Nghiên cứu thuật toán điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ pin quang điện mặt trời có xét đến hiệu ứng bóng râm
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.44 MB, 104 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------------
TRẦN DUY TÂN
NGHIÊN CỨU THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐIỂM
CƠNG SUẤT CỰC ĐẠI CỦA HỆ PIN QUANG ĐIỆN MẶT
TRỜI CÓ XÉT ĐẾN HIỆU ỨNG BÓNG RÂM
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN
MÃ SỐ CHUYÊN NGÀNH: 60520202
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2018
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------------
TRẦN DUY TÂN
NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐIỂM
CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CỦA HỆ PIN QUANG ĐIỆN MẶT
TRỜI CÓ XÉT ĐẾN HIỆU ỨNG BÓNG RÂM
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN
MÃ SỐ CHUYÊN NGÀNH: 60520202
LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. HUỲNH QUANG MINH
TP. HỒ CHÍ MINH – 2018
ii
CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG -HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: Tiến sĩ. Huỳnh Quang Minh
Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ
Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS.TS Nguyễn Thanh Phương
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 14 tháng 07 năm 2018
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. TS Hồng Minh Trí – Chủ tịch
2. TS Huỳnh Quốc Việt – Thư ký
3. PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ - PB1
4. PGS.TS Nguyễn Thanh Phương – PB2
5. PGS.TS Hồ Phạm Huy Ánh -UV
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
TRƯỞNG KHOA
iii
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: TRẦN DUY TÂN ......................................... MSHV : 7140431
Ngày, tháng, năm sinh: 10/07/1990 ........................................... Nơi sinh: Đồng Nai
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện ..................................................... Mã số
: 60520202
I. TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐIỂM CƠNG SUẤT CỰC
ĐẠI CỦA HỆ PIN QUANG ĐIỆN MẶT TRỜI CÓ XÉT ĐẾN HIỆU ỨNG BĨNG
RÂM
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
-
Tìm hiểu về hệ thống pin năng lượng mặt trời.
Tìm hiểu về bộ biến đổi cơng suất.
Tìm hiểu các giải thuật MPPT cho hệ các module năng lượng mặt trời.
Tìm hiểu cơng suất của hệ pin quang điện trong điều kiện bóng râm và giải
thuật khắc phục việc giảm công suất.
Mô phỏng giải thuật bằng MATLAB.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 15/01/2018
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 17/06/2018
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Tiến Sĩ. Huỳnh Quang Minh
Tp. HCM, ngày tháng năm 2018
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
TRƯỞNG KHOA
v
LỜI CẢM ƠN
Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy Huỳnh Quang Minh,
người đã hết lòng giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tơi hồn thành đề
tài này. Xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất gửi đến Thầy, với những điều Thầy
đã dành cho tơi trong suốt q trình làm luận văn, những lúc tơi gặp bế tắc
khơng có hướng đi, những lúc cần sự tư vấn và động viên của Thầy, nhờ Thầy
mà tơi đã hồn thành đề tài này.
Xin chân thành bày tỏ lịng biết ơn đến tồn thể q Thầy Cơ trong bộ
mơn khoa Điện - Điện Tử nói chung và bộ mơn Hệ Thống Điện nói riêng
Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM đã truyền đạt những kiến thức từ lúc tơi
bắt đầu nhập học đến khi hồn thành đề tài này.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2018
Học viên
Trần Duy Tân
vi
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ
Do sự phát triển kinh tế toàn cầu mà nhu cầu năng lượng toàn thế giới ngày
càng tăng theo cấp số nhân. Trong khi đó nguồn năng lượng hóa thạch lại có
hạn và ngày càng cạn kiệt, cũng như khi sử dụng năng lượng hóa thạch gây
ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường sống của con người trên trái đất. Từ
đó đặt ra các vấn đề cần giải quyết về năng lượng cấp thiết và vấn đề ô nhiễm
môi trường. Xu hướng của thế giới hiện nay đang phát triển các loại năng lượng
sạch, không ô nhiễm môi trường. Từ đó thúc đẩy các nhà khoa học tìm hiểu và
nghiên cứu năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời, nguồn năng
lượng hiện nay có thể xem như là vơ tận và khơng gây ra ô nhiễm môi trường.
Để phát triển bền vững, con người đặt ra phải chuyển đổi từ năng lượng hóa
thạch sang hệ thống sử dụng tồn bộ năng lượng tái tạo trong đó có năng lượng
mặt trời. Tuy nhiên, việc chuyển đổi cần có thời gian, tiền bạc, tri thức về hệ
thống năng lượng điện mặt trời, kèm theo đó những khó khăn khi áp dụng hệ
thống năng lượng điện mặt trời vào thực tế. Từ nhu cầu thực tế đó, đề tài bắt
đầu tìm hiểu nghiên cứu về hệ thống pin mặt trời cũng như làm sao đạt được
công suất tối ưu khi sử dụng hệ thồng này vào thực tế.
Trên cơ sở các nội dung nghiên cứu được đặt ra, luận văn được chia thành 6
chương:
Chương 1: Mở đầu
Chương 2: Hệ thống năng lượng mặt trời
Chương 3: Thuật tốn bám điểm cơng suất cực đại
Chương 4: Thuật tốn P&O cải tiến dưới điều kiện có bóng râm
Chương 5: Mô phỏng giải thuật trên MATLAB
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển đề tài
vii
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ với đề tài “Nghiên cứu thuật toán điều khiển
bám điểm công suất cực đại của hệ pin quang điện mặt trời có xét đến hiệu ứng
bóng râm” là cơng trình nghiên cứu của chính bản thân tơi, dưới sự hướng dẫn
của TS. Huỳnh Quang Minh, các số liệu và kết quả thực nghiệm hồn tồn
trung thực. Tơi cam đoan khơng sao chép bất kỳ cơng trình khoa học nào của
người khác.
Học viên cao học
Trần Duy Tân
viii
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................... vi
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ .........................................................................vii
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................... viii
MỤC LỤC
......................................................................................................... ix
DANH MỤC HÌNH MINH HỌA ........................................................................... viii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .................................................................................... xv
CHƯƠNG 1:
MỞ ĐẦU.......................................................................................... 1
1.1. Tổng quan về năng lượng tái tạo và nhu cầu về năng lượng mặt trời: ..........1
1.2. Mục đích của đề tài:.......................................................................................3
1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: ................................................................3
1.4. Nội dung sẽ nghiên cứu: ................................................................................3
CHƯƠNG 2:
HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ..................................... 4
2.1. Sự tăng trưởng của năng lượng mặt trời:.......................................................4
2.2. Ưu và nhược điểm của hệ thống năng lượng mặt trời: ..................................4
2.3. Giới thiệu về pin mặt trời ..............................................................................5
2.3.1
Định nghĩa...............................................................................................5
2.3.2
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động .............................................................6
2.3.2.1 Cấu tạo pin mặt trời.................................................................................6
2.3.2.2 Nguyên lý hoạt động ...............................................................................9
2.3.3
Phân loại các loại tế bào quang điện .....................................................10
2.3.3.1 Tế bào đơn tinh thể: ..............................................................................10
2.3.2.2 Tế bào đa tinh thể: .................................................................................10
2.3.2.3 Tế bào vơ định hình: .............................................................................12
2.3.4
Module PV ............................................................................................12
2.3.4.1 Module thực tế: .....................................................................................12
2.3.4.2 Sơ đồ tương đương và mơ hình toán học: .............................................14
2.3.4.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của pin mặt trời: ........................16
ix
2.4. Cấu hình hệ thống năng lượng mặt trời: ......................................................18
2.4.1
Hệ thống năng lượng mặt trời độc lập: .................................................18
2.4.2
Hệ thống năng lượng mặt trời kết nối lươi điện quốc gia: ...................19
2.5. Kết luận: ......................................................................................................21
CHƯƠNG 3:
THUẬT TỐN BÁM ĐIỂM CƠNG SUẤT CỰC ĐẠI ............... 22
3.1. Khái niệm MPPT: ........................................................................................22
3.2. Hợp dung tải bằng bộ biến đổi DC – DC ....................................................24
3.3. Các giải thuật điều khiển MPPT ..................................................................28
3.3.1
Fractional voltage (V-MPPT) ...............................................................29
3.3.2
Fractional current (I-MPPT): ................................................................30
3.3.3
Look-up table MPPT: ...........................................................................31
3.3.4
Curve-fitting based MPPT: ...................................................................32
3.3.5
Perturb and Observe (P&O)/ Hill Climbing (HC): ...............................32
3.3.6
Phương pháp Incremental Conductance (IC): ......................................34
3.3.7
Phương pháp Fuzzy logic control (FLC): .............................................36
3.3.8
Phương pháp Artifial Neural Network (ANN): ....................................39
CHƯƠNG 4:
RÂM
4.1
THUẬT TỐN P&O CẢI TIẾN DƯỚI ĐIỀU KIỆN CĨ BÓNG
........................................................................................................ 41
Các hạn chế của giải thuật P&O truyền thống ............................................41
4.1.1
Thời gian nhiễu loạn và bước nhiễu loạn: ............................................41
4.1.2
Sự dao động quanh điểm MPP: ............................................................42
4.1.3
Sự phân kỳ (Divergence) khi bức xạ thay đổi nhanh: ..........................43
4.2
Hiện tượng bóng che ...................................................................................45
4.3
Giải thuật P&O cải tiến tìm MPP trong điều kiện có bóng râm ..................51
CHƯƠNG 5:
5.1
MƠ PHỎNG GIẢI THUẬT TRÊN MATLAB ............................. 56
Mơ phỏng:....................................................................................................56
5.1.1
Sơ đồ mô phỏng: ...................................................................................56
5.1.2
Kết quả mô phỏng: ................................................................................64
5.1.2.1
Giải thuật P&O vận hành trong điều kiện bức xạ đồng đều: ............64
5.1.2.2 Giải thuật P&O và P&O cải tiến vận hành trong điều kiện bức xạ
khơng đồng đều (có bóng râm): ........................................................................65
x
CHƯƠNG 6:
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ....................... 77
6.1
Kết luận: ......................................................................................................77
6.2
Hướng phát triển đề tài: ...............................................................................77
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 78
PHỤ LỤC (A) 81
PHỤ LỤC (B) 84
xi
DANH MỤC HÌNH MINH HỌA
Hình 1.1. Cấu hình cơ bản của hệ thống điện mặt trời độc lập ................................... 2
Hình 2.1 Năng lượng tiêu thụ trên toàn thế giới từ 2006 – 2016 ................................ 4
Hình 2.3 Sơ đồ cấu tạo của pin quang điện................................................................. 6
Hình 2.4 Mạng tinh thể silic với một ngun tử photpho (nhóm V) .......................... 7
Hình 2.5 Mạng tinh thể silic với một nguyên tử Boron (nhóm III) ............................ 8
Hình 2.6 Bán dẫn p-n .................................................................................................. 9
Hình 2.7 Hiệu ứng quang điện tạo dòng I cấp cho tải .............................................. 10
Hình 2.8 Tế bào đơn tinh thể..................................................................................... 11
Hình 2.9 Tế bào đa tinh thể ....................................................................................... 11
Hình 2.10 Tế bào vơ định hình.................................................................................. 12
Hình 2.11 Module năng lượng mặt trời thực tế ........................................................ 12
Hình 2.12 Đặc tuyến I-V, P-V module pin mặt trời.................................................. 13
Hình 2.13 Mơ hình tương đương pin mặt trời........................................................... 14
Hình 2.14 Đặc tính I – V và P – V khi cường độ chiếu sáng thay đổi...................... 16
Hình 2.15 Đặc tính I–V và P–V của pin mặt trời khi nhiệt độ thay đổi từ 25-75 độ C
........................................................................................................ 17
Hình 2.16 Hệ thống năng lượng mặt trời độc lập ..................................................... 19
Hình 2.17 Hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới. ................................................... 20
Hình 3.1 Bộ điều khiển MPPT trong hệ thống năng lượng mặt trời......................... 22
Hình 3.2 Module PV mắc trực tiếp vào tải thuần trở. ............................................... 23
Hình 3.3 Đặc tính làm việc của pin mặt trời và của tải trở có thể thay đổi giá trị .... 23
Hình 3.4 Pin mặt trời kết nối với tải qua bộ biến đổi DC – DC. .............................. 25
Hình 3.5 Pin mặt trời kết nối với tải Rei. .................................................................. 26
Hình 3.6 Điểm làm việc của module PV ứng với tải R thay đổi. ............................. 27
Hình 3.7 Khoảng làm việc của bộ biến đổi SEPIC ................................................... 28
Hình 3.8 Mối liên hệ giữa điện áp hở mạch và điện áp cực đại ................................ 31
Hình 3.9 Mối liên hệ giữa dòng điện ngắn mạch và dòng điện cực đại ................... 31
Hình 3.10 Lưu đồ giải thuật phương pháp P&O ....................................................... 33
xii
Hình 3.11 Lưu đồ giải thuật phương pháp IC ........................................................... 36
Hình 3.12 Hàm thành viên ........................................................................................ 37
Hình 3.13 Cấu trúc cơ bản của mạng nơ ron 4 ngõ vào ............................................ 39
Hình 4.1. Dao động khi xác lập ở giải thuật P&O .................................................... 42
Hình 4.2. Hiệu ứng trơi ............................................................................................. 43
Hình 4.3 Module PV vận hành trong thực tế bị bóng che ........................................ 45
Hình 4.4 Module PV với n cell trong trường hợp module khơng bị che khuất ........ 46
Hình 4.5 Module PV với n cell trong trường hợp module bị che khuất một phần ... 46
Hình 4.6 Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm đối với module PV ......................... 47
Hình 4.7 Module PV với nhiều PV bị che khuất ...................................................... 48
Hình 4.8 Module PV sử dụng diode bypass .............................................................. 48
Hình 4.9 Đặc tính của PV trong trường hợp sử dụng diode bypass ......................... 48
Hình 4.10 Cấu hình bypass diode ............................................................................. 49
Hình 4.11 Cấu hình blocking diode .......................................................................... 50
Hình 4.12 Cấu hình blocking diode kết hợp với bypass diode ................................. 51
Hình 4.13 Lưu đồ của giải thuật P&O cải tiến .......................................................... 52
Hình 4.14 Lưu đồ của giải thuật chương trình con tìm điểm GMPP ........................ 53
Hình 5.1 Thơng số pin mặt trời Soltech 1STH-225-P .............................................. 56
Hình 5.2 Cấu trúc 3 module khơng bị che khuất ...................................................... 57
Hình 5.3 Đường cong P-V, I-V ứng với độ rọi 1000 – 1000 – 1000(W/m2) ............ 57
Hình 5.4 Cấu trúc 2 module khơng bị che khuất với bức xạ lần lượt là 1000 - 500 1000 (W/m2)
........................................................................................................ 58
Hình 5.5 Đường cong P-V ứng với độ rọi 1000 – 500 – 1000 (W/m2) .................... 58
Hình 5.6 Cấu trúc 1 module không bị che khuất với bức xạ lần lượt là 1000 - 500 500 (W/m2)
........................................................................................................ 59
Hình 5.7 Đường cong P-V ứng với độ rọi 1000 – 500 – 500 (W/m2) ...................... 59
Hình 5.8 Sơ đồ mơ phỏng của giải thuật P&O cải tiến ............................................. 60
Hình 5.9 Khối 3 PV Module mắc nối tiếp và các bypass diode ............................... 61
Hình 5.10 Khối thay đổi bức xạ ................................................................................ 62
Hình 5.11 Khối biến đổi cơng suất SEPIC................................................................ 63
Hình 5.12 Khối điều khiển MPPT ............................................................................ 63
xiii
Hình 5.13 Đường cong P-V, I-V khi bức xạ đồng đều lần lượt là 1000 - 700 (W/m2)
........................................................................................................ 64
Hình 5.14 Đáp ứng công suất của giải thuật P&O truyền thống trong điều kiện bức
xạ đồng đều 1000-700-1000 (W/m2) ........................................................................ 64
Hình 5.15 Thay đổi chu kì nhiệm vụ khi giải thuật P&O truyền thống vận hành .... 65
Hình 5.16 Đáp ứng cơng suất của giải thuật P&O truyền thống trên tồn miền thời
gian
........................................................................................................ 67
Hình 5.17 Đáp ứng dịng điện của giải thuật P&O trên tồn miền thời gian ............ 68
Hình 5.18 Đáp ứng điện áp của giải thuật P&O trên toàn miền thời gian ................ 68
Hình 5.19 So sánh đáp ứng công suất của giải thuật P&O cải tiến 1 và cải tiến 2 trên
tồn miền thời gian .................................................................................................... 71
Hình 5.20 Phóng to đáp ứng cơng suất của cải tiến 1 tại t = 0.8s ............................. 72
Hình 5.21 Phóng to đáp ứng công suất của cải tiến 2 tại t = 0.8s ............................. 73
Hình 5.22 So sánh đáp ứng điện áp của cải tiến 1 và cải tiến 2 khi vận hành .......... 74
Hình 5.23 So sánh đáp ứng dịng điện của cải tiến 1 và cải tiến 2 khi vận hành ...... 74
Hình 5.24 Chu kì nhiệm vụ D của cải tiến 1 khi vận hành ....................................... 75
Hình 5.25 Chu kì nhiệm vụ D của cải tiến 2 khi vận hành ....................................... 75
xiv
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
MPPT
Maximum Power Point Tracking
MPP
Maximum Power Point
GMPP
Global Maximum Power Point
LMPP
Local Maximum Power Point
PV
Photovoltaic
P&O
Perturbation and Observation
HC
Hill Climbing
INC
Incremental Conductance
RCC
Ripple Correlation Control
FLC
Fuzzy Logic Control
PWM
Pulse Width Modulation
IC
Integrated Circuit
MOSFET
Metal Oxide Silicone Field Effect Transsitor
ADC
Analog to Digital Converter
DSP
Digital Signal Processing
ANN
Artificial neutral network
xv
CHƯƠNG 1:
1.1.
MỞ ĐẦU
Tổng quan về năng lượng tái tạo và nhu cầu về năng lượng mặt trời:
Năng lượng tái tạo là năng lượng phát sinh từ các nguồn tài nguyên thiên
nhiên như ánh sáng mặt trời, gió, mưa, thủy triều và địa nhiệt. Vì vậy, đối
với tất cả các mục đích sử dụng thực tế, các nguồn lực năng lượng này có
thể được coi là vơ tận, khơng giống như nhiên liệu hóa thạch thơng thường.
Cuộc khủng hoảng năng lượng toàn cầu đã cung cấp một động lực mới cho
sự tăng trưởng và phát triển các nguồn năng lượng sạch và tái tạo.
Trong bối cảnh các nguồn năng lượng truyền thống như nhiệt điện, thủy
điện... ngày càng cạn kiệt và gây ô nhiễm môi trường, động lực sử dụng
các nguồn năng lượng tái tạo như mặt trời, gió đang ngày càng trở nên
mạnh mẽ. Hơn nữa, giá nhiên liệu tăng cao và sự khan hiếm ngày càng tăng
của nhiên liệu hóa thạch có thể có tác động tiêu cực về kinh tế và chính trị
ở nhiều nước trong tương lai gần. Việc cải thiện hiệu quả năng lượng và sử
dụng hiệu quả các nguồn năng lượng tái tạo là chìa khóa để phát triển bền
vững.
Một giải pháp khả thi cho cuộc khủng hoảng này là phát triển các hệ thống
năng lượng tái tạo. Nhiều công nghệ năng lượng tái tạo khác nhau đã được
phát triển, đáng tin cậy và có giá cạnh tranh so với việc sản xuất điện thông
thường. Chi phí năng lượng tái tạo hiện đang giảm, và dự kiến giảm hơn
nữa với sự gia tăng nhu cầu và sản xuất. Nhiều quốc gia đã áp dụng các
chính sách năng lượng mới để khuyến khích đầu tư vào các nguồn năng
lượng thay thế như sinh khối, năng lượng mặt trời, gió và thủy điện nhỏ.
Năng lượng mặt trời là một trong những nguồn năng lượng tái tạo quan
trọng nhất và hứa hẹn sẽ tăng thị phần trong tương lai gần. Một nghiên cứu
1
của cơ quan năng lượng quốc tế, kiểm tra mức tiêu thụ năng lượng của thế
giới, ước tính khoảng 30 đến 60 Terawatt năng lượng mặt trời mỗi năm sẽ
là cần thiết vào năm 2050. Nguồn pin mặt trời với ưu thế khơng gây tiếng
ồn, có thể lắp đặt ở mọi nơi kể cả trong khu dân cư đã giúp cho quá trình
phổ biến loại nguồn này trong hệ thống điện nhanh hơn so với các nguồn
khác. Trong đó, vấn đề khai thác tối đa khả năng phát công suất nhờ các
biện pháp tìm điểm cơng suất cực đại (MPP) và các kỹ thuật điều khiển bộ
biến đổi (BBĐ) hoặc các loại BBĐ khác nhau trong hệ thống khai thác PV
là mục tiêu trọng tâm trong các nghiên cứu cả trong nước và trên thế giới.
Để tăng hiệu suất truyền cơng suất pin mặt trời, thì bộ kết nối giữa pin mặt
trời và tải đóng vai trị quan trọng. Các nhân tố như bức xạ, nhiệt độ và góc
sẽ ảnh hưởng đến điểm có cơng suất cực đại (Maximum Power Point –
MPP) của pin mặt trời. Trong nghiên cứu này, đề tài tập trung vào việc cải
thiện hiệu suất của hệ thống điện mặt trời bằng việc cải tiến giải thuật
MPPT để thu được công suất tối đa từ pin mặt trời.
Hình 1.1. Cấu hình cơ bản của hệ thống điện mặt trời độc lập
2
1.2.
Mục đích của đề tài:
Đề tài tập trung nghiên cứu và mơ phỏng giải thuật tìm điểm cơng suất cực
đại cho hệ PV trong điều kiện có bóng râm (G biến thiên), nhờ đó giúp xác
định chính xác thơng số tại MPP, qua đó thiết lập các biện pháp điều khiển
khai thác tối đa công suất của PV trong mọi điều kiện vận hành thực tế, có
xét tới sự thay đổi ngẫu nhiên của (G,T).
1.3.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu của đề tài là ba module quang điện (PV) ghép nối
tiếp với nhau.
- Phạm vi nghiên cứu của đề tài là tìm điểm cực đại công suất của hệ PV
bằng kỹ thuật MPPT dựa trên thuật toán P&O cổ điển và đưa ra giải thuật
mới tiên tiến hơn.
1.4.
Nội dung sẽ nghiên cứu:
- Khảo sát đường cong đặc tính I-V, cơng suất cực đại của hệ PV trong điều
kiện nắng tốt, khơng có bóng râm.
- Khảo sát ảnh hưởng hiệu ứng bóng râm đến đặc tính I-V và điểm công suất
cực đại (MPP) của hệ PV.
- Cấu tạo pin mặt trời, mạch biến đổi công suất.
- Dùng thuật tốn P&O để tìm điểm cơng suất cực đại trong trường hợp hệ
PV bị che một phần.
- Trình bày giải thuật mới có nhiều ưu điểm hơn để khắc phục nhược điểm
của thuật tốn P&O.
- Mơ phỏng giải thuật cải tiến để kiểm chứng bằng phần mềm MATLAB.
3
CHƯƠNG 2:
2.1.
HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Sự tăng trưởng của năng lượng mặt trời:
Vì thủy điện và năng lượng gió bị giới hạn ở một số điều kiện địa lý nhất
định, năng lượng mặt trời bắt đầu thay thế dần trong vài năm qua khi năng
lượng mặt trời lan rộng khắp hành tinh của chúng ta. Năng lượng mặt trời
đang lan truyền rất nhanh trên tồn cầu vì nó là phương pháp sản xuất điện
năng dễ dàng và nhanh chóng thơng qua năng lượng mặt trời. Chúng ta có
thể nhận thấy rằng sự tiêu thụ năng lượng mặt trời trên toàn thế giới gần
gấp rưỡi từ năm 2010 như được thể hiện trong.
Hình 2.1 Năng lượng tiêu thụ trên tồn thế giới từ 2006 – 2016
2.2.
Ưu và nhược điểm của hệ thống năng lượng mặt trời:
Ưu điểm của hệ thống năng lượng mặt trời là:
- Hệ thống PV được coi là máy phát điện tĩnh khi chúng tạo ra điện trực tiếp
từ ánh sáng mặt trời.
- Hệ thống PV có nhiều kích cỡ và đầu ra phù hợp cho các ứng dụng khác
nhau. Các module PV khá nhẹ, cho phép vận chuyển dễ dàng và an toàn.
4
- Các hệ thống PV có thể dễ dàng được mở rộng bằng cách bổ sung thêm
nhiều module theo chuỗi để mở rộng điện áp của hệ thống hoặc song song
nâng cao dòng điện.
- Hệ thống PV được sản xuất để chịu được điều kiện khắc nghiệt nhất. Các
module được thiết kế để chịu đựng nhiệt độ khắc nghiệt, ở bất kỳ độ cao
nào, trong gió mạnh và với bất kỳ mức độ ẩm hoặc muối nào trong khí
quyển. Hệ thống có thể được thiết kế với khả năng lưu trữ để cung cấp năng
lượng phù hợp, chất lượng cao ngay cả khi mặt trời không sáng.
- Hệ thống PV khơng gây ra tiếng ồn hoặc khí thải carbon, thân thiện với
môi trường, hầu như không gây ô nhiễm.
Nhược điểm của hệ thống năng lượng mặt trời là:
- Chi phí sản xuất rất cao so với các nguồn tái tạo khác.
- Khó bắt được điểm cơng suất cực đại của hệ thống trong quá trình vận hành.
- Yêu cầu bắt buộc phải làm sạch thường xuyên bề mặt ngoài của các module
PV.
- Việc chuyển đổi năng lượng không được cao.
2.3.
Giới thiệu về pin mặt trời
2.3.1 Định nghĩa
Pin mặt trời hay còn gọi là pin quang điện là thiết bị ứng dụng hiệu ứng
quang điện trong lớp bán dẫn (thường gọi là hiện tượng quang điện trong
quang dẫn) để tạo ra dòng điện một chiều khi được chiếu sáng.
5
2.3.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Hình 2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
2.3.2.1 Cấu tạo pin mặt trời
Gồm ba thàn phần chính như đã mơ tả trên hình 2.2:
o Lớp tiếp xúc p–n:
Lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng biến đổi trực tiếp năng
lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang
điện bên trong.
Hình 2.3 Sơ đồ cấu tạo của pin quang điện
Vật liệu bán dẫn chủ yếu để chế tạo pin quang điện và các thiết
bị bán dẫn khác là silic tinh thể. Silic (Si) là nguyên tố thuộc
nhóm IV trong bảng tuần hồn nên có 4 electron ở lớp ngồi
cùng. Các ngun tử silic tạo liên kết hóa trị với 4 nguyên tử
lân cận theo cấu trúc tứ diện, tạo thành mạng tinh thể.
6
Ở điều kiện thường, tinh thể Si tinh khiết là chất bán dẫn có
tính dẫn điện kém vì khơng có điện tử tự do. Khi nhiệt độ tăng,
các điện tử bị bức ra khỏi liên kết, đó là các điện tử mang điện
tích âm nhảy từ vùng hóa trị lên vùng dẫn trở thành điện tử tự
do và để lại các lỗ trống mang điện tích dương trong vùng hóa
trị. Nhiệt độ càng cao, số nguyên tử tự do càng nhiều, giúp khả
năng dẫn điện tăng lên. Để tăng khả năng dẫn điện của Si,
người ta thường thêm vào một lượng nhỏ các nguyên tố nhóm
III hoặc nhóm V trong bảng tuần hồn hóa học.
Khi pha Si với một ít ngun tử nhóm V, do có 5 điện tử ở lớp
ngoài cùng nên chúng tạo 4 liên kết hóa trị với 4 nguyên tử Si
lân cận và dư một điện tử. Điện tử thừa này sẽ dễ dàng trở
thành điện tử tự do khi được cung cấp một lượng nhỏ năng
lượng từ bên ngoài. Bán dẫn Si chứa tạp chất nhóm V có tính
dẫn điện âm cịn được gọi là bán dẫn loại n (negatif).
Hình 2.4 Mạng tinh thể silic với một nguyên tử photpho (nhóm V)
Ngược lại, nếu pha Si với tạp chất nhóm III, do có ít hơn một
electron hóa trị nên khi gắn vào mạng tinh thể Si sẽ thiếu một
liên kết và xem như nó mang một lỗ trống (hole). Vì thiếu
electron nên lỗ trống mang điện dương. Bán dẫn Si chứa tạp
7
chất nhóm III có tính dẫn điện dương cịn gọi là bán dẫn loại
p (positif).
Hình 2.5 Mạng tinh thể silic với một nguyên tử Boron (nhóm III)
o Điện cực: là thành phần dẫn điện ra phụ tải, vật liệu làm điện cực
vừa phải có độ dẫn tốt vừa phải bám dính tốt vào chất bán dẫn.
Khi đặt hai lớp bán dẫn n và p tiếp xúc nhau, điện tử tự do ở
lớp n sẽ tràn qua trung hòa lỗ trống ở lớp p. Đồng thời, các lỗ
trống tự do mang điện tích dương ở lớp p cũng tràn qua để
trung hịa điện tử ở lớp n. Qua đó hình thành một điện trường
không cho điện tử từ lớp n và lỗ trống ở lớp p tiếp tục đi qua
tiếp giáp p-n. Vùng các điện tích cố định xung quanh tiếp giáp
và sinh ra một điện trường hướng từ lớp n sang p được gọi là
vùng nghèo (depletion region). Điện trường này làm hãm quá
trình khuếch tán và làm giảm dòng khuếch tán trong bán dẫn
p-n. Khi nối hai điện cực vào bán dẫn p-n, ta được linh kiện
diode bán dẫn.
8
Hình 2.6 Bán dẫn p-n
o Lớp chống phản quang: nếu sự phản xạ ánh sáng càng nhiều sẽ làm
cho hiệu suất của pin giảm. Vì vậy phải phủ một lớp chống phản
quang.
2.3.2.2 Nguyên lý hoạt động
Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời dựa trên hiện tượng quang
điện trong như được mơ tả trong hình 2.2. Khi ánh sáng chiếu vào pin
quang điện, một phần ánh sáng bị phản xạ lại (do đó trên bề mặt pin
quang điện có một lớp chống phản xạ), một phần bị hấp thụ khi truyền
qua lớp n và một phần sẽ đến được lớp chuyển tiếp, nơi có các cặp
electron và lỗ trống nằm trong điện trường của bề mặt giới hạn p-n.
Năng lượng của photon được hấp thụ sẽ truyền đến các electron trong
màng tinh thể một năng lượng đủ lớn để thoát khỏi liên kết. Khi thoát
khỏi liên kết, dưới tác dụng của điện trường, electron sẽ bị kéo về bán
dẫn loại n, còn lỗ trống bị kéo về bán dẫn loại p. Khi đó, nếu nối hai
cực vào hai bán dẫn loại n và p sẽ đo được một hiệu điện thế. Giá trị
của hiệu điện thế này phụ thuộc vào bản chất của chất làm bán dẫn và
tạp chất được hấp thụ.
9
Hình 2.7 Hiệu ứng quang điện tạo dịng I cấp cho tải
2.3.3 Phân loại các loại tế bào quang điện
Các tế bào quang điện được sản xuất ở nhiều dạng khác nhau; mỗi loại
đều có những lợi ích và nhược điểm so với các loại khác. Các loại tế bào PV
tiêu biểu nhất là:
2.3.3.1 Tế bào đơn tinh thể:
Tế bào đơn tinh thể được cắt từ một tinh thể silicon đơn, xem
Hình 2.8. Chúng về cơ bản là một lát cắt tinh thể nên chúng rất mịn
trong kết cấu. Tế bào đơn tinh thể là tế bào là hiệu quả nhất, nhưng cũng
là loại đắt nhất.
2.3.2.2 Tế bào đa tinh thể:
Các tế bào đa tinh thể được là một lát cắt từ một khối silicon,
không giống như các tế bào đơn tinh thể bao gồm một số lượng lớn các
tinh thể. Các tấm pin mặt trời được chế tạo từ các loại tế bào này kém
hiệu quả hơn nhưng rẻ hơn so với các tấm pin làm từ tế bào đơn tinh
thể.
10
Hình 2.8 Tế bào đơn tinh thể
Hình 2.9 Tế bào đa tinh thể
11
