Nghiên cứu giải thuật mppt cải tiến cho hệ thống điện mặt trời

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

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

LÊ NI

NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT MPPT CẢI TIẾN CHO HỆ
THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

MÃ SỐ CHUYÊN NGÀNH: 60520202

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 02 năm 2017


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

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

LÊ NI

NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT MPPT CẢI TIẾN CHO
HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI
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 – 2017


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 : ...........................................................................

Cán bộ chấm nhận xét 2 : ...........................................................................

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . .
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. ………………………………………..
2. ..............................................................
3. ..............................................................
4. ..............................................................
5. ..............................................................
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…………

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: ……… LÊ NI … ............................................ MSHV:…7140423
Ngày, tháng, năm sinh: 28/04/1991…… ................................... Nơi sinh: Bình Thuận
Chuyên ngành: …….Kỹ thuật Điện ......................................... Mã số : …60520202

I. TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT MPPT CẢI TIẾN CHO HỆ THỐNG ĐIỆN
MẶT TRỜI
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
-

Tìm hiểu về pin mặt trời, hệ thống chuyển đổi năng lượng mặt trời.
Tìm hiểu về bộ biến đổi cơng suất (Boost converter, Buck converter).
Tìm hiểu các giải thuật MPPT cho hệ thống pin mặt trời độc lập.
Đề xuất các giải thuật cải tiến giải thuật MPPT P&O truyền thống.
Mơ phỏng kiểm chứng tính khả thi của giải thuật bằng MATLAB.

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 11/01/2016
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 04/12/2016
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Tiến Sĩ. Huỳnh Quang Minh

Tp. HCM, ngày 04 tháng 12 năm 2016
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA….………


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 gởi
lời tri ân nhất của tôi đối với những điều mà Thầy đã dành cho tôi. Cảm ơn Thầy.
Xin chân thành bày tỏ lịng biết ơn đến tồn thể q Thầy Cơ trong bộ môn khoa
Điện-Điện Tử Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM đã tận tình truyền đạt những
kiến thức quý báu cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá
trình học tập nghiên cứu và cho đến khi tơi thực hiện đề tài này.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 04 tháng 12 năm 2016

Học viên

Lê Ni

.


TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ
Hệ thống pin quang điện đang ngày càng trở nên quan trọng bởi tính bền vững về
kinh tế và thân thiện với môi trường, trái ngược với nguồn năng lượng hóa thạch
truyền thống. Tuy nhiên, công suất phát ra bởi module PV phụ thuộc nhiều vào các
yếu tố môi trường như bức xạ măt trời và nhiệt độ. Những yếu tố này ảnh hưởng đến
cả đặc tính dịng điện - điện áp và cơng suất - điện áp của hệ thống pin mặt trời. Để
giảm tác động của môi trường, phương pháp sử dụng bộ điều khiển theo dõi điểm

công suất cực đại (MPPT) là cần thiết để tận dụng tối đa công suất thu được từ năng
lượng mặt trời. Các giải thuật MPPT được đề xuất như giải thuật nhiễu loạn và quan
sát (P&O), giải thuật điện dẫn gia tăng (INC) hoặc giải thuật thông minh như Fuzzy
và mạng Neural. Trong các giải thuật này, thì giải thuật P&O được sử dụng rộng rãi
bởi tính đơn giản dễ thực hiện và khơng địi hỏi kỹ thuật tính tốn cao. Tuy nhiên, bất
lợi lớn nhất của giải thuật này là nó có thể đưa ra quyết định sai hướng tiến đến điểm
MPP khi có sự thay đổi nhanh chóng của bức xạ mặt trời. Điều này có thể xảy ra khi
có sự thay đổi bức xạ giữa 2 lần lấy mẫu, các thuật tốn khơng thể nhận biết được sự
thay đổi công suất là do nhiễu loạn hay do bức xạ, vì vậy dẫn đến sự nhầm lẫn trong
bước nhiễu loạn tiếp theo. Để khắc phục điểm yếu này, đề tài đề xuất thuật toán cải
tiến giải thuật P&O truyền thống bằng cách thêm vào sự quan sát độ biến thiên của
dòng điện trong mỗi chu kỳ lấy mẫu để tránh được sử nhầm lẫn khi có sự thay đổi
nhanh chóng của điều kiện bức xạ và sử dụng điều khiển thích nghi với bước nhảy
thay đổi để cải thiện tốc độ hội tụ của giải thuật. Giải thuật đề xuất được xác nhận
bằng mạch mô phỏng trên công cụ MATLAB.
Trên cơ sở các nội dung nghiên cứu được đặt ra, luận văn được chia thành 5 chương:
Chương 1: Tìm hiểu tổng quan các nghiên cứu liên quan đến đề tài
Chương 2: Trình bày về năng lượng mặt trời và pin mặt trời
Chương 3: Tìm hiểu bộ biến đổi cơng suất và trình bày giải thuật MPPT
Chương 4: Trình bày kết quả mơ phỏng, kết quả thực nghiệm, phân tích
Chương 5: Đưa ra kết luận và hướng phát triển của đề tài.


ABSTRACT
Photovoltaic systems are becoming more and more important due their economically
sustainable and enviromentally reliable energy souorces, contrary to the conventional
fossil fuel. However, the power generated by PV modules depends on environmental
factors, i.e. solar radiation and atmospheric temperature. These factor affect the both
current-voltage and power-loltage characteristics of the PV system and hence the
connected load. In order to reduce the impact of environment variations, a maximum

power point tracking (MPPT) controller is requird to optimally exploit the avable
power. Several techniques of MPPT algorithms have been proposed. These
techniques can be classified as either conventional such as perturb and observe,
incremental conductance or intelligent such as Fuzzy Logic and Neural networks. A
well-know limitation of the Perturb and Observe (P&O) MPPT method is that is can
get confused and track in wrong direction during rapidly changing irradition. This
can happened when the change in insolation between two MPPT sampling instances
causes larger power change than the one cause by the voltage increment of the MPPT.
In this case the algorithm is unable to decide whether the change in power is caused
by its own voltage increment or by the change in irradiation. This thesis work offers
a simple and effective solution to this problem, by using an additional sample at k-2
and then track to information of change in power and change in voltage and the
seconds method additonal infomration in a change current. MATLAB is used for
simulation studies, and for experimental validation, a microcontroller is used as a
digital platform to implement the proposed algorithm. The simulation and
experimental results showed that the proposed algorithm accurately tracks the
maximum power and avoids the drift in fast changing wether conditions.


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ với đề tài “Nghiên cứu giải thuật MPPT cải tiến
cho hệ thống điện mặt trời” là cơng trình nghiên cứu của chính bản thân tơi, dưới
sự hướng dẫn của Tiến Sĩ. 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, mọi sự tham khảo đều có trích dẫn rõ ràng.
Học viên cao học

Lê Ni

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ .............................................................................
LỜI CAM ĐOAN .........................................................................................................
MỤC LỤC

............................................................................................................

DANH MỤC HÌNH MINH HỌA .................................................................................
DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU.....................................................................................
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................................
CHƯƠNG 1:

MỞ ĐẦU.......................................................................................... 1

1.1. Giới thiệu: ...................................................................................................... 1
1.2. Phương pháp nghiên cứu và nội dung nghiên cứu : ...................................... 3
CHƯƠNG 2:

HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ........... 4

2.1. Tế bào quang điện (Photovolatic Cell): ........................................................ 4
2.2. Tấm pin mặt trời: ........................................................................................... 9
2.3. Cấu hình hệ thống năng lượng mặt trời: ......................................................13
2.4. Bộ biến đổi cơng suất: .................................................................................16
CHƯƠNG 3:

GIẢI THUẬT TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI MPPT ........ 25

3.1. Các giải thuật MPPT....................................................................................25
3.1.1.

Perturb and Observe (P&O)/ Hill Climbing (HC): ...........................25

3.1.2.

Incremental Conductance (INC): ......................................................29

3.1.3.

Fuzzy Logic Control (FLC):..............................................................31

3.1.4.

Neural Network (NN):.......................................................................33

3.1.5.

Fractional Open-Circuit Voltage (VOC): ..........................................34

3.1.6.

Fractional Short circuit current (Isc): ................................................35

3.1.7.

Ripple Correlation control (RCC): ....................................................36

3.1.8.

So sánh các giải thuật MPPT:............................................................36

3.2. Các nhân tố ảnh hưởng đến hiệu suất giải thuật MPPT ..............................37
3.2.1.

Thời gian nhiễu loạn và bước nhiễu loạn: .........................................37


3.2.2.

Hiện tượng trôi (Drift phenomena): ..................................................38

3.3. Giải thuật P&O cải tiến: ..............................................................................42
CHƯƠNG 4:

MÔ PHỎNG GIẢI THUẬT TRÊN PHẦN MỀM MATLAB ...... 54

4.1. Mô phỏng:....................................................................................................54
4.1.1.

Sơ đồ mô phỏng: ...............................................................................54

4.1.2.

Kết quả mô phỏng: ............................................................................62

CHƯƠNG 5:

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ....................... 75

5.1. Kết luận: ......................................................................................................75
5.2. Hướng phát triển đề tài: ...............................................................................75
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 76


DANH MỤC HÌNH MINH HỌA
Hình 1.1. 

Hệ thống điện mặt trời ..................................................................... 2 

Hình 2.1. 

Sơ đồ khối hệ thống chuyển đổi năng lượng mặt trời...................... 4 

Hình 2.2. 

Tế bào quang điện ............................................................................ 5 

Hình 2.3. 

Tế bào quang điện ............................................................................ 7 

Hình 2.4. 

Cấu tạo tế bào quang điện ................................................................ 9 

Hình 2.5. 

Tấm pin năng lượng mặt trời thực tế ............................................... 9 

Hình 2.6. 

Đặc tuyến I-V, P-V panel pin mặt trời ........................................... 10 

Hình 2.7. 

Sơ đồ tương đương pin mặt trời ..................................................... 10 

Hình 2.8. 

Sự thay đổi I-V và P-V tại nhiệt độ cố định và bức xạ thay đổi .... 12 

Hình 2.9. 

Sự thay đổi I-V và P-V tại bức xạ cố định và nhiệt độ thay đổi. ... 13 

Hình 2.10. 

Cấu hình biến tần trung tâm ........................................................... 14 

Hình 2.11. 

Cấu hình dãy biến tần .................................................................... 15 

Hình 2.12. 

Cấu hình đa dãy biến tần ................................................................ 15 

Hình 2.13. 

Cấu hình tích hợp biến tần ............................................................. 16 

Hình 2.14. 

Cấu trúc bộ Boost........................................................................... 17 

Hình 2.15. 

Dạng sóng trong bộ biến đổi Boost................................................ 18 

Hình 2.16. 

Cấu hình bộ biến đổi Buck............................................................. 18 

Hình 2.17. 

Dạng sóng trong bộ biến đổi Buck ................................................ 19

Hình 2.18. 

Dạng sóng trong bộ biến đổi SEPIC .............................................. 20 

Hình 2.19. 

Dạng sóng trong bộ biến đổi SEPIC .............................................. 21 

Hình 2.20. 

Cấu trúc bộ biến đổi Buck - Boost ................................................. 22 

Hình 2.21. 

Dạng sóng trong bộ biến đổi Buck - Boost .................................... 23 

Hình 2.22. 

Cấu trúc bộ biến đổi Cuk ............................................................... 24 

Hình 3.1. 

Khái niệm vận hành của giải thuật P&O ....................................... 26 

Hình 3.2. 

Lưu đồ giải thuật P&O ................................................................... 27 

Hình 3.3.

Lưu đồ giải thuật INC .................................................................... 30 

Hình 3.4. 

Hàm thành viên .............................................................................. 31 

Hình 3.5. 

Mạng Neural cơ bản ....................................................................... 34 

Hình 3.6.

Vận hành ổn định 3 mức ở giải thuật P&O.................................... 39

Hình 3.7.

Hiệu ứng trơi .................................................................................. 40

Hình 3.8.

Vịng lặp tạo hiệu ứng trơi ............................................................. 41

Hình 3.9.

Sơ đồ khối hệ thống PV với điều khiển MPPT.............................. 42

Hình 3.10.

Phân tích hiện tượng trơi ................................................................ 46

Hình 3.11.

Lưu đồ giải thuật MPPT cải tiến “Driff free” ................................ 48

Hình 3.12.

Lưu đồ giải thuật MPPT cải tiến “Adaptive”................................. 49

Hình 3.13.

Lưu đồ giải thuật MPPT cải tiến kết hợp ....................................... 51

Hình 4.1.

Sơ đồ mơ phỏng ............................................................................. 54

Hình 4.2.

Khối Panel PV ................................................................................ 55

Hình 4.3.

Khối mơ phỏng thay đổi bức xạ. .................................................... 56

Hình 4.4.

Bộ Boost ......................................................................................... 57

Hình 4.5.

Khối điều khiển MPPT .................................................................. 57

Hình 4.6.

Khối đo lường và hiển thị .............................................................. 58

Hình 4.7.

Khảo sát sự thay đổi nhanh của bức xạ và đáp ứng cơng suất....... 61

Hình 4.8.

So sánh đáp ứng D và P trong giải thuật cải tiến 1 ........................ 63

Hình 4.9.

Đáp ứng ở giây thứ 6 ..................................................................... 65

Hình 4.10.

Đáp ứng D khi thay đổi tải ở giây thứ 10 ...................................... 66

Hình 4.11.

Đáp ứng P khi thay đổi tải ở giây thứ 10 ....................................... 65

Hình 4.12.

So sánh đáp ứng D giữa P&O truyền thống và Adaptive .............. 67

Hình 4.13.

Đáp ứng D giải thuật Adaptive ở giây thứ 6 ................................. 68

Hình 4.14.

Đáp ứng D, P, V, I trong giải thuật cải tiến 3 ................................ 71

Hình 4.15.

Đồ thị D khi quá độ và tăng bức xạ. .............................................. 72

Hình 4.16.

So sánh đáp ứng công suất của 4 giải thuật và lý thuyết. .............. 73


DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU
Bảng 3.1.

Bảng luật mờ .................................................................................. 32

Bảng 3.2.

So sánh các giải thuật MPPT ......................................................... 37


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
MPPT

Maximum Power Point Tracking

MPP

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

PI

Proportional and Integrated


CHƯƠNG 1:

1.1.

MỞ ĐẦU

Giới thiệu:

Trong những thập kỷ qua, trên toàn thế giới đang dần chuyển qua sử dụng nguồn năng
lượng tái tạo trong mạng lưới phân phối điện năng. Điều này là tất yếu vì sự gia tăng
liên tục nhu cầu sử dụng năng lượng toàn cầu và sự suy giảm khả năng cung cấp năng
lượng thông thường, bằng chứng là cuộc khủng hoảng dầu mỏ, cùng với vấn đề bảo vệ
môi trường ngày càng đáng lo ngại.
Trong các nguồn năng lượng thay thế, nguồn năng lượng mặt trời từ các tấm pin quang
điện (PV) được coi là nguồn năng lượng tự nhiên hữu ích, vì năng lượng này miễn phí,

vơ tận, được phân phối trên tồn bộ trái đất,… đã có rất nhiều quốc gia trên thế giới xem
PV là nguồn năng lượng tương lai của toàn cầu.
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.
Những năm gần đây, nhiều nghiên cứu tập trung vào các thuật toán MPPT khác nhau
của mảng PV, một số giải thuật như thử nghiệm và sai số (Trial and Error), thuật toán
leo đồi (Hill Climbing – HC), phương pháp nhiễu loạn và quan sát (Perturbation and
Observation – P&O), điện dẫn gia tăng (Incremental Conductance – InCond), mạng
nơron (Neural Network), thuật tốn mờ (Fuzzy)…
Vấn đề bảo vệ mơi trường và giá nhiên liệu tăng nhanh, vì vậy tìm kiếm nguồn năng
lượng thay thế là mục tiêu chung của toàn thế giới. Trong đó năng lượng mặt trời là
nguồn năng lượng tái tạo, không gây ô nhiễm môi trường, điện tạo ra tới trực tiếp người
sử dụng, chi phí bảo trì thấp,.... Do đó, nghiên cứu năng lượng mặt trời đã thu hút nhiều
sự quan tâm.
Mơ hình hệ thống năng lượng mặt trời bao gồm các thành phần cơ bản như hình 1.1

1


Hình 1.1.

Hệ thống điện mặt trời

Các tấm pin quang điện được tạo thành từ các chất bán dẫn, thực hiện quá trình chuyển
đổi bức xạ năng lượng mặt trời thành điện DC nhờ hiệu ứng quang điện. Với mỗi tấm
pin quang điện đều có một đặc tuyến P – V, trên đó tồn tại duy nhất một điểm cho cơng
suất cực đại toàn cục. Nghĩa là khi pin quang điện hoạt động ở nhiều điểm khác nhau
thì ta sẽ thu được công suất ngõ ra khác nhau. Công suất cực đại thu được khi pin quang
điện hoạt động tại điện áp nơi mà có cơng suất cực đại trên đặc tuyến P – V. Do đó, chỉ

tồn tại duy nhất một điểm có thể thu được cơng suất cực đại của pin quang điện. Điểm
hoạt động này trên đặc tuyến P – V được gọi là điểm công suất cực đại (Maximum
Power Point – MPP). MPP thay đổi khi bức xạ và nhiệt độ thay đổi hoặc khi pin quang
điện bị che khuất.
Vì vậy thiết bị tìm điểm cơng suất cực đại (MPPT) liên tục là thực sự cần thiết để đạt
được hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao góp phần làm giảm giá thành sản phẩm.
Chính vì vậy, MPPT trở thành một trong những chức năng quan trọng mà hệ thống điện
mặt trời nên có. Có rất nhiều giải thuật đã được nghiên cứu và phát triển như phân đoạn
điện áp hở mạch [1], phân đoạn dòng điện ngắn mạch [1], Hill-Climbing [2], P&O [36], Incond [7] , Incremental Resistance (INR) [8], Ripple Correlation Control [9], Fuzzy
[10], Neural [11], Particle Swarm Optimization (PSO) [12], Sliding mode [13], [14] và
một số kỹ thuật khác.

2


Trong đề tài này, tác giả tập trung giới thiệu, phân tích các giải thuật và đưa ra giải pháp
để giải quyết các vấn đề gặp phải ở giải thuật MPPT P&O trong điều kiện thay đổi nhanh
chóng của bức xạ (không xét trường hợp bị che khuất do mây hoặc bóng râm).
Phương pháp nghiên cứu và nội dung nghiên cứu :

1.2.

Mục tiêu cải thiện thuật toán MPPT P&O truyền thống, đề tài sử dụng phương pháp
nghiên cứu lý thuyết các vấn đề liên quan đến pin mặt trời, giải thuật MPPT P&O truyền
thống. Từ đó đề xuất giải thuật cải tiến để khắc phục điểm yếu của giải thuật P&O ở
điều kiện nắng thay đổi nhanh chóng. Giải thuật này được xây dựng trên nền tảng
MATLAB.
Dựa trên các vấn đề đặt ra, nội dung nghiên cứu luận văn bao gồm:
-

Nguyên cứu lý thuyết: Pin mặt trời, các bộ biến đổi công suất, giải thuật MPPT.

-

Mô phỏng giải thuật bằng phần mềm MATLAB.

3


CHƯƠNG 2:

HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG

LƯỢNG MẶT TRỜI
Hệ thống chuyển đổi năng lượng mặt trời cơ bản bao gồm các thành phần chính: pin
mặt trời, bộ biến đổi cơng suất, bộ lưu trữ điện và tải. Trong đó pin mặt trời làm nhiệm
vụ chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng DC, điện năng DC này được bộ biến
đổi công suất điều khiển, giám sát để công suất ngõ ra phù hợp với tải và tận dụng được
công suất tối đa của pin mặt trời. Khi năng lượng mặt trời phát ra lớn hơn nhu cầu của
tải, bộ chuyển đổi cơng suất có nhiệm vụ lưu trữ điện dư vào hệ thống acquy hoặc hòa
vào hệ thống lưới điện quốc gia. Các thành phần này kết hợp chặt chẽ với nhau để có
thể vận hành hiệu quả và đạt hiệu suất cao nhất.

Hình 2.1.

2.1.

Sơ đồ khối hệ thống chuyển đổi năng lượng mặt trời

Tế bào quang điện (Photovolatic Cell):

Định nghĩa:

Pin năng lượng mặt trời hay Pin quang điện (Solar panel) bao gồm nhiều tế bào quang
điện (solar cells hình 2.2) - phần tử bán dẫn P-N có chứa trên bề mặt số lượng lớn các
cảm biến ánh sáng là điốt quang, thực hiện biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng
lượng điện. Sự chuyển đổi này thực hiện theo hiệu ứng quang điện. Khi bề mặt của một
tấm kim loại được chiếu bởi bức xạ điện từ có tần số lớn hơn một tần số ngưỡng (tần số
4


ngưỡng là giá trị đặc trưng cho chất làm nên tấm kim loại này), các điện tử sẽ hấp thụ
năng lượng từ các photon và sinh ra dòng điện (gọi là dòng quang điện). Khi các điện
tử bị bật ra khỏi bề mặt của tấm kim loại, ta có hiệu ứng quang điện ngồi (external
photoelectric effect). Các điện tử khơng thể phát ra nếu tần số của bức xạ nhỏ hơn tần
số ngưỡng bởi điện tử không được cung cấp đủ năng lượng cần thiết để vượt ra khỏi rào
thế (gọi là cơng thốt). Điện tử phát xạ ra dưới tác dụng của bức xạ điện từ được gọi là
quang điện tử. Ở một số chất khác, khi được chiếu sáng với tần số vượt trên tần số
ngưỡng, các điện tử khơng bật ra khỏi bề mặt, mà thốt ra khỏi liên kết với nguyên tử,
trở thành điện tử tự do (điện tử dẫn) chuyển động trong lòng của khối vật dẫn, và ta có
hiêu ứng quang điện trong (internal photoelectric effect). Hiệu ứng này dẫn đến sự thay
đổi về tính chất dẫn điện của vật dẫn, do đó, người ta cịn gọi hiệu ứng này là hiệu ứng
quang dẫn.

(a)
Hình 2.2.

(b)
Tế bào quang điện

Các pin năng lượng mặt trời được thiết kế như những modul thành phần, được ghép lại

với nhau tạo thành các tấm pin năng lượng mặt trời có diện tích lớn. Các tấm pin mặt
trời lớn ngày nay được lắp thêm bộ phận tự động điều khiển để có thể xoay theo hướng
ánh sáng, giống như cây xanh hướng về ánh sáng mặt trời. Mặc dù các pin năng lượng
mặt trời có nhiều ứng dụng trong thực tế, nhưng giá thành cịn cao nên chỉ thích hợp cho
các vùng điện lưới khó vươn tới như núi cao, ngoài đảo xa, hoặc phục vụ các hoạt động
5


trên không gian; cụ thể như các vệ tinh quay xung quanh quỹ đạo trái đất, máy tính cầm
tay, các máy điện thoại cầm tay từ xa0...
Phân loại:
Có hai tiêu chuẩn đánh giá vật liệu chế tạo pin mặt trời, là hiệu suất và giá cả. Hiệu
suất là tỉ số giữa năng lượng điện từ và năng lượng ánh sáng mặt trời. Vào buổi trưa
trời trong, ánh mặt trời tỏa nhiệt khoảng 1000W/m², trong đó 10% hiệu suất của 1
module 1m² cung cấp năng lượng khoảng 100W, hiệu suất của pin Mặt trời thay đổi
từ 6% từ pin mặt trời làm từ silic khơng thù hình, và có thể lên đến 30% hay cao hơn
nữa. Có nhiều cách để nói đến giá của hệ thống cung cấp điện (chính xác là phát điện),
là tính tốn cụ thể giá thành sản xuất trên từng kilo Watt giờ điện (kWh). Hiệu năng
của pin mặt trời tạo dòng điện với sự bức xạ của mặt trời là 1 yếu tố quyết định trong
giá thành. Nói chung với tồn hệ thống, là tổ hợp các tấm pin mặt trời thì hiệu suất là
rất quan trọng. Và để tạo nên ứng dụng thực tế cho pin năng lượng, điện năng tạo nên
có thể nối với mạng lưới điện sử dụng dạng chuyển đổi trung gian; trong các phương
tiện di chuyển, thường sử dụng hệ thống ắc quy để lưu trữ nguồn năng lượng chưa sử
dụng đến. Các pin năng lượng thương mại và hệ thống cơng nghệ cho nó có hiệu suất
từ 5% đến 15%. Giá của 1 đơn vị điện từ 50 Eurocent/kWh (Trung Âu) giảm xuống
tới 25 eurocent/kWh trong vùng có ánh mặt trời nhiều.

6

Hình 2.3.

Tế bào quang điện

Ngày nay, vật liệu chủ yếu chế tạo pin mặt trời (và cho các thiết bị bán dẫn) là silic
dạng tinh thể. Pin mặt trời từ tinh thể silic chia ra thành 3 loại (hình 2.3):
-

Một tinh thể hay tinh thể đơn (Mono-crystalline) sản xuất dựa trên q trình
Czochralski. Đơn tinh thể có hiệu suất tới 16%, chúng thường rất đắt tiền do được
cắt từ các thỏi silic hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các
module.

-

Đa tinh thể (Multi-crystalline) làm từ các thỏi đúc - đúc từ silic nung chảy được
làm nguội và làm rắn. Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu
suất kém hơn. Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt
nhiều hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó.

-

Dải silic (Amorphous silicon) tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và
có cấu trúc đa tinh thể. Loại này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên loại này
rẻ nhất trong các loại vì khơng cần phải cắt từ thỏi silicon. Nền tảng chế tạo dựa
trên công nghệ sản suất tấm mỏng, có độ dày 300μm và xếp lại để tạo nên các
module tạo thành các loại pin trên.

7

Cấu tạo:
Pin mặt trời cấu tạo từ các nguyên tố Silic thuộc nhóm IVA trong bảng tuần hồn các
ngun tố hóa học, tức là có 4 electron lớp ngồi cùng. Silic ngun tố khơng tìm thấy
trong tự nhiên mà tồn tại dạng hợp chất phân tử ở thể rắn. Cơ bản có 2 loại chất rắn
silicon, là đa thù hình (khơng có trật tự sắp xếp) và tinh thể (các nguyên tử sắp xếp
theo thứ tự dãy không gian 3 chiều). Pin mặt trời phổ biến nhất là dạng đa tinh thể
silicon. Silic là vật liệu bán dẫn, nghĩa là trong thể rắn của silic tại một tầng năng lượng
nhất định mà electron có thể đạt được, và một số tầng năng lượng khác thì khơng được,
đơn giản hơn là có lúc dẫn điện và có lúc khơng dẫn điện. Lý thuyết này căn cứ theo
thuyết cơ học lượng tử, ở nhiệt độ phịng thí nghiệm (khoảng 28 °C), Silic ngun chất
có tính dẫn điện kém (cơ học lượng tử giải thích mức năng lượng Fermi trong tầng
trống). Trong thực tế để tạo ra các phân tử silic có tính dẫn điện tốt hơn, chúng được
thêm vào một lượng nhỏ các nguyên tử nhóm III hay nhóm V trong bảng tuần hồn
hóa học. Các ngun tử này chiếm vị trí của nguyên tử silic trong mạng tinh thể, và
liên kết với các nguyên tử silic bên cạnh tương tự tạo thành một mạng silic (mạng tinh
thể). Tuy nhiên các phân tử nhóm III có 3 electron ngồi cùng và ngun tử nhóm V
có 5 electron ngồi cùng, vì thế nên có chỗ trong mạng tinh thể có dư electron cịn có
chỗ thì thiếu electron. Vì thế các electron thừa hay thiếu (gọi là lỗ trống) không tham
gia vào các kết nối mạng tinh thể, chúng có thể tự do di chuyển trong khối tinh thể.
Silic kết hợp với nguyên tử nhóm III (nhơm hay gali) được gọi là loại bán dẫn p bởi vì
năng lượng chủ yếu mang điện tích dương (positive), trong khi phần kết hợp với các
nguyên tử nhóm V (phốt pho, asen) gọi là bán dẫn n vì mang năng lượng âm (negative).
Lưu ý rằng cả hai loại n và p có năng lượng trung hịa, tức là chúng có cùng năng lượng
dương và âm, loại bán dẫn n - loại âm có thể di chuyển xung quanh, tương tự ngược
lại với loại p.

8

Hình 2.4.
2.2.

Cấu tạo tế bào quang điện

Tấm pin mặt trời:

Hình 2.5.

Tấm pin năng lượng mặt trời thực tế

Tấm pin mặt trời (hình 2.5) bao gồm nhiều tế bào quang điện ghép nối tiếp hoặc song
song để đạt được mức dòng điện và điện áp mong muốn. Quan hệ giữa dòng điện,
công suất và điện áp của tấm pin mặt trời được thể hiện như đồ thị hình 2.6.

9


Hình 2.6.

Đặc tuyến I-V, P-V panel pin mặt trời

Đặc tuyến I-V, P-V của tấm pin mặt trời thay đổi theo nhiệt độ, bức xạ và điều kiện của
tải. Tùy vào điều kiện vận hành, điểm vận hành sẽ di chuyển trên các đường cong phi
tuyến này, và bộ điều khiển có chức năng giám sát để điểm vận hành đạt được cơng suất
ngõ ra tối đa (MPP), gọi là tìm điểm công suất cực đại.
Sơ đồ tương đương:
Sơ đồ tương đương pin mặt trời được thể hiện ở hình 2.7.

Hình 2.7.

Sơ đồ tương đương pin mặt trời

10


Trong đó: I và V là dịng điện và điện áp đầu ra của pin mặt trời, Rs và Rp là điện trở
nội nối tiếp và song song của tấm pin mặt trời, trong đó giá trị điện trở nối tiếp Rs thấp
hơn nhiều so với điện trở song song Rp. Mơ hình tốn học biểu diễn mối quan hệ phi
tuyến giữa dòng điện và điện áp phát ra từ pin mặt trời như sau:

I pv

 q .V pv 
 n p .I ph  n p .I sat . e k . A.T ns  1



(2.1)

Trong đó:
Ipv: Dịng điện ra PV panel (A)
Vpv: Điện áp ra PV panel (V)
Iph: Dòng quang điện (A)
Isat: dòng bảo hòa (A)
ns: số lượng pin nối tiếp
ns: số lượng pin mắc song song
q: điện tích Electron
k: hằng số Boltzman
T: nhiệt độ tấm pin

A: hệ số lý tưởng.
Đặc tuyến của pin mặt trời phụ thuộc nhiều vào dòng quang điện và nhiệt độ của tấm
pin. Dòng quang điện phụ thuộc vào lượng bức xạ chiếu vào tấm pin, vì vậy đường
đặc tuyến sẽ thay đổi theo sự thay đổi của hai đại lượng này (hình 2.8 và 2.9).
Ảnh hưởng của bức xạ lên đặc tuyến (I-V) và (P-V) được mơ tả như hình 2.8, trong đó
các đại lượng dịng điện và điện áp được chuẩn hóa về đơn vị cơ bản theo Voc và Isc để
quan sát rõ hơn ảnh hưởng của bức xạ lên đặc tuyến này. Vì dịng quang điện tỉ lệ với
bức xạ chiếu vào, nên ứng với sự gia tăng bức xạ thì dịng điện phát ra từ pin mặt trời
sẽ tăng. Hình 2.8 cho thấy sự thay đổi dịng điện lớn hơn so với điện áp. Trong thực
11