Ứng dụng năng lượng mặt trời trong hệ thống chiếu sáng sử dụng led

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-----o0o-----

BK
TP HCM

HÀ QUANG ĐIỆN

ỨNG DỤNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI
TRONG HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG SỬ DỤNG LED

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN
MÃ SỐ CHUYÊN NGÀNH: 60 52 02 02

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. Hồ Chí Minh, năm 2018


CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM
Cán bộ hƣớng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Quang Nam.

Ký tên……………………

Cán bộ phản biện 1: PGS. TS. Nguyễn Văn Nhờ

Ký tên…………..……….

Cán bộ phản biện 2: PGS. TS. Trƣơng Việt Anh

Ký tên…………..……….

Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM
ngày 06 tháng 01 năm 2018
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. Chủ tịch hội đồng: PGS. TS. Phan Quốc Dũng

Ký tên…………..……….

2. Cán bộ phản biện 1: PGS. TS. Nguyễn Văn Nhờ

Ký tên…………..……….

3. Cán bộ phản biện 2: PGS. TS. Trƣơng Việt Anh

Ký tên…………..……….

4. Ủy viên: PGS. TS. Lê Chí Kiên

Ký tên…………..……….

5. Thƣ ký: TS. Nguyễn Đình Tuyên

Ký tên…………..……….

Xác nhận của Chủ tịch hội đồng đánh giá luận văn và Trƣởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã đƣợc sửa chữa (nếu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƢỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

TS. Đỗ Hồng Tuấn


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

-----o0o-----

-----o0o-----

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SỸ
Họ và tên học viên
: Hà Quang Điện
Ngày, tháng, năm sinh : 06/04/1980
Chuyên ngành
: Kỹ thuật điện.

MSHV : 1670800
Nơi sinh : Bắc Ninh
Mã số : 60 52 02 02

TÊN ĐỀ TÀI:

I.

ỨNG DỤNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI
TRONG HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG SỬ DỤNG LED
II.

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
-

Tìm hiểu phân tích và nghiên cứu mơ hình ứng dụng năng lƣợng mặt trời sạc
acquy vào ban ngày và sử dụng năng lƣợng acquy để cấp nguồn cho đèn Led
vào ban đêm.

-

Tìm hiểu các thuật tốn MPPT từ truyền thống đến nay từ đó làm cơ sở cải tiến
thuật toán MPPT để thu đƣợc kết quả tốt hơn cho hệ thống. Mơ phỏng các thuật
tốn trên nền MATLAB/Simulink hoặc tƣơng đƣơng sau đó so sánh kết quả với
nhau và với các nghiên cứu trƣớc đó.

- Tìm hiểu, mô phỏng bộ biến đổi DC/DC sạc acquy từ pin mặt trời và DC/DC
cho bộ LED’s driver với tính năng có thể điều khiển nhiều mức cơng suất của
Led.
- Viết code và làm mơ hình thực nghiệm để kiểm chứng MPPT cải tiến.
- Kết luận và rút ra bài học kinh nghiệm.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 04/09/2017
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 08/12/2017
V.

CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: TS. Nguyễn Quang Nam
Tp.HCM, ngày…….tháng……năm 2017
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN

TS. Nguyễn Quang Nam

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

TS. Võ Ngọc Điều

TRƢỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ


LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian học tập và nghiên cứu hoàn thành luận văn tốt nghiệp,
em đã nhận đƣợc rất nhiều sự động viên và giúp đỡ.
Trƣớc hết, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và chân thành đến thầy
TS. Nguyễn Quang Nam – ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn, truyền thụ những
kinh nghiệm chuyên môn với tất cả niềm đam mê nghiên cứu khoa học trong
suốt thời gian em thực hiện luận văn.
Xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trƣờng Đại học Bách Khoa –
ĐHQG Tp.HCM cùng Quý Thầy Cô Khoa Điện – Điện Tử, Bộ môn Thiết
bị, mạng và nhà máy điện đã tạo rất nhiều điều kiện để em học tập và hoàn
thành tốt khóa học .
Em xin chân thành cảm ơn gia đình và những ngƣời thân yêu đã luôn
động viên giúp đỡ, động viên và là chỗ dựa tinh thần vững chắc để em có thể
vƣợt qua những khó khăn trong thời gian học tập và nghiên cứu.
Sau cùng tôi luôn cảm ơn những ngƣời bạn đã giúp đỡ chia sẻ kinh
nghiệm học tập và nghiên cứu trong suốt quá trình thực hiện luận văn.

Mặc dù tơi đã có nhiều cố gắng hồn thiện luận văn bằng tất cả sự nhiệt
tình và năng lực của mình, tuy nhiên khơng thể tránh khỏi những thiếu sót,
rất mong nhận đƣợc những đóng góp quý báu của q thầy cơ và các bạn.
Xin kính chúc sức khỏe và chân thành cảm ơn!
TP. HCM, ngày ..... tháng 12 năm 2017
Học viên thực hiện

Hà Quang Điện


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Hiện nay, việc nghiên cứu và ứng dụng các nguồn năng lƣợng tái tạo nói
chung vào thực tiễn cuộc sống ngày càng phát triển mạnh mẽ và là một xu hƣớng
tất yếu của xã hội. Từ việc khai thác các nguồn năng lƣợng tái tạo tập trung (nhƣ
cánh động điện gió, cánh đồng điện mặt trời…) cho đến việc khai thác các nguồn
năng lƣợng này một cách phân tán tới từng hộ gia đình hay từng cơ sở sản xuất,
sinh hoạt.
Một trong những ứng dụng của việc khai thác năng lƣợng mặt trời dƣới mơ
hình phân tán đó là việc sử dụng năng lƣợng mặt trời lƣu trữ vào acquy vào ban
ngày và sử dụng năng lƣợng này chiếu sáng đƣờng phố vào ban đêm bằng đèn LED
hiệu suất cao. Trên cơ sở yêu cầu với đầu bài đặt ra là bộ đèn Led chiếu sáng có thể
hoạt động đƣợc (trong điều kiện thời tiết xấu) tối thiểu từ 2 – 3 ngày khi mà không
cần tới ánh sáng mặt trời. Với yêu cầu trên luận văn đã nghiên cứu trình bày những
giải thuật MPPT cải tiến trên nền fuzzy để thu đƣợc hiệu suất chuyển đổi năng
lƣợng cao nhất từ PV sử dụng nạp vào acquy. Hiệu quả của giải thuật đề xuất đƣợc
kiểm chứng bằng mơ phỏng, tuy nhiên trong q trình kiểm chứng bằng thực
nghiệm, vì nhiều lý do khách quan, kết quả thực nghiệm với tải acquy khơng đạt
nhƣ mong muốn. Vì vậy kết quả thực nghiệm chỉ đƣợc kiểm chứng trên tải điện trở.
Đồng thời luận văn cũng nghiên cứu giải pháp tiết kiệm năng lƣợng tiêu thụ cho bộ
đèn Led đƣợc sử dụng với việc điều khiển chế độ sáng nhiều cấp của bộ đèn ứng

với từng thời gian chiếu sáng phù hợp với mật độ lƣu thông trên đƣờng.
Nội dung và kết quả thu đạt đƣợc trong quá trình thực hiện luận văn đƣợc
trình bày tóm tắt trong các chƣơng nhƣ sau:
Chƣơng 1: Giới thiệu tổng quan về mục đích, liệt kê từng nhiệm vụ và phƣơng pháp
nghiên cứu cho luận văn, đặt vấn đề chọn đề tài “Ứng dụng năng lƣợng mặt trời
trong hệ thống chiếu sáng sử dụng Led”.
Chƣơng 2: Luận văn trình giới thiệu về tiềm năng và tình hình sử dụng năng lƣợng
mặt trời ở Việt Nam và trên thế giới, đặc biệt là việc ứng dụng năng lƣợng mặt trời
trong chiếu sáng công cộng. Đồng thời tìm hiểu những nghiên cứu trƣớc đây nêu ra
những vấn đề còn hạn chế và hƣớng giải quyết của luận văn.


Chƣơng 3: Nội dung chính chƣơng 3 là trình bày các cơ sở lý thuyết liên quan đến
hệ thống pin mặt trời, các sơ đồ mạch điện thay thế, các đƣờng đặc tính quan hệ của
pin mặt trời. Đề xuất và xây dựng bộ thu PV dùng cho mô phỏng gần giống với mơ
hình thực nghiệm, sau đó mơ phỏng và thu giá trị áp và công suất ở các điều kiện
khác nhau, dữ liệu thu đƣợc này đƣợc dùng để đánh giá kết quả mô phỏng và kết
quả thực nghiệm.
Chƣơng 4: Tìm hiểu thuật thuật tốn MPPT truyền thống đến thơng minh, tìm hiểu
chi tiết thuật tốn MPPT P&O làm cơ sở cho MPPT cải tiến sau này.
Chƣơng 5: Giới thiệu về Logic mờ, các khái niệm về tập mờ, các phép tốn học cơ
bản trên tập mờ. Tìm hiểu về cấu trúc và phƣơng thức hoạt động của điều khiển
fuzzy, sau đó chọn mơ hình điều khiển fuzzy Mamdani cho giải thuật MPPT cải
tiến, đƣợc dùng trong mô phỏng và thực nghiệm.
Chƣơng 6: Giới thiệu về ứng dụng năng lƣợng mặt trời trong hệ thống chiếu sáng
sử dụng đèn Led. Từ mơ hình sơ đồ khối tổng quan đến các cơ sở lý thuyết liên
quan đến các giải thuật MPPT cải tiến để thu đƣợc công suất của PV đƣợc tốt hơn.
Ngồi ra cịn giới thiệu về chế độ điều khiển (dimming) các cấp chiếu sáng cho đèn
Led.
Chƣơng 7: Trình bày và kiểm chứng hiệu quả của các giải thuật bằng phƣơng pháp

mô phỏng và thực nghiệm. Từ đó rút ra những nhận xét giữa các kết quả thu đƣợc
của các giải thuật khác nhau và rút ra những bài học kinh nghiệm.
Chƣơng 8: Kết luận về kết quả thu đƣợc của thuật toán MPPT cải tiến trên và
hƣớng phá triển tiếp theo cho đề tài.

.


THESIS ABSTRACT
Currently, research and applications of the resources will make it in the real
to the life of the age of the year. Finding the resources of create a redirection file
(such as field win electric, field solar electric ...) for the job to source of a power up
to depression to a family of manufacturing, living life.
One in the applications of the solar exploited with a model dispersal that are
a use the solar electric for lighting with the Led source. With requirement is the Led
lamp can work (in the bad weather) from 2 - 3 days when the needless to solar.
With a request for the research of the referenced the MPPT base on fuzzy make to
recover the maximum performance of the PV, algorithm of the MPPT improve
simulation on MATLAB software and experiment. After simulation to comparing
results of the improved MPPT algorithm with MPPT P&O and MPPT Modifiedd P
& O algorithms in the same condition. This theme is an bad researched the
definition of the energy consumption for the led has been used with the mode
dimming control of the Led lamp.
The content and results achieved during the implementation of the document
are summarized in the following programs:
Chapter 1: Introduce the total number of target points, list the research topics
and discuss thematic topics for the topic, setting up the project "Led Solar
Applications in Led Lighting."
Chapter 2: Thesis introduces the capacity and situation of using solar energy
in Vietnam and in the world, especially solar energy application in the lighting

company community. The time is found for the research before the issue of the
issues of the text of the discussion text.
Chapter 3: The main content of Chapter 3 is the presentation of theoretical
backgrounds related to solar cell systems, alternative circuit diagrams, and solar cell
related characteristics. Proposing and constructing a PV collector for simulations is
very similar to the empirical model, then simulating and collecting the voltage and


power values under different conditions, this data is used to evaluate the results.
simulation results and experimental results.
Chapter 4: Learn the traditional MPPT algorithm to learn more about the
MPPT P & O algorithm, which will be used as a basis for MPPT improvement later.
Chapter 5: Introduction to fuzzy logic, concepts of fuzzy sets, basic
mathematical operations on fuzzy sets. Learn about the structure and mode of
operation of fuzzy control, then select the Mamdani fuzzy control model for the
improved MPPT algorithm, used in simulation and experimentation.
Chapter 6: Introduction to the application of solar energy in lighting systems
using Led lights. From the overall block diagram model to the theoretical bases
related to improved MPPT algorithms to obtain better PV power. There is also an
introduction to dimming the lighting levels for the LEDs..
Chapter 7: Present and verify the effectiveness of algorithms by simulation
and experiment. Then draw the comments between the results of different
algorithms and draw lessons.
Chapter 8: Conclusion on the results of the improved MPPT algorithm and
subsequent development direction for the subject.


TS. Đỗ Hồng Tuấn

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan Luận văn là kết quả nghiên cứu của riêng tôi không sao
chép của ai, đƣợc thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn khoa học của Tiến sĩ Nguyễn Quang
Nam. Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai
cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Nội dung luận văn có tham khảo và sử dụng các tài liệu, thông tin đƣợc đăng
tải trên các tác phẩm, tạp chí và các trang web có nguồn gốc rõ ràng theo danh mục
tài liệu tham khảo của luận văn.

Học viên thực hiện luận văn.

Hà Quang Điện


MỤC LỤC
CHƢƠNG 1.

TỔNG QUAN ..................................................................................... 1

1.1.

Giới thiệu chung. .............................................................................................. 1

1.2.

Mục đích của đề tài. ......................................................................................... 3

1.3.

Nhiệm vụ của đề tài.......................................................................................... 3

1.4.

Phạm vi nghiên cứu.......................................................................................... 3

1.5.

Nội dung đề tài.................................................................................................. 4

CHƢƠNG 2.

GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI VÀ CÁC

NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ....................................................................................... 5
2.1.

Giới thiệu năng lƣợng mặt trời. ...................................................................... 5

2.2.

Tình hình sử dụng năng lƣợng mặt trời trên thế giới. ................................. 6

2.3.

Tình hình năng lƣợng mặt trời tại Việt Nam. ............................................... 7

2.3.1.

Tiềm năng năng lƣợng mặt trời. ..................................................................... 7

2.3.2.

Triển vọng năng lƣợng mặt trời tại Việt Nam. ............................................. 9

2.4.

Các nghiên cứu liên quan và điểm mới của đề tài. ..................................... 13

CHƢƠNG 3.

HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI ........................................................ 16

3.1.

Mơ hình pin mặt trời [2]. ............................................................................... 16

3.2.

Bộ biến đổi công suất DC/DC sử dụng trong hệ thống điện mặt trời ....... 29

3.2.2.

Bộ biến đổi giảm áp Buck [16]. ..................................................................... 30

3.2.2.

Bộ chuyển đổi Boost (Bộ biến đổi tăng áp): ................................................. 31

3.2.3.

Bộ biến đổi buck-boost [18]. .......................................................................... 35

CHƢƠNG 4.

THUẬT TOÁN MPPT ...................................................................... 37

4.1.

Phƣơng pháp điện áp hằng số. ...................................................................... 37

4.2.

Phƣơng pháp độ dẫn INC (Incremental Conductance). ............................ 38

4.3.

Phƣơng pháp Hill climbing và P&O. ........................................................... 40

4.4.

Phƣơng pháp fuzzy. ....................................................................................... 43


CHƢƠNG 5.

GIỚI THIỆU VỀ FUZZY LOGIC ................................................. 46

5.1.

Logic mờ (Fuzzy Logic). ................................................................................ 46

5.1.1.

Giới thiệu ........................................................................................................ 46

5.1.2.

Khái niệm về tập mờ. ..................................................................................... 46

5.1.3.

Toán học cơ bản trên tập mờ. ....................................................................... 47

5.2.

Cấu trúc điều khiển mờ và điều khiển mờ (FLC). ...................................... 51

5.1.1.

Khâu mờ hóa. ................................................................................................. 52

5.1.2.

Cơ sở tri thức. ................................................................................................. 52

5.1.3.

Suy diễn mờ. ................................................................................................... 54

5.3.

Mơ hình Mamdani. ........................................................................................ 55

CHƢƠNG 6. ỨNG DỤNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI TRONG HỆ
THỐNG CHIẾU SÁNG SỬ DỤNG ĐÈN LED ........................................................ 60
6.1.

Sơ đồ khối tổng quan ..................................................................................... 60

6.2.

Giải thuật MPPT cải tiến .............................................................................. 61

6.2.1.

Giải thuật P&O Modify: ............................................................................... 61

6.2.2.

Thuật toán Fuzzy P&O MPPT. .................................................................... 63

6.3.

Điều khiển đèn Led: ....................................................................................... 67

CHƢƠNG 7. KIỂM CHỨNG HIỆU QUẢ CỦA GIẢI THUẬT BẰNG MÔ
PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM .................................................................................. 70
7.1.

Xây dựng sơ đồ mô phỏng và kết quả .......................................................... 70

7.1.1.

Giải thuật MPPT ............................................................................................ 70

7.1.2.

LED Driver ..................................................................................................... 85

7.2.

Thiết kế thực nghiệm và kết quả .................................................................. 91

CHƢƠNG 8.

KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ..................... 102

8.1.

Kết luận. ........................................................................................................ 102

8.2.

Hƣớng phát triển đề tài. .............................................................................. 102


CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN
PV

: Photovotaic

MPP

: Maximum power point.

MPPT

: Maximum power point tracking.

DC

: Direct current.

DC/DC

: DC power converter.

ACCU

: Batery.

CSP

: Concentrating solar power.

P&O

: Pertub & Observe.

IncCond

: Thuật toán độ dẫn.

FLC

: Fuzzy logic controller.

DC

: Điện một chiều.

AC

: Điện xoay chiều.

Pin MT

: Pin mặt trời.

NLMT

: Năng lƣợng mặt trời.

NOCT

: Nhiệt độ làm việc danh định của cell.

SCT

: Điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn.

COG

: Center of Gravity

MOM

: Mean of maximum

SEPIC

: Single-ended primary inductor converter.

STC

: Standard test condition,

VOC_STC

: Open circuit voltage in standard test condition.

LCD

: Liquid crystall display.

CCS

: Code composer studio.


DANH MỤC CÁC HÌNH TRONG LUẬN VĂN

Tên hình

Trang

Hình 2.1: Bộ thu PV đƣợc sử dụng cấp điện cho chiếu sáng.

6

Hình 2.2: Sự tăng trƣởng tổng điện năng mặt trời theo các năm.

6

Hình 2.3: Tình hình xây dựng các nhà máy điện mặt trời trong từ năm
2001-2015.

7

Hình 2.4: Bản đồ mức bức xạ trung bình/ngày.

9

Hình 2.5: Hình ảnh trụ đèn chiếu sáng sử dụng năng lƣợng mặt trời

10

Hình 3.1: Nguyên lý hoạt động pin quang điện

15

Hình 3.2: Sơ đồ mạch điện đơn giản hóa của pin MT.

16

Hình 3.3: Dịng điện hở mạch và điện áp ngắn mạch của pin quang điện.

17

Hình 3.4: Mơ hình thực tế của pin PV (khi có xét đến các tổn hao)

17

Hình 3.5: Đƣờng đặc tính của P-V, khi chỉ xét ảnh hƣởng bởi RS.

18

Hình 3.6: Đƣờng đặc tính của P-V, khi xét cả ảnh hƣởng bởi RP và RS.

19

Hình 3.7: Module PV

20

Hình 3.8: Đƣờng đặc tính của Module PV.

20

Hình 3.9: Nối nối tiếp nhiều module PV để tăng điện áp.

21

Hình 3.10: Nối song song nhiều module PV để tăng dịng điện.

21

Hình 3.11: Kết nối hỗn hợp để tăng áp và dịng.

22

Hình 3.12: Đặc tính của pin MT phụ thuộc vào bức xạ và nhiệt độ.

22

Hình 3.13: Hiện tƣợng một pin MT bị bóng râm

23

Hình 3.14: Đặc tính pin MT khi một pin bị bóng râm.

23

Hình 3.15: Đặc tính pin MT khi nhiều pin bị bóng râm.

24

Hình 3.16: Bảo vệ pin MT khi bị bóng râm bằng PP sử dụng diode phân
dịng.

24

Hình 3.17: Đặc tuyến I - V, P V của pin mặt trời với điểm công suất cực đại.

25

Hình 3.18. Các điểm MPP dƣới các điều kiện mơi trƣờng thay đổi.

25

Hình 3.19. Sơ đồ khối của hệ thống MPPT tiêu biểu.

26


Hình 3.20: Bộ DC/DC giúp hút cơng suất cực đại từ pin mặt trời.

27

Hình 3.21: Cấu trúc mạch Buck.

29

Hình 3.22: Sơ đồ mạch điện bộ chuyển đổi Boost

31

Hình 3.23: Sơ đồ mạch điện khi S đóng.

32

Hình 3.24: Dạng sóng điện áp và dòng điện trên cuộn dây L khi S đóng.

32

Hình 3.25: Sơ đồ mạch điện khi S mở.

33

Hình 3.26: Dạng sóng điện áp và dịng điện trên cuộn dây L khi S mở.

33

Hình 3.27: Cấu trúc mạch Buck-boost.

34

Hình 4.1: Lƣu đồ giải thuật MPPT dựa trên các điện áp hằng số.

37

Hình 4.2: Độ dốc (dP/dV) của PV

38

Hình 4.3: Lƣu đồ giải thuật cho phƣơng pháp IncCond

39

Hình 4.4: Đặc tính của pin mặt trời

40

Hình 4.5: Đồ thị PV khi bức xạ thay đổi và quá trình tìm điểm cực đại
của phƣơng pháp P&O.

40

Hình 4.6: Lƣu đồ giải thuật P&O

41

Hình 4.7: Cấu trúc của bộ điều khiển fuzzy MPPT.

42

Hình 4.8: Hình dạng hàm liên thuộc ngõ vào của fuzzy MPPT.

43

Hình 5.1: Mơ tả tập rõ và tập mờ.

46

Hình 5.2: Hợp của hai tập mờ A và B

47

Hình 5.3: Giao của hai tập mờ A và B

48

Hình 5.4: Phần bù của tập mờ A

49

Hình 5.5: Cấu trúc bộ điều khiển mờ.

50

Hình 5.6: Cấu trúc của khâu mờ hóa

51

Hình 5.7: Mờ hóa ngõ vào.

54

Hình 5.8: Dùng tốn hạng OR để nhân 2 tiền đề.

55

Hình 5.9: Áp dụng phƣơng pháp suy diễn.

55

Hình 5.10: Mơ tả lƣu đồ suy diễn mờ Mamdani và kết quả giải mờ

56

Hình 5.11: Phƣơng pháp giải mờ trọng tâm.

57

Hình 6.1: Mơ hình hệ thống đèn chiếu sáng Led sử dụng năng lƣợng mặt

58


trời.
Hình 6.2: Cấu trúc thuật tốn bộ modified P&O MPPT

60

Hình 6.3: Cấu trúc biến đầu vào và đầu ra điều khiển Fuzzy Logic

61

Hình 6.4: Hàm thành viên đầu vào – đầu ra

62 - 63

Hình 6.5: Cơ sở luật mờ

64

Hình 6.6: Đồ thị 3D Fuzzy face

65

Hình 6.7: Chip Led 20W

65

Hình 6.8: Mơ hình hóa chip Led

66

Hình 6.9: Lƣu đồ giải thuật điều khiển đèn LED

67

Hình 7.1: Sơ đồ mơ phỏng giải thuật P&O

68

Hình 7.2: Thơng số tấm pin đƣợc sử dụng trong mơ phỏng

69

Hình 7.6: Đặt tuyến P-V, I-V của PV panel

70

Hình 7.7: Đáp ứng P, V, D và V-I tải trong giải thuật P&O

71-72

Hình 7.8: Đáp ứng P, V, D và V-I tải trong giải thuật MP&O

73-74

Hình 7.9: Mơ phỏng giải thuật Fuzzy P&O

75

Hình 7.10: Đáp ứng P, V, D và V-I tải trong giải thuật FP&O

77

Hình 7.11: So sánh đáp ứng P, V, D giữa 3 giải thuật

78-80

Hình 7.12: Sơ đồ mơ phỏng mạch Driver cho đèn Led

84

Hình 7.13: Đáp ứng cơng suất của đèn LED

85

Hình 7.14: Đƣờng đặc tính cơng suất của đèn Led ở chế độ Dimming.

85

Hình 7.15: Đƣờng đặc tính điện áp của đèn Led.

85

Hình 7.17: Đƣờng đặc tính dịng điện của đèn Led.

87

Hình 7.18: Đƣờng đặc tính dịng điện của đèn Led ở chế độ Dimming

88

Hình 7.19: Tấm pin mặt trời và thơng số sử dụng trong mạch thực
nghiệm

90

Hình 7.20: Sơ đồ nguyên lý và mạch layout mạch cơng suất

91

Hình 7.21: Mạch thực nghiệm

93


Hình 7.22: VGS (màu xanh) VDS (màu đỏ)

94

Hình 7.23: Vpv (màu xanh) IPV (màu đỏ)

95

Hình 7.24: Kết quả đo lƣờng dịng điện và điện áp đầu ra từ tấm pin

96

Hình 7.25: Kết quả đo lƣờng dòng điện và điện áp đầu ra từ tấm pin

98

Hình 7.26: Kết quả đo lƣờng dòng điện và điện áp đầu ra từ tấm pin

99

DANH MỤC CÁC BẢNG TRONG LUẬN VĂN
Tên bảng

Trang

Bảng 3.1: Tiềm năng mật độ NLMT trung bình năm và số giờ nắng theo
tiểu khu vực (Nguồn VNL).

8

Bảng 4.1. Bảng cơ sở luật mờ của phƣơng pháp fuzzy truyền thống.

43

Bảng 7.1: So sánh kết quả mô phỏng giữa 3 giải thuật

82

Bảng 7.2: Thông số thiết kế mạch driver cho LED

83

Bảng 7.3: Thông số thiết kế mạch công suất

92


CBHD: TS. NGUYỄN QUANG NAM
HVTH: HÀ QUANG ĐIỆN

CHƢƠNG 1.

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TỔNG QUAN

Trong chƣơng “Mở đầu”, luận văn trình bày vì sao chọn và thực hiện đề tài,
mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài. Chƣơng 1 cũng trình bày phạm vi và phƣơng pháp
nghiên cứu, nội dung và bố cục trình bày của luận văn.
1.1. Giới thiệu chung.
Với sự phát triển của xã hội, tốc độ đơ thị hóa ngày càng cao, các hạng mục
hạ tầng kỹ thuật phục vụ cho sự phát triển của đô thị ngày càng lớn về cả số lƣợng
cũng nhƣ quy mơ cơng trình. Trong các hạng mục hạ tầng kỹ thuật, chiếu sáng - đặc
biệt là chiếu sáng công cộng - là một hạng mục không thể thiếu trong tổng thể các
hạng mục hạ tầng đô thị. Chiếu sáng công cộng, chiếu sáng giao thơng đảm bảo an
tồn cho các phƣơng tiện, con ngƣời tham gia giao thông khi về đêm đồng thời
cũng tăng cƣờng trật tự an ninh xã hội khu vực dân cƣ dọc hai bên tuyến đƣờng và
cƣ dân trong khu vực.
Hiện nay, hầu hết các nguồn điện cấp cho hệ thống chiếu sáng đều đƣợc lấy
từ các nguồn năng lƣợng truyền thống nhƣ nhiệt điện, thủy điện.... Trong khi đó,

với sự phát triển của xã hội dẫn đến nhu cầu sử dụng năng lƣợng ngày một tăng,
nhƣng nguồn năng lƣợng hóa thạch có hạn và ngày càng cạn kiệt, dẫn đến việc tìm
nguồn năng lƣợng mới để thay thế là vấn đề cấp bách. Vì vậy việc giải quyết bài
toán về năng lƣợng cấp nguồn riêng cho hệ thống chiếu sáng cũng là một giải pháp
góp phần giải quyết bài toán chung cho hệ thống năng lƣợng trên thế giới.
Từ nhu cầu thực tiễn trên việc nghiên cứu ứng dụng hệ thống độc lập bao
gồm: một nguồn năng lƣợng mới (năng lƣợng mặt trời) cấp nguồn trong hệ thống
chiếu sáng công cộng là hết sức cần thiết, đặc biệt đối với những khu vực vùng sâu,
vùng xa, những khu vực mang tính chất an ninh, quốc phịng khi mà phƣơng án kéo
lƣới điện quốc gia tới gặp khó khăn thì phạm vi ứng dụng của nghiên cứu lại càng
đƣợc đánh giá cao.
Năng lƣợng mặt trời thu đƣợc thông qua bộ thu PV (Photovoltaic) còn thấp,
phần lớn năng lƣợng bị phản chiếu ra ngồi hoặc trở thành nhiệt làm nóng bộ thu

ỨNG DỤNG NLMT TRONG HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG SỬ DỤNG LED

Trang 1


CBHD: TS. NGUYỄN QUANG NAM
HVTH: HÀ QUANG ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

dẫn đến công suất phát ra từ bộ thu PV càng bị suy giảm. Đặc biệt, do đƣờng đặc
tính V-I của bộ thu PV là phi tuyến tính và ln thay đổi khi có sự thay đổi lƣợng
bức xạ nhận đƣợc từ mặt trời và nhiệt độ của bộ thu PV, dẫn đến việc xác định và
khai thác công suất cực đại (MPP) từ bộ thu PV gặp khá nhiều khó khăn. Mặt khác,
chi phí đầu tƣ cho thiết bị chuyển đổi từ năng lƣợng này vẫn còn khá cao, và hiệu
suất chuyển đổi vẫn còn thấp nên việc khai thác tối đa cơng suất mà bộ thu PV có

thể cung cấp đƣợc đóng vai trị vơ cùng quan trọng.
Đối với đèn Led chiếu sáng, việc không khai thác đƣợc công suất tối đa bộ
PV thu đƣợc mà vẫn phải đảm bảo thời gian và cƣờng độ chiếu sáng theo yêu cầu sẽ
dẫn đến việc phải tăng kích thƣớc của tấm PV để thu đƣợc công suất lớn hơn. Điều
này sẽ làm tăng giá thành của hệ thống và gây lãng phí.
Hiện nay, có nhiều thuật tốn MPPT thực hiện chức năng tìm điểm MPP từ
cổ điển cho đến thơng minh, trong đó thuật tốn MPPT trên nền fuzzy
(MPPT_fuzzy) đƣợc nhiều chú ý vì khả năng đáp ứng khi điều kiện môi trƣờng thay
đổi và hiệu suất ở trạng thái xác lập tốt hơn so với những thuật toán MPPT cổ điển
nên việc nghiên cứu cải tiến cho thuật toán này là rất quan trọng.
Ngồi ra theo tính đặc thù chung và cũng nhƣ thực tế vận hành hiện nay của
hệ thống chiếu sáng công cộng, khi mà đêm về khuya mật độ giao thông giảm,
cƣờng độ chiếu sáng không cần phải cao nhƣ buổi tối. Vì vậy việc nghiên cứu điều
chỉnh chế độ sáng của đèn Led ứng với các thời điểm khác nhau cũng là cần thiết
góp phần tiết kiệm điện năng, nâng cao tuổi thọ cho hệ thống.
Từ nhu cầu trên, việc thiết kế thuật toán MPPT cải tiến và nghiên cứu chế độ
điều khiển nhiều cấp chiếu sáng của đèn Led là rất cấp thiết, đề tài này cải tiến thuật
toán MPPT trên nền fuzzy giúp hệ thống PV có thể thu đƣợc năng lƣợng cực đại và
đáp ứng tốt hơn khi có sự thay đổi điều kiện của môi trƣờng xung quanh đồng thời
nghiên cứu chế độ điều khiển nhiều cấp chiếu sáng của đèn Led đƣợc đề xuất.
Hiện nay phần mềm MATLAB là một cơng cụ rất mạnh trong việc mơ
phỏng, tính tốn, do đó luận văn đề xuất sử dụng phần mềm MATLAB để hỗ trợ

ỨNG DỤNG NLMT TRONG HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG SỬ DỤNG LED

Trang 2


CBHD: TS. NGUYỄN QUANG NAM
HVTH: HÀ QUANG ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

thực hiện đề tài dựa trên thuật toán điều khiển MPPT nhƣ P&O, fuzzy MPPT,
Modified P&O MPPT và điều khiển nhiều cấp chiếu sáng của đèn Led.
1.2. Mục đích của đề tài.
Từ một mơ hình ứng dụng thực tế của năng lƣợng mặt trời trong hệ thống
chiếu sáng sử dụng Led. Tìm hiểu thuật tốn MPPT từ truyền thống đến thông
minh, bộ biến đổi công suất, bộ thu PV làm cơ sở để cải tiến thuật toán MPPT nhƣ
Modified P&O MPPT, Fuzzy P&O MPPT để thu đƣợc công suất tốt hơn. Sau đó so
sánh kết quả mơ phỏng và thực nghiệm của thuật toán MPPT cải tiến với các thuật
toán MPPT truyền thống trƣớc đó. Tìm hiểu nghiên cứu chế độ điều khiển nhiều
cấp chiếu sáng của đèn Led.
1.3. Nhiệm vụ của đề tài.
-

Tìm hiểu phân tích và nghiên cứu mơ hình ứng dụng năng lƣợng mặt trời trong
chiếu sáng sử dụng đèn Led.

-

Tìm hiểu, mơ phỏng bộ thu PV trên nền MATLAB/Simulink.

-

Tìm hiểu các thuật tốn MPPT từ truyền thống đến nay từ đó làm cơ sở cải tiến
thuật toán MPPT để thu đƣợc kết quả tốt hơn cho hệ thống. Mơ phỏng các thuật
tốn trên nền MATLAB/Simulink hoặc tƣơng đƣơng sau đó so sánh kết quả với
nhau và với các nghiên cứu trƣớc đó.

- Tìm hiểu, mơ phỏng bộ biến đổi DC/DC cho bộ LED’s driver với tính năng có
thể điều khiển nhiều mức cơng suất của Led.
- Viết code và làm mơ hình thực nghiệm để kiểm chứng MPPT cải tiến.
-

Kết luận và rút ra bài học kinh nghiệm

1.4. Phạm vi nghiên cứu.
Với mục đích cải tiến thuật toán MPPT để tăng khả năng đáp ứng và cho thời
gian ổn định sau khi điều kiện môi trƣờng thay đổi là ngắn nhất để thu đƣợc lƣợng
công suất là nhiều nhất. Đồng thời nghiên cứu chế độ sáng nhiều cấp của đèn Led.
Từ đó làm cơ sở ứng dụng vào thực tế cho việc lựa chọn kích thƣớc, công suất của
bộ PV đƣợc phù hợp hơn, tiết kiệm hơn.

ỨNG DỤNG NLMT TRONG HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG SỬ DỤNG LED

Trang 3


CBHD: TS. NGUYỄN QUANG NAM
HVTH: HÀ QUANG ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Do kiến thức và thời gian thực hiện còn hiều hạn chế nên nội dung nghiên
cứu chỉ tập trung vào phần cải tiến thuật toán MPPT và chế độ điều khiển nhiều cấp
chiếu sáng của đèn Led, chƣa xem xét đến hiệu suất của bộ biến đổi công suất
DC/DC và đặc tính nạp của Accu.
1.5. Nội dung đề tài.
Trên cơ sở những mục tiêu và nhiệm vụ đề tài đề ra, đề tài “Ứng dụng năng

lƣợng mặt trời trong hệ thống chiếu sáng sử dụng Led” gồm các nội dung chính nhƣ
sau:
Chƣơng 1: Tổng quan.
Chƣơng 2: Giới thiệu về năng lƣợng mặt trời và các nghiên cứu liên quan.
Chƣơng 3: Hệ thống Pin mặt trời.
Chƣơng 4: Thuật toán MPPT.
Chƣơng 5: Giới thiệu về Fuzzy Logic.
Chƣơng 6: Ứng dụng năng lƣợng mặt trời trong chiếu sáng sử dụng Led.
Chƣơng 7: Kiểm chứng hiệu quả của giải thuật bằng mô phỏng và thực
nghiệm.
Chƣơng 8: Kết luận.
Chƣơng 1 đã giới thiệu tổng quan về mục đích, nhiệm vụ của luận văn cũng
nhƣ phƣơng pháp nghiên cứu và giới hạn. Với nhiệm vụ chính là cải tiến thuật tốn
MPPT để thu đƣợc cơng suất tốt hơn so với các thuật toán truyền thống và tìm hiểu
chế độ điều khiển chiếu sáng nhiều cấp.

ỨNG DỤNG NLMT TRONG HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG SỬ DỤNG LED

Trang 4


CBHD: TS. NGUYỄN QUANG NAM
HVTH: HÀ QUANG ĐIỆN

CHƢƠNG 2.

LUẬN VĂN THẠC SĨ

GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI VÀ
CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN

Nội dung chính chƣơng 2 của luận văn là giới thiệu về năng lƣợng mặt trời
cũng nhƣ tiềm năng và tình hình sử dụng năng lƣợng mặt trời ở Việt Nam và trên
thế giới, đặc biệt là việc ứng dụng năng lƣợng mặt trời trong chiếu sáng công cộng.
Đồng thời tìm hiểu những nghiên cứu trƣớc đây nêu ra những vấn đề còn hạn chế
và hƣớng giải quyết của luận văn.
2.1. Giới thiệu năng lƣợng mặt trời.
Năng lƣợng tái tạo là năng lƣợng từ các nguồn tài nguyên đƣợc bổ sung liên
tục và không bị cạn kiệt, nhƣ năng lƣợng mặt trời, thủy điện, gió, địa nhiệt, đại
dƣơng và sinh học. Đây là một nguồn năng lƣợng sạch, khơng gây ơ nhiễm khơng
khí, và khơng “đóng góp” vào sự nóng lên của khí hậu tồn cầu cũng nhƣ hiệu ứng
nhà kính.
Năng lƣợng tái tạo chính là các nguồn năng lƣợng tự nhiên nên chi phí nhiên
liệu và bảo dƣỡng thấp. Tuy nhiên, một hạn chế chung cho tất cả các nguồn NLTT
là rất khó khăn để sản xuất ra một sản lƣợng điện lớn, đồng thời chi phí đầu tƣ ban
đầu cho hệ thống thƣờng rất lớn do cơng nghệ của chúng hiện nay cịn khá mới.
Có thể thấy, mặt trời là nguồn năng lƣợng phong phú, xanh, sạch, thân thiện
với môi trƣờng. Hiện nay nguồn năng lƣợng này đang đƣợc áp dụng nhiều và ngày
càng phát triển nhƣng vẫn chỉ ở quy mơ nhỏ do vẫn cịn một số hạn chế nhƣ đã phân
tích ở trên. Tuy nhiên chi phí đầu tƣ ban đầu cho hệ thống nguồn năng lƣợng này
đang đƣợc giảm nhanh chóng do cơng nghệ ngày càng phát triển, hiện đại.
Lƣợng bức xạ mặt trời nhận đƣợc phụ thuộc vào vị trí địa lý, càng gần xích
đạo lƣợng bức xạ nhận đƣợc lớn hơn. Hệ thống bám theo giúp khai thác năng lƣợng
mặt trời nơi có vị trí địa lý xa đƣờng xích đạo.
Năng lƣợng thu đƣợc từ mặt trời có thể là nhiệt năng hoặc điện năng.
Chuyển đổi trực tiếp ánh sáng mặt trời sang điện năng bằng bộ thu PV. Năng lƣợng
nhiệt thu đƣợc bằng hệ thống tập trung năng lƣợng mặt trời.

ỨNG DỤNG NLMT TRONG HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG SỬ DỤNG LED

Trang 5


CBHD: TS. NGUYỄN QUANG NAM
HVTH: HÀ QUANG ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Bộ thu PV là thiết bị chuyển đổi ánh sáng sang dòng điện nhờ vào hiệu ứng
quang điện. Minh họa sơ đồ cấp điện cho đèn chiếu sáng sử dụng bộ thu PV nhƣ
hình 2.1.

Hình 2.1: Bộ thu PV được sử dụng cấp điện cho chiếu sáng.
2.2. Tình hình sử dụng năng lƣợng mặt trời trên thế giới.
Số lƣợng PV lắp đặt trên tồn cầu khơng ngừng tăng lên mỗ năm từ 1990
đến 2016. Trong 2015, dung lƣợng dự án lắp đặt 55,000MW. Dữ liệu từ EPIA
(European Photovoltaic Industry Association).

Hình 2.2: Sự tăng trưởng tổng điện năng mặt trời theo các năm.

ỨNG DỤNG NLMT TRONG HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG SỬ DỤNG LED

Trang 6


CBHD: TS. NGUYỄN QUANG NAM
HVTH: HÀ QUANG ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hình 2.3: Tình hình xây dựng các nhà máy điện mặt trời trong từ năm 2001-2015.
Nhƣ hình 2.2 và hình 2.3, tổng dung lƣợng năng lƣợng đang đƣợc sử dụng
trên toàn cầu tăng lên mỗi năm gần nhƣ là hàm mũ.
2.3. Tình hình năng lƣợng mặt trời tại Việt Nam.
2.3.1. Tiềm năng năng lƣợng mặt trời.
Việt Nam nằm trong vành đai nhiệt đới có vĩ độ từ 8 đến 23 độ Bắc nên có
năng lƣợng bức xạ mặt trời (NLMT) khá lớn. Tuy nhiên tuỳ thuộc vào điều kiện tự
nhiên mà NLMT có sự biến đổi từ vùng này sang vùng khác.
Vùng Đông Bắc là khu vực chịu ảnh hƣởng mạnh nhất của gió mùa Đơng Bắc
lạnh và ẩm nên NLMT thấp nhất cả nƣớc. Mật độ NLMT biến đổi trong khoảng từ
250 đến 400 cal/cm2. ngày. Số giờ nắng trung bình cả năm trong khoảng 1600 đến
1900 giờ.
Vùng Tây Bắc gồm các tỉnh Lai Châu, Sơn La, Lào Cai,... và vùng Bắc Trung
Bộ có NLMT khá lớn. Mật độ NLMT biến đổi trong khoảng từ 300 đến 500
cal/cm2.ngày. Số giờ nắng trung bình cả năm khoảng 1800 đến 2100 giờ.

ỨNG DỤNG NLMT TRONG HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG SỬ DỤNG LED

Trang 7


CBHD: TS. NGUYỄN QUANG NAM
HVTH: HÀ QUANG ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Đặc điểm chung của bức xạ mặt trời ở miền Bắc là có sự thay đổi rất rõ rệt
giữa mùa Đông (tháng 12, 1, 2) và mùa Hè (tháng 5, 6, 7, 8). NLMT về mùa hè nói
chung lớn gấp 1,5 đến 2 lần so với mùa Đông.
Từ Đà nẵng trở vào NLMT rất tốt và phân bố tƣơng đối điều hoà trong suốt cả

năm. Mật độ NLMT biến đổi trong khoảng từ 350 đến 500 cal/cm2.ngày. Số giờ
nắng trung bình cả năm trong khoảng 2000 đến 2600 giờ. Đây là khu vực ứng dụng
NLMT rất hiệu quả [5].
Bảng 3.1: Tiềm năng mật độ NLMT trung bình năm và số giờ nắng theo tiểu
khu vực (Nguồn VNL).

Số tt

Khu vực

NLMT trung bình

Số giờ nắng trung

năm

bình năm

(kcal/cm2.năm)

(giờ/năm)

1

Đơng Bắc Bộ

100 -125

1500 –1700

2

Tây Bắc Bộ

125 –150

1750 –1900

3

Bắc Trung Bộ

140 –160

1700 –2000

4

Nam Trung Bộ và Tây Nguyên

150 –175

2000 –2600

5

Nam Bộ

130 –150

2200 –2500

Trung bình cả nƣớc

130 -152

1830 -2450

Nhận xét:
 Khu vực Đơng Bắc Bộ có NLMT thấp nhất do ảnh hƣởng của gió mùa
Đơng Bắc vào mùa đông.
 Khu vực Nam Bộ, từ Đà Nẵng trở vào, bức xạ mặt trời và số giờ nắng cao
hơn.
 Nhìn chung Việt Nam có thể đƣợc xem là quốc gia có nhiều tiềm năng về
năng lƣợng mặt trời. Nguồn năng lƣợng này dồi dào có thể so sánh với

ỨNG DỤNG NLMT TRONG HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG SỬ DỤNG LED

Trang 8


CBHD: TS. NGUYỄN QUANG NAM
HVTH: HÀ QUANG ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

những quốc gia nhƣ Ý, Tây Ban Nha, và California hay Trung Quốc hoặc
Thái Lan.

Hình 2.4: Bản đồ mức bức xạ trung bình/ngày.

2.3.2. Triển vọng năng lƣợng mặt trời tại Việt Nam.
Ở Việt Nam, với sự hỗ trợ của nhà nƣớc (các bộ, ngành) và một số tổ chức
quốc tế đã thực hiện thành công việc xây dựng các trạm pin mặt trời có cơng suất
khác nhau phục vụ nhu cầu sinh hoạt và văn hóa của các địa phƣơng vùng sâu, vùng
xa, các cơng trình nằm trong khu vực khơng có lƣới điện. Tuy nhiên hiện nay pin
mặt trời vẫn đang cịn là món hàng xa xỉ đối với các nƣớc cịn đang gặp nhiều khó
khăn nhƣ nƣớc ta.
Đi đầu trong việc phát triển ứng dụng này là ngành bƣu chính viễn thơng.
Các trạm pin mặt trời phát điện sử dụng làm nguồn cấp điện cho các thiết bị thu
phát sóng của các bƣu điện lớn, trạm thu phát truyền hình thơng qua vệ tinh. Ở
ngành bảo đảm hàng hải, các trạm pin mặt trời phát điện sử dụng làm nguồn cấp

ỨNG DỤNG NLMT TRONG HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG SỬ DỤNG LED

Trang 9