu:
-
Điều khiển công suất phát của pin mặt trời đạt đƣợc cực đại ở điều kiện có nắng.
-
Hệ thống PV có thể điều chỉnh công suất tác dụng và công suất phản kháng bơm
lên lƣới điện.
3
c. Phương pháp nghiên cứu:
-
Thu thập và nghiên cứu tài liệu liên quan đến luận văn.
-
Xây dựng mơ hình mơ phỏng các thuật tốn.
-
Phân tích đánh giá các kết quả nhận đƣợc.
4
Chƣơng II:
TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN MẶT TRỜI.
Mặt trời là một trong những ngơi sao phát sáng mà con ngƣời có thể quan sát đƣợc
trong vũ trụ. Mặt trời cùng với các hành tinh và các tinh thể của nó tạo nên hệ mặt trời
nằm trong giải Ngân Hà cùng với hàng tỷ hệ mặt trời khác. Mặt trời luôn phát ra một
nguồn năng lƣợng khổng lồ và một phần nguồn năng lƣợng đó truyền bằng bức xạ đến
trái đất chúng ta. Trái đất và Mặt trời có mối quan hệ chặt chẽ, chính bức xạ mặt trời là
yếu tố quyết định cho sự tồn tại của sự sống trên hành tính của chúng ta. Năng lƣợng
mặt trời là một trong các nguồn năng lƣợng sạch và vơ tận và nó là nguồn gốc của các
nguồn năng lƣợng khác trên trái đất. Con ngƣời đã biết tận hƣởng nguồn năng lƣợng
quý giá này từ rất lâu, tuy nhiên việc khai thác, sử dụng nguồn năng lƣợng này một
cách hiệu quả nhất thì vẫn là vấn đề mà chúng ta đang quan tâm.
1. Năng lượng bức xạ Mặt trời.
Trong toàn bộ bức xạ của Mặt trời, bức xạ liên quan trực tiếp đến các phản ứng hạt
nhân xảy ra trong nhân mặt trời không quá 3%. Bức xạ γ ban đầu khi đi qua 5.105 km
chiều dày của lớp vật chất Mặt trời bị biến đổi rất mạnh. Tất cả các dạng của bức xạ
điện từ đều có bản chất sóng và chúng khác nhau ở bƣớc sóng. Bức xạ γ là sóng ngắn
nhất trong các sóng đó, từ tâm Mặt trời đi ra do sự va chạm hoặc tán xạ mà năng lƣợng
của chúng giảm đi và bây giờ chúng ứng với bức xạ song dài. Nhƣ vậy bức xạ chuyển
thành bức xạ Rơnghen có bƣớc sóng dài hơn. Gần đến bề mặt Mặt trời nơi có nhiệt độ
đủ thấp để cho các tồn tại vật chất trong trạng thái nguyên tử và các cơ chế khác bắt
đầu xảy ra.
Đặc trƣng của bức xạ mặt trời truyền trong không gian bên ngồi Mặt trời la một phổ
rộng trong đó cực đại của cƣờng độ nằm trong dải 10-1 – 10 μm và hầu nhƣ một nửa
tổng năng lƣợng mặt trời tập trung ở bƣớc sóng 0,38 – 0.78 μm là vùng nhìn thấy của
phổ.
5
Chùm tia truyền thẳng từ Mặt trời đƣợc gọi là bức xạ trực xạ. Tổng hợp các tia trực xạ
và tán xạ gọi là tổng xạ. Mật độ dòng bức xạ trực xạ ở ngồi lớp khí quyển, tính tƣơng
đối với 1m2 bề mặt vng góc với tia bức xạ, đƣợc tính theo cơng thức [1]:
q D _ T .C0 (T/100)4
(2.1)
Trong đó: D _ T hệ số góc bức xạ giữa Trái đất và Mặt trời.
D _ T 2 / 4
(2.2)
góc nhìn mặt trời và lấy 32'
C0 5,67 W/m .K – hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối.
2
4
T 5762 oK – nhiệt độ bề mặt Mặt trời (xem giống nhƣ vật đen tuyệt đối).
2
2.3,14.32
4
5762
2
Vậy q 360.60 .5,67.
1353W/m
4
100
(2.3)
Hình 2.1 Góc nhìn Mặt Trời.
Do khoảng cách giữa Trái đất và Mặt trời thay đổi theo mùa trong năm nên cũng
thay đổi, do đó q cũng thay đổi nhƣng độ thay đổi này khơng lớn cho lắm nên có thể
xem q là không đổi và đƣợc coi là hằng số mặt trời.
6
Khi truyền qua lớp khí quyển bao bọc Trái đất, các chùm tia bức xạ bị hấp thụ
và tán xạ bởi tần ozon, hơi nƣớc và bụi trong khí quyển, chỉ có một phần năng lƣợng
đƣợc truyền trực tiếp tới Trái đất. Đầu tiên oxy phân tử bình thƣờng O2 phân ly thành
oxy nguyên tử O, để phá vỡ liên kết nguyên tử đó, cần phải có các photon bƣớc song
ngắn hơn 0.18 μm, do đó các photon (xem các bức xạ là các hạt rời rạc – photon) có
năng lƣợng nhƣ vậy bị hấp thụ hoàn toàn. Chỉ một phần các nguyên tự oxy kết hợp
thành các phân tử, các đại đa số các nguyên tử tƣơng tác với các phân tử oxy khác tạo
thành phân tử ozon O3, ozon cũng hấp thụ bức xạ tử ngoại nhƣng thấp hơn oxy, dƣới
tác dụng của các photon có bƣớc sóng ngắn hơn 0.32 μm, sự phân tách O3 thành O2 và
O xảy ra. Nhƣ vậy hầu nhƣ toàn bộ năng lƣợng của bức xạ tử ngoại đƣợc dùng để duy
trì quá trình phân ly và hợp nhất của O, O2 và O3, đó là một q trình ổn định. Do quá
trình này, khi đi qua khi quyển, bức xạ tử ngoại biến thành bức xạ với năng lƣợng nhỏ
hơn.
Các bức xạ với bƣớc sóng ứng với vùng nhìn thấy và vùng hông ngoại của phổ
tƣơng tác với các phân tử khí và các hạt bụi của khơng khí nhƣng khơng phá vỡ các
liên kết của chúng, khi đó các photon bị tán xạ khá đều theo mọi hƣớng và một số
photon quay trở lại không gian vũ trụ. Bức xạ chịu dạng tán xạ do chủ yếu là bức xạ có
bƣớc sóng ngắn nhất. Sau khi phản xạ từ các phần khác nhau của khí quyển bức xạ tán
xạ đi đến chúng ta mang theo màu xanh lam của bầu trời trong sáng và có thể quan sát
đƣợc ở độ cao không lớn. Các giọt nƣớc cũng tán xạ rất mạnh bức xạ mặt trời. Bức xạ
mặt trời khi đi qua khí quyển cịn gặp một trở ngại đáng kể nữa đó là sự hấp thụ của
các phân tử hơi nƣớc, khí cacbonic và các hợp chất khác, mức độ của sự hấp thụ này
phụ thuộc vào bƣớc sóng, mạnh nhất ở khoảng giữ vùng hồng ngoại của phổ.
7
Hình 2.2 Quá trình tuyền năng lƣợng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển của Trái Đất.
Phần năng lƣợng bức xạ mặt trời truyền tới bề mặt trái đất trong những ngày quang
đãng (khơng có mây) ở thời điểm cao nhất vào khoảng 1000W/m2 [1].
Yếu tố cơ bản xác định cƣờng độ của bức xạ mặt trời ở một điểm nào đó trên Trái đất
là quãng đƣờng nó đi qua. Sự mất mát năng lƣợng trên quãng đƣờng đó gắn liền với sự
tán xạ, hấp thụ bức xạ và phụ thuộc vào thời gian trong ngày, mùa, vị trí địa lý. Các
mùa hình thành là do sự nghiêng của trục trái đất đối với mặt phẳng quỹ đạo của nó
quanh Mặt trời gây ra. Góc nghiêng vào khoảng 66,5o và thực tế xem nhƣ không đổi
trong không gian. Sự định hƣớng nhƣ vậy của trục quay trái đất trong chuyển động của
nó đối với Mặt trời gây ra những sự dao động quan trọng về độ dài ngày và đêm trong
năm.
8
2. Tính tốn năng lượng mặt trời.
Cƣờng độ bức xạ mặt trời trên mặt đất chủ yếu phụ thuộc 2 yếu tổ: góc nghiêng của
các tia sáng đối với mặt phẳng bề mặt tại điểm đã cho và độ dài đƣờng đi của các tia
sáng trong khí quyển hay nói chung là phụ thuộc vào độ cao của Mặt trời (Góc giữa
phƣơng từ điểm quan sát đến Mặt trời và mặt phẳng nằm ngang đi qua điểm đó). Yếu
tố cơ bản xác định cƣờng độ của bức xạ mặt trời ở một điểm nào đó trên Trái đất là
quãng đƣờng nó đi qua. Sự mất mát năng lƣợng trên quãng đƣờng đó gắn liền với sự
tán xạ, hấp thụ bức xạ và phụ thuộc vào thời gian trong ngày, mùa, vị trí địa lý.
Quan hệ giữa bức xạ mặt trời ngồi khí quyển và thời gian trong năm có thể xác
định theo phƣơng trình sau:
Eng Eo (1 0,033cos
360
2
) , W/m
365
(2.4)
Trong đó, Eng là bức xạ ngồi khí quyển đƣợc đo trên mặt phẳng vng góc với tia
bức xạ vào ngày thứ n trong năm.
Ngoài phƣơng pháp xác định cƣờng độ bức xạ mặt trời tại một điểm bất kỳ dựa trên
vị trí địa lý (độ cao mặt trời) nhƣ trên, trong thực tế ngƣời ta đã chế tạo các dụng cụ đo
cƣờng độ bức xạ mặt trời trực tiếp tại điểm cần đo. Thiết bị đo bức xạ mặt trời thƣờng
có 2 loại ; đo trực xạ nhƣ (pyrheliometer, actinometer) và đo tổng xạ (pyranometer,
Solarimeter).
Ngày nay với kĩ thuật vi xử lý ngƣời ta có thể dùng các đầu đo (sensor) bức xạ để đo tự
động cƣờng độ bức xạ của một nơi nào đó và kết quả đƣợc lƣu lại trong máy tính.
Hình 2.3 Nhật kế xạ.
9
Hình 2.4 Trực xạ kế.
3. Cấu tạo và hoạt động của pin mặt trời.
a) Hiệu ứng quang điện.
Pin mặt trời là phƣơng pháp sản xuất điện trực tiếp từ năng lƣợng mặt trời qua thiết
bị biến đối quang điện. Pin mặt trời có ƣu điểm là gọn nhẹ có thể lắp bất kỳ ở đâu có
ánh sáng mặt trời, đặc biệt là trong lĩnh vực tàu vũ trụ. Ứng dụng năng lƣợng mặt trời
dƣới dạng này đƣợc phát triển với tốc độ rất nhanh, nhất là ở các nƣớc phát triển. Ngày
nay con ngƣời đã ứng dụng pin mặt trời trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, để chạy xe
và trong sinh hoạt thay thế dần nguồn năng lƣợng truyền thống.
Pin mặt trời làm việc theo nguyên lý là biến đổi trực tiếp năng lƣợng bức xạ mặt
trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện.
Hiệu ứng quang điện đƣợc phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp
Alexandre Edmond Becquerel. Tuy nhiên cho đến 1883 một pin năng lƣợng mới đƣợc
tạo thành, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cực mỏng vàng
để tạo nên mạch nối. Thiết bị chỉ có hiệu suất 1 %, Russell Ohl xem là ngƣời tạo ra pin
10
năng lƣợng mặt trời đầu tiên năm 1946. Sau đó Sven Ason Berglund đã có các phƣơng
pháp liên quan đến việc tăng khả năng cảm nhận ánh sáng của pin.
Hình 2.5 Hệ 2 mức năng lƣợng.
Xét một hệ hai mức năng lƣợng điện tử (hình 2.5) E1
photon có năng lƣợng h (trong đó h là hằng số Planck, là tần số ánh sáng) bị điện
tử hấp thụ và chuyển lên mức năng lƣợng E. Ta có phƣơng trình cân bằng năng lƣợng:
h E1 E2
(2.5)
Trong các vật thể rắn, do tƣơng tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vịng
ngồi, nên các mức năng lƣợng của nó bị tách ra nhiều mức năng lƣợng sát nhau và tạo
thành các vùng năng lƣợng (hình 2.5). Vùng năng lƣợng thấp bị các điện tử chiếm đầy
khi ở trạng thái cân bằng gọi là vùng hoá trị, mà mặt trên của nó có mức năng lƣợng
Ev. Vùng năng lƣợng phía trên tiếp đó hồn tồn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi
là vùng dẫn, mặt dƣới của vùng có năng lƣợng là Ec. Cách ly giữa 2 vùng hóa trị và
vùng dẫn là một vùng cấp có độ rộng với năng lƣợng là Eg, trong đó khơng có mức
năng lƣợng cho phép nào của điện tử.
Khi nhận bức xạ mặt trời, photon có năng lƣợng h tới hệ thống và bị điện tử ở
vùng hoá trị thấp hấp thu và nó có thể chuyển lên vùng dẫn để trở thành điện tử tự do e, để lại ở vùng hố trị một lỗ trống có thể coi nhƣ hạt mang điện dƣơng, ký hiệu là h+.
Lỗ trống này có thể di chuyển và tham gia vào q trình dẫn điện.
11
Hình 2.6. Các vùng năng lƣợng.
Hiệu ứng lƣợng tử của q trình hấp thụ năng lƣợng của photon có thể mơ tả
bằng phƣơng trình sau:
Ev + hν -> e- + h+
(2.5)
Điều kiện để điện tử có thể hấp thụ năng lƣợng của photon và chuyển từ vùng
hoá trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử - lỗ trống là hν = hc/λ > Eg = Ec – Ev. Từ đó có
thể tính đƣợc bƣớc sóng tới hạn 2 của ánh sáng để có thể tạo ra cặp e- - h+ [1]:
c
hc
hc 1, 24
, [μm]
Ec Ev Eg
Eg
(2.7)
Trong thực tế các hạt dẫn bị kích thích e- và h+ đều tự phát tham gia vào quá
trình phục hồi, chuyển động đến mặt của các vùng năng lƣợng : điện tử e- giải phóng
năng lƣợng để chuyển đến mặt của vùng dẫn Ec, còn lỗ trống h+ chuyển đến mặt của
Ev, quá trình phục hồi chỉ xảy ra trong khoảng thời gian rất ngắn 10-12:10-1 giây và gây
ra dao động mạnh (photon). Năng lƣợng bị tổn hao do quá trình phục hồi sẽ là
Eph = hν – Eg.
(2.8)
Tóm lại khi vật rắn nhận tia bức xạ mặt trời, điện tử ở vùng hoá trị hấp thụ năng
lƣợng photon h và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn điện tử - lỗ trống e- - h+,
tức là đã tạo ra một điện thế. Hiện tƣợng đó gọi là hiệu ứng quang điện bên trong.
