Thiết kế bộ điều khiển MPPT sử dụng phương pháp tìm kiếm trực tiếp cho hệ Pin quang điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

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

NGUYỄN THỊ BÍCH LIÊN

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MPPT SỬ DỤNG
PHƯƠNG PHÁP TÌM KIẾM TRỰC TIẾP CHO
HỆ PIN QUANG ĐIỆN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

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

NGUYỄN THỊ BÍCH LIÊN

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MPPT SỬ DỤNG
PHƯƠNG PHÁP TÌM KIẾM TRỰC TIẾP CHO
HỆ PIN QUANG ĐIỆN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. HUỲNH QUANG MINH

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2016


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ TP. HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. Huỳnh Quang Minh

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM
ngày 25 tháng 09 năm 2016.
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

TT

Họ và tên

Chức danh Hội đồng

1

PGS.TS. Võ Ngọc Điều

2

PGS.TS. Nguyễn Thanh Phương

Phản biện 1

3

PGS.TS. Trần Thu Hà

Phản biện 2

4

TS. Nguyễn Minh Tâm

Ủy viên

5

TS. Đinh Hoàng Bách.

Chủ tịch

Ủy viên, Thư ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được
sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV


TRƯỜNG ĐH CƠNG NGHỆ TP. HCM

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHÒNG QLKH – ĐTSĐH

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

TP. HCM, ngày 23 tháng 01 năm 2016

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên

: NGUYỄN THỊ BÍCH LIÊN

Ngày, tháng, năm sinh : 29/10/1981
Chuyên ngành
I.

Phái

: NỮ

Nơi sinh : Ninh Bình

: Kỹ Thuật Điện

MSHV

: 1441830047

Tên đề tài:

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MPPT SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP TÌM KIẾM
TRỰC TIẾP CHO HỆ PIN QUANG ĐIỆN
II.

Nhiệm vụ và nội dung:

+ Mơ hình hóa hệ thống Pin quang điện trên Matlab/Simulink. Khảo sát đặc tính
điện như dịng điện, điện áp, công suất của Pin quang điện khi thay đổi điều kiện
môi trường như bức xạ, nhiệt độ.
+ Mô phỏng hệ thống tìm điểm MPP với giải thuật P&O (Perturb and Observe).
+ Mơ phỏng hệ thống tìm điểm MPP với giải thuật Incond (Increamental
Conductance).
III. Ngày giao nhiệm vụ

: 23/01/2016

IV. Ngày hoàn thành nhiệm vụ

: 20/07/2016

V. Cán bộ hướng dẫn

: TS. Huỳnh Quang Minh

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam kết các nội dung lý thuyết trình bày trong luận văn này là do tơi
tham khảo các tài liệu và biên soạn lại, tất cả các kết quả mơ phỏng, thực nghiệm
đều do chính bản thân tơi tự làm ra, hồn tồn khơng phải sao chép của từ bất kỳ

một tài liệu hoặc cơng trình nghiên cứu nào khác.
Nếu tôi không thực hiện đúng các cam kết nêu trên, tơi xin chịu hồn tồn
trách nhiệm trước kỷ luật của nhà trường.

Tác giả

Nguyễn Thị Bích Liên


ii

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin gửi đến thầy TS. Huỳnh Quang Minh lời biết ơn sâu sắc vì đã dành
thời gian quý báu để hướng dẫn, tạo điều kiện thuận lợi cũng như cho tơi những lời
khun bổ ích để hồn thành luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn tất cả các Thầy, Cơ trong Phịng Thí Nghiệm
Nghiên Cứu Điện Tử Công Suất đã giúp đỡ và đồng hành cùng tơi trong thời gian
thực hiện luận văn.
Ngồi ra, trong suốt thời gian học tập tại trường đại học Công Nghệ TP.
HCM, tôi đã được các Thầy Cô khoa Điện – Điện tử, và đặc biệt là các Thầy Cô bộ
môn Kỹ thuật điện giảng dạy tận tình, cho tơi nhiều kiến thức mới bổ ích, bên cạnh
đó tơi cũng được các đồng nghiệp đóng góp nhiều ý kiến cũng như các tài liệu có
giá trị. Xin gửi đến các Thầy, Cô và các bạn lời cảm ơn chân thành nhất.
Cuối cùng, tôi xin cám ơn Cha Mẹ, các anh chị em trong gia đình và đặc biệt
là người chồng của tôi, đã động viên và tạo điều kiện giúp tôi vượt qua những khó
khăn trong suốt q trình học tập và nghiên cứu vừa qua.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 07 năm 2016

Nguyễn Thị Bích Liên

iii

TÓM TẮT
Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch, hồn tồn miễn phí và khơng
gây ơ nhiễm mơi trường. Việc nghiên cứu hệ thống điện mặt trời có ý nghĩa rất
quan trọng, góp phần khai thác triệt để nguồn năng lượng tự nhiên trong khi các
nguồn năng lượng truyền thống đang ngày càng cạn kiệt
Luận văn tập trung nghiên cứu và mơ phỏng hai giải thuật tìm điểm cơng
suất cực đại của Pin quang điện (MPPT) đáp ứng trong các điều kiện thay đổi của
môi trường như bức xạ, nhiệt độ. Đó là phương pháp nhiễu loạn và quan sát Perturb and Observer (P&O), điện dẫn gia tăng - Increamental Conductance
(Incond).
Luận văn sử dụng phần mềm Matlab/Simulink thực hiện các mơ hình mơ
phỏng để kiểm chứng lý thuyết của đề tài, mơ hình mơ phỏng được xây dựng bằng
hàm truyền, phương trình trạng thái mơ hình hóa của hệ thống cũng như là mô
phỏng hệ thống thực sử dụng Sim Power system.


iv

ABSTRACT
Solar energy is a clean energy source, it is free and do not make polluted
environment. The study of the solar energy system is very important, contributing to
exploit the natural energy sources while the traditional energy sources are
exhaustible.
The thesis focus on two algorithms to find the maximum power point of the
photovoltaic. Those are Perturb and Observer (P&O) and Increamental conductance
(Incond) methods.
The thesis use the Matlab / Simulink software to implement the simulation
model to verify the theory of the subject, the simulation model is built in the

transfer function, the equation state of the modeling system. Sim Power library of
Matlab is also used in this thesis.


v
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................ii
TÓM TẮT ................................................................................................................. iii
ABSTRACT ............................................................................................................... iv
MỤC LỤC ................................................................................................................... v
DANH MỤC HÌNH ẢNH ........................................................................................vii
CHƯƠNG 1: TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI.................................................... 1
1.1 Phạm vi nghiên cứu luận văn ...................................................................... 3
1.2 Sản phẩm của luận văn ............................................................................... 3
CHƯƠNG 2: TỔNG QUÁT VỀ HỆ THỐNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG
MẶT TRỜI ................................................................................................................ 4
2.1Nguồn năng lượng Mặt Trời ......................................................................... 4
2.1.1Phổ của Mặt Trời ................................................................................... 4
2.1.2 Định nghĩa tỷ số AM ............................................................................ 6
2.1.3

Các dạng bức xạ thu được ................................................................. 8

2.2 Sơ lược lịch sử Pin Quang điện ................................................................... 9
2.3Cơ bản về bán dẫn ...................................................................................... 10
2.3.1 Dải năng lượng ................................................................................... 11
2.3.2 Hiệu suất của Vật liệu Quang điện ..................................................... 13
2.3.3 Cấu trúc P-N cho PV .......................................................................... 14
2.3.4 Công nghệ chế tạo PV ....................................................................... 16

2.4 Hệ thống PV .............................................................................................. 17
2.4.1 Hệ thống PV độc lập........................................................................... 17
2.4.2 Hệ thống PV kết hợp .......................................................................... 18
2.4.3 Hệ thống PV nối lưới .......................................................................... 18
CHƯƠNG 3: MƠ HÌNH HĨA PV ........................................................................ 20
3.1 Đặc tuyến và thơng số cơ bản của PV ....................................................... 20
3.2 Phương trình tốn của PV.......................................................................... 22
CHƯƠNG 4: CÁC GIẢI THUẬT TRUY TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI25
4.1 Giới thiệu về đặc tuyến tải ......................................................................... 25


vi
4.2 Điểm cơng suất cực đại ............................................................................. 26
4.2.1 Mục đích của MPPT ........................................................................... 26
4.2.2 Bộ Buck-Boost ................................................................................... 27
4.3 Giới thiệu các giải thuật của MPPT........................................................... 29
4.3.1 Phương pháp nhiễu loạn và quan sát (Perturbation And Observe P&O) ................................................................................................................. 29
4.3.2 Phương pháp độ dẫn (Incremental Conductance-IncCond) ............... 31
CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG..................................................................................... 34
5.1 Mơ hình mơ phỏng MPP trong Matlab Simulink ...................................... 34
5.2 Mơ hình hóa và mơ phỏng PV ................................................................... 40
5.3 Kết quả mô phỏng của phương pháp P&O ................................................ 45
5.4 Kết quả mô phỏng của phương pháp InCond ............................................ 50
5.5 So sánh P&O và InCond ............................................................................ 54
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ..................................... 57
6.1 Ưu điểm của năng lượng mặt trời:............. Error! Bookmark not defined.
6. 2 Nhược điểm của năng lượng mặt trời ....... Error! Bookmark not defined.
6. 3 Hướng phát triển: ...................................................................................... 59
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 60

vii

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2. 1 Phổ của vật thể đen ..................................................................................... 5
Hình 2. 2 Phổ của mặt trời ngồi khí quyển ............................................................... 6
Hình 2. 3 Tỷ số AM .................................................................................................... 7
Hình 2. 4 Phổ của mặt trời theo AM khác nhau.......................................................... 7
Hình 2. 5 Bức xạ trực tiếp ........................................................................................... 8
Hình 2. 6 Tán xạ .......................................................................................................... 8
Hình 2. 7 Phản xạ ........................................................................................................ 9
Hình 2. 8 Nguyên tử Silic ......................................................................................... 11
Hình 2. 9 Dải năng lượng .......................................................................................... 11
Hình 2. 10 Vùng năng lượng có ích và hao phí ........................................................ 13
Hình 2. 11 Phổ năng lượng có ích và hao phí ........................................................... 13
Hình 2. 12 Ngun tử hóa trị 5 ................................................................................. 14
Hình 2. 13 Ngun tử hóa trị 3 ................................................................................. 15
Hình 2. 14 Tiếp xúc P-N ........................................................................................... 15
Hình 2. 15 Mẫu PV ................................................................................................... 16
Hình 2. 16 Hướng chế tạo PV ................................................................................... 16
Hình 2. 17 Bảng tuần hồn ........................................................................................ 17
Hình 2. 18 Hệ thống độc lập ..................................................................................... 18
Hình 2. 19 Hệ thống kết hợp ..................................................................................... 18
Hình 2. 20 Hệ thống kết lưới..................................................................................... 19
Hình 3. 1.Mơ hình PV ............................................................................................... 20
Hình 3. 2 Đặc tuyến PV ............................................................................................ 20
Hình 3. 3 Thơng số cơ bản PV .................................................................................. 21
Hình 3. 4 Hệ số lấp đầy ............................................................................................. 21
Hình 3. 5 Mơ hình 1 diode ....................................................................................... 22
Hình 3. 6 Mơ hình 2 diode ........................................................................................ 22

Hình 3. 7 Mơ hình 1 diode đơn giản ......................................................................... 22
Hình 3. 8 Datasheet solartech.................................................................................... 24
Hình 3. 9 Hệ số nhiệt K0 ........................................................................................... 24
Hình 4. 1 Điểm hoạt động của tải ............................................................................. 25


viii
Hình 4. 2 Đặc tuyến điện trở ..................................................................................... 25
Hình 4. 3 Đặc tuyến trở khi thay đổi bức xạ ............................................................. 26
Hình 4. 4 Buck-Boost ................................................................................................ 26
Hình 4. 5 Mạch điện Buck-Boost .............................................................................. 27
Hình 4. 6 Giản đồ hoạt động ..................................................................................... 28
Hình 4. 7 Cách thay đổi đặc tuyến bộ Buck-Boost ................................................... 29
Hình 4. 8 Cách thực hiện P&O ................................................................................. 30
Hình 4. 9 Nguyên lý thực hiện thuật toán P&O ........................................................ 30
Hình 4. 10 Lưu đồ P&O ............................................................................................ 31
Hình 5. 1 Sơ đồ tổng quát hệ thống tìm MPP trong Matlab Simulink...................... 34
Hình 5. 2 Sơ đồ chi tiết triển khai giải thuật P&O và InCond .................................. 35
Hình 5. 3 Mơ hình hóa PV BX1 ................................................................................ 35
Hình 5. 7 Mơ hình trên Simulink .............................................................................. 40
Hình 5. 8 Đặc tuyến V-I khi nhiệt độ thay đổi, bức xạ khơng đổi ............................ 41
Hình 5. 9 Đặc tuyến P-V khi nhiệt độ thay đổi, bức xạ khơng đổi ........................... 41
Hình 5. 10 Đặc tuyến P-I khi nhiệt độ thay đổi, bức xạ không đổi .......................... 42
Hình 5. 11 Đặc tuyến V-I khi bức xạ thay đổi, nhiệt độ khơng đổi .......................... 43
Hình 5. 12 Đặc tuyến P-V khi bức xạ thay đổi, nhiệt độ khơng đổi ......................... 43
Hình 5. 13 Đặc tuyến P-I khi bức xạ thay đổi, nhiệt độ khơng đổi .......................... 44
Hình 5. 14 Điện áp PV tại MPP khi bức xạ thay đổi theo P&O ............................... 45
Hình 5. 15 Dịng điện PV tại MPP khi bức xạ thay đổi theo P&O ........................... 45
Hình 5. 16 Cơng suất PV tại MPP khi bức xạ thay đổi theo P&O ........................... 46
Hình 5. 17 Điện áp PV tại MPP khi nhiệt độ thay đổi theo P&O ............................. 47

Hình 5. 18 Dịng điện PV tại MPP khi nhiệt độ thay đổi theo P&O ........................ 48
Hình 5. 19 Công suất PV tại MPP khi nhiệt độ thay đổi theo P&O ......................... 48
Hình 5. 20 Đáp ứng dịng điện, điện áp, cơng suất của PV khi cả nhiệt độ và bức xạ
thay đổi theo P&O ..................................................................................................... 49
Hình 5. 21 Điện áp PV tại MPP khi bức xạ thay đổi theo InCond ........................... 50
Hình 5. 22 Dịng điện PV tại MPP khi bức xạ thay đổi theo InCond ....................... 50
Hình 5. 23 Cơng suất PV tại MPP khi bức xạ thay đổi theo InCond ........................ 51
Hình 5. 24 Điện áp PV tại MPP khi nhiệt độ thay đổi theo InCond ......................... 52


ix
Hình 5. 25 Dịng điện PV tại MPP khi nhiệt độ thay đổi theo InCond ..................... 52
Hình 5. 26 Cơng suất PV tại MPP khi nhiệt độ thay đổi theo Incond ...................... 53
Hình 5. 28 So sánh InCond và P&O khi bức xạ thay đổi, nhiệt độ không đổi ........ 54
Hình 5. 29 So sánh InCond và PO khi bức xạ không đổi, nhiệt độ thay đổi ............ 55


1

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Ngày nay, tình hình dân số và nền công nghiệp phát triển không ngừng. Điều
này càng thể hiện rõ vai trò quan trọng của ngành năng lượng và trở thành yếu tố
không thể thiếu trong cuộc sống, hai lý do chính khiến nhu cầu sử dụng năng
lượng gia tăng đó là sự phát triển kinh tế và sự phát triển dân số. Sự phát triển
này gắn liền với sự phát triển sử dụng năng lượng hay nói cách khác muốn phát
triển kinh tế phải phát triển năng lượng.
Vấn đề năng lượng hiện nay đang là chủ đề nóng và được cả thế giới quan
tâm, các nhà nghiên cứu nhận định rằng thị trường tiêu thụ năng lượng ở các
quốc gia trên thế giới không ngừng tăng đặc biệt là ở Bắc Mỹ, Châu Á, Châu
Âu. Khi nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng gia tăng thì việc khai thác các

nguồn năng lượng truyền thống khơng còn đáp ứng được do nguồn năng lượng
ngày càng cạn kiệt, gây ơ nhiễm mơi trường, hiệu ứng nhà kính và biến đổi khí
hậu và sự nóng lên của trái đất cùng hiện tượng băng tan v..v..Hiểu được tầm
quan trọng đó, chúng ta đang tìm kiếm những nguồn năng lượng mới như năng
lượng hạt nhân, năng lượng gió, năng lượng sinh học, năng lượng thủy triều,
năng lượng mặt trời. Theo tính tốn và đánh giá của các nhà khoa học khi
nghiên cứu về các nguồn năng lượng trên thì thấy nguồn năng lượng mặt trời có
ưu điểm hơn cả. Tuy nhiên quá trình thu được lượng ánh sáng chiếu vào tấm pin
quang điện và chuyển đổi được thành điện năng đạt được hiệu suất rất thấp,
khoảng 9% đến 17%. Đặc biệt là trong các điều kiện bức xạ thấp, bóng râm, độ
ẩm, khoảng cách hay nhiệt độ thay đổi liên tục Vì vậy việc nghiên cứu các giải
pháp để nâng cao hiệu quả của hệ thống điện năng lương mặt trời là hết sức cần
thiết và cấp bách. Có rất nhiều các phương pháp và giải thuật đang được nghiên
cứu và áp dụng vào thực tiễn như giải thuật nhiễu loạn và quan sát(P&O), giải
thuật điện dẫn gia tăng(INC), giải thuật mạng nơron nhân tạo, giải thuật logic
mờ v..v…Trong các giải thuật vừa nêu trên, tác giả chọn lựa hai giải thuật nhiễu
loạn và quan sát P&O và giải thuật điện dẫn gia tăng INC để trình bày và mơ
phỏng 2 giải thuật trên phần mềm matlb Similink.


2

CHƯƠNG 1: TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Các nguồn năng lượng truyền thống như dầu mỏ, than đá… đang dần cạn
kiệt và vấn đề bức thiết đặt ra cho các nhà khoa học trên tồn thế giới đó chính là
tìm ra các nguồn năng lượng thay thế. Trong nhiều nguồn năng lượng mới, năng
lượng mặt trời đóng một vai trị quan trọng và được sự quan tâm của nhiều nhà khoa
học.
Tiếp cận được nguồn năng lượng mặt trời không chỉ góp phần giải quyết vấn
đề cung cấp điện năng, mà nguồn năng lượng này còn là một nguồn năng lượng

sạch, không gây ô nhiễm môi trường. Trong tất cả các nguồn năng lượng tái tạo,
năng lượng mặt trời là phong phú và ít biến đổi nhất trong thời kỳ biến đổi khí hậu
hiện nay.
cThuận lợi tại Việt Nam: là một trong những nước nằm trong dải phân bổ
ánh nắng mặt trời nhiều nhất trong năm trên bản đồ bức xạ mặt trời của thế giới cho
nên nguồn năng lượng mặt trời ở Việt Nam rất phong phú.
Việt Nam có nhiều đảo hiện có cư dân sinh sống nhưng nhiều nơi không thể
đưa điện lưới đến được. Sử dụng được nguồn năng lượng mặt trời sẽ có ý nghĩa như
“nguồn năng lượng tại chỗ” đáp ứng nhu cầu tiêu thụ điện của cư dân những vùng
này. Như vậy, yêu cầu sử dụng được nguồn năng lượng mặt trời ở Việt Nam còn
mang ý nghĩa kinh tế, xã hội, quốc phòng.
Tuy nhiên, tình hình nghiên cứu và ứng dụng năng lượng mặt trời ở Việt
Nam cho đến nay vẫn chưa phát triển đủ để đáp ứng nhu cầu, thực trạng đó địi hỏi
phải có các nghiên cứu cụ thể nhằm chế tạo được các bộ nghịch lưu pin mặt trời tạo
thành nguồn điện có khả năng ứng dụng được trong dân dụng cũng như trong công
nghiệp. Các bộ nghịch lưu này phải đảm bảo chất lượng điện áp, tính ổn định và giá
thành hợp lý.
Năng lượng điện tạo ra bởi các tấm pin mặt trời là năng lượng điện 1 chiều
(DC), để sử dụng được (trong cơng nghiệp, dân dụng, hồ lưới điện), nó phải được
chuyển đổi thành năng lượng điện xoay chiều AC. Sự chuyển đổi đó được thực hiện
bởi các bộ nghịch lưu – inverter.


3
Thông thường, điện áp ngõ ra của các tấm pin mặt trời chưa đủ để đưa vào
bộ DC-AC (hoặc do nhu cầu muốn tăng hiệu suất của các bộ biến đổi công suất),
giữa pin mặt trời và tầng chuyển đổi DC/AC, thường có thêm một bộ biến đổi cơng
suất dạng DC/DC, tăng hoặc giảm áp (Boost/Buck).
Tuy nhiên, công suất của pin mặt trời là một đại lượng biến thiên liên tục và
phụ thuộc nhiều yếu tố môi trường như bức xạ mặt trời, nhiệt độ, bóng râm,…

khiến cho ngõ ra thường không ổn định và không tận dụng được công suất tối đa.
Do đó, trong bài tốn năng lượng mặt trời, làm sao để sử dụng công suất pin mặt
trời hiệu quả nhất, hay nói cách khác là làm sao để làm việc ở điểm công suất cực
đại MPP (Maximum power point) là một vấn đề hết sức quan trọng. Có rất nhiều kĩ
thuật tối ưu điểm cơng suất cực đại, những kĩ thuật này còn đang được tiếp tục
nghiên cứu và phát triển.
1.1 Phạm vi nghiên cứu luận văn
Luận văn tập trung nghiên cứu mơ phỏng mơ hình hóa Pin quang điện trên
phần mềm Matlab Simulink, khảo sát các đặc tính của Pin như dịng điện, điện áp
và cơng suất khi thay đổi các điều kiện môi trường như bức xạ, nhiệt độ, tải.
Tìm hiểu và phân tích hai giải thuật tìm điểm cơng suất cực đại là P&O và
Incond. Đưa ra các kết luận về ưu nhược điểm của hai phương pháp trên.
1.2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài:
Nghiên cứu mô phỏng bộ điều khiển công suất cực đại MPPT ( Maximum
power Point Tracker ) sử dụng phương pháp tìm kiếm trực tiếp cho hệ Pin quang
điện.
Nội dung thực hiện:
Đề xuất hai giải thuật tìm điểm cơng suất cực đại của Pin Quang điện bao gồm:


Perturb and Oberser (P&O): Phương pháp nhiễu loạn và quan sát



Increamental Conductance (Incond): Phương pháp điện dẫn gia tăng

Khảo sát mơ hình mơ phỏng đặc tính Pin Quang Điện và mơ hình tốn tìm điểm
cơng suất cực đại sử dụng trên phần mềm Matlab Simulink

4

CHƯƠNG 2: TỔNG QUÁT VỀ HỆ THỐNG SỬ DỤNG
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
2.1
2.1.1

Nguồn năng lượng Mặt Trời
Phổ của Mặt Trời

Mặt trời là một nguồn sáng khổng lồ với đường kính 1.4 triệu km. Bên trong mặt
trời, các phản ứng hạt nhân biến đổi hydro thành heli liên tục diễn ra. Sự hao hụt
khối lượng do phản ứng hạt nhân này sinh ra nguồn năng lượng điện từ khoảng
3.8x1020 MW và bức xạ ra ngồi khơng gian. Năng lượng bức xạ của một vật thể là
hàm số phụ thuộc vào nhiệt độ. Để mô tả độ bức xạ của một đối tượng, người ta
thường dùng một khái niệm lý thuyết để so sánh, gọi là vật thể đen (blackbody).
Phương trình bức xạ của vật thể đen được cho bởi định luật Planck:

(2.1)
Trong đó:
E: Cơng suất bức xạ trên một đơn vị diện tích (của vật thể đen) trong đoạn vi
phân bước sóng (Wm-2( m)-1).
T : nhiệt độ tuyệt đối của vật thể đen (K).

 : bước sóng ( m).
Ví dụ: Nếu xem trái đất tương đồng với một vật thể đen có nhiệt độ 288 K
(15oC), thì phổ năng lượng bức xạ của trái đất theo định luật Planck giống như hình
2.1

5

Hình 2. 1 Phổ của vật thể đen
Diện tích của đồ thị trên ở giữa 2 giá trị bước sóng bất kỳ chính là cơng suất bức
xạ của vật thể trong khoảng bước sóng đó. Nếu lấy tích phân đồ thị trên từ 0 đến vơ
cùng chính là tổng cơng suất bức xạ của vật thể.
Tổng công suất bức xạ của một vật thể đen (trên toàn bề mặt) được cho bởi định
luật Stefan- Boltzmann:
(2.2)
Trong đó:
E: cơng suất bức xạ tổng (W)

:: hằng số Stefan-Boltzmann = 5.67e8 Wm-2K-4. T : nhiệt độ tuyệt đối (K).
A : diện tích bề mặt của vật thể đen (m2).
Đường cong phổ bức xạ có giá trị cực đại ở bước sóng được xác định bởi cơng
thức
(2.3)

Trong lịng mặt trời có nhiệt độ khoảng 15 triệu Kelvin, nhưng bức xạ từ bề mặt
của mặt trời tương đồng với vật thể đen có nhiệt độ 5800 K. Hình 2.2 diễn tả phổ
bức xạ của mặt trời và phổ bức xạ của vật thể đen 5800 K. Cơng suất bức xạ của vật
thể đen 5800 K (tồn bộ diện tích của đường cong) là 1.37 kW/m2, bằng với công


6
suất bức xạ tổng của mặt trời ở ngồi khí quyển trái đất. Công suất bức xạ tổng của
mặt trời được phân tỷ lệ như sau: những bước sóng dưới tia cực tím (UltraVioletUV) chiếm 7%, trong vùng khả kiến chiếm 47%, từ vùng hồng ngoại (Infrared-IR)
trở lên chiếm 46%. Nhắc lại về bước sóng trong vùng khả kiến có tầm từ 0.38  m
đến 0.78 m.

Hình 2. 2 Phổ của mặt trời ngồi khí quyển
Khi bức xạ mặt trời đi vào khí quyển cúa trái đất sẽ bị hấp thu bởi nhiều thành
phần. Do đó, đường cong phổ bức xạ của mặt trời nhận được trên mặt đất bị méo
dạng nhiều so với ngồi khơng gian. Phổ bức xạ nhận được trên mặt đất cịn phụ
thuộc vào góc chiếu của mặt trời so với bề mặt trái đất, được phản ánh theo tỷ số
AM.
2.1.2

Định nghĩa tỷ số AM

Với mỗi góc chiếu khác nhau của mặt trời so với mặt đất thì qng đường của
tia sáng xun qua khí quyển sẽ khác nhau. Nếu định nghĩa:
h1: quảng đường ngắn nhất xun qua khí quyển (tia sáng vng với mặt đất)
h2: quảng đường thực mà tia sáng xuyên qua khí quyển thì tỷ số AM (Air Mass
ratio) được tính:
(2.4)


7

Hình 2. 3 Tỷ số AM
Tỷ số AM1 (

tương ứng với tia sáng chiếu trực tiếp vng góc với

mặt đất. AM0 tương ứng với phổ bức xạ ở ngồi khí quyển. Thông thường, AM1.5
được xem là phổ bức xạ trung bình trên mặt đất. Cơng suất bức xạ tổng ứng với
AM1.5 được phân tỷ lệ như sau: những bước sóng dưới UV chiếm 2%, trong vùng
khả kiến chiếm 54%, từ vùng IR trở lên chiếm 44%.

Phổ công suất của mặt trời

theo tỷ số AM được diễn tả trong hình 2.4. Đường cong có khuynh hướng giảm lại
và dịch chuyển về phía bước sóng lớn khi AM tăng lên.

Hình 2. 4 Phổ của mặt trời theo AM khác nhau


8
2.1.3

Các dạng bức xạ thu được

Khi luồng ánh sáng xuyên qua bầu khí quyển sẽ bị phân thành 3 thành phần
chính soi vào vật thể. 3 thành phần đó bao gồm: những tia sáng trực tiếp (đi xuyên
thẳng qua bầu khí quyển), tán xạ do thành phần tạp chất trong bầu khí quyển, phản
xạ từ các bề mặt khác nhau.
Bức xạ trực tiếp:
Như mơ tả trong hình 2.5, nếu bức xạ từ mặt trời đi tới vật thu là IB thì bức
xạ mà vật thu thu được IBC tính bới cơng thức:
IBC  IBcos

(2.5)

Hình 2. 5 Bức xạ trực tiếp
Tán xạ:
Rất khó để có thể ước lượng chính xác lượng tán xạ đến vật thu. Tán xạ gây ra
do nhiều thành phần tạp chất trong khí quyển. Khi tia sáng đi vào khí quyển, sẽ bị
phân ra do bụi, hơi nước lơ lửng, có khi là những đám mây. Những tạp chất này
không chỉ tác động đến tia sáng đi trực tiếp vào khí quyển, mà cịn tác động đến cả

những tia sáng do phản xạ từ những bề mặt khác vào khí quyển.

Hình 2. 6 Tán xạ
Dựa theo mơ hình đơn giản được phát triển bởi Threlkeld và Jordan (1958), độ
bức xạ do tán xạ có thể thiết lập theo độ bức xạ trực tiếp:


9
IDH  CIB

(2.6)

Trong đó:
IDH : tán xạ nhận được ở bề mặt ngang (Diffuse Horizontal surface)
IB : bức xạ trực tiếp
C : hệ số tán xạ của bầu trời, giá trị này thay đổi hàng ngày và được tính dựa
theo số liệu thực nghiệm.
Phản xạ:
Phản xạ sinh ra do những bề mặt đặt trước tấm thu như mặt nước, mặt
tuyết… Trong những ngày nắng tốt và xung quanh tấm thu có nhiều bề mặt phản
chiếu thì việc tính đến phản xạ là cần thiết. Cách đơn giản để tính độ phản xạ dựa
vào hệ số phản xạ của bề mặt trước tấm thu và góc đặt của tấm thu:
(2.7)
Trong đó:
IRC : phản xạ nhận được của tấm thu
IBH , IDH : lần lượt là bức xạ trực tiếp và tán xạ chiếu vào bề mặt ngang
 : góc đặt tấm thu

Hình 2. 7 Phản xạ
2.2

Sơ lược lịch sử Pin Quang điện

Lịch sử hình thành pin mặt trời (Photovoltaic-PV) bắt đầu từ năm 1839, nhà vật
lý 19 tuổi người Pháp, Edmund Becquerel, đã tạo ra hiệu điện thế bằng cách chiếu
sáng. Ông chiếu ánh sáng vào tấm điện cực kim loại nằm trong dung dịch điện phân
yếu. Suốt 40 năm sau đó, Adams và Day là những người đầu tiên nghiên cứu về pin


10
mặt trời ở dạng rắn. Họ có thể tạo được những cell pin đầu tiên từ selenium với hiệu
suất 1 đến 2 %. Những cell pin này sau đó lại được dùng nhiều trong ngành nhiếp
ảnh để đo cường độ sáng.
Trong những năm đầu của ngành vật lý lượng tử, vào năm 1904, nhà vật lý vĩ
đại Albert Einsteins đã công bố những nghiên cứu về hiệu ứng của vật chất quang
điện. Dựa vào việc lượng tử hóa năng lượng của photon, ơng đã giải thích được việc
phát sinh dịng điện khi chiếu sáng vào vật chất quang điện. Cùng thời gian đó, nhà
khoa học người Ba Lan Czochralski bắt đầu phát triển những tinh thể silicon hoàn
hảo (perfect crystal of silicon), tạo ra bước ngoặt trong ngành điện tử hiện đại nói
chung cũng như riêng về phần pin mặt trời. Từ năm 1940 đến 1950, phương pháp
của Czochralski bắt đầu tạo ra những thế hệ pin mặt trời dung đơn tinh thể silicon,
kỹ thuật này còn được dùng nhiều trong công nghiệp pin mặt trời ngày nay.
Vào những thập niên 1950, nhiều cố gắng thương mại hóa PV đã gặp nhiều trở
ngại do giá thành khá lớn. Ứng dụng thực tiễn đáng chú ý của PV trong giai đoạn
này là việc lắp đặt cho vệ tinh Vanguard I. Trong các ứng dụng khơng gian, chi phí
khơng cịn là trở ngại lớn và thường đòi hỏi những thiết bị nhẹ gọn và độ tin cậy
cao. Các cell pin mặt trời đáp ứng được những yêu cầu đó, PV trở thành sự lựa chọn
phù hợp để cấp năng lượng cho các vệ tinh và tàu không gian. Những năm cuối thập
niên 1980, giá thành của PV bắt đầu giảm và hiệu suất tăng. Lúc này, PV được ứng
dụng rộng rải cho máy tính bỏ túi, đèn chiếu sáng trên đường cao tốc, máy bơm ở

nông thôn… Ngày nay, đến năm 2002, sản lượng PV bán ra trên toàn thế giới đạt
được 600 MW mỗi năm và không ngừng gia tăng với mức 40% hàng năm.
2.3

Cơ bản về bán dẫn

PV sử dụng vật liệu bán dẫn để chuyển đổi ánh sáng thành điện năng. Công
nghệ chế tạo PV rất giống với công nghệ để chế tạo transistor, diode và tất cả các
thiết bị bán dẫn khác.Vật liệu sử dụng khởi nguồn cho hầu hết thiết bị bán dẫn và
PV thường là silicon tinh thể tinh khiết.


11

Hình 2. 8 Ngun tử Silic
Silicon có hóa trị 4, hình 2.8 mơ tả ngun tử silicon ở dạng đầy đủ và rút gọn.
Trong tinh thể silicon tinh khiết, mỗi ngun tử silicon sẽ hình thành các liên kết
đồng hóa trị với 4 nguyên tử silicon khác để hình thành liên kết bền vững.
2.3.1

Dải năng lượng

Ở 0 độ tuyệt đối, silicon là chất cách điện lý tưởng, khơng hề có electron tự do.
Khi nhiệt độ tăng lên, một vài electron có đủ năng lượng để di chuyển tự do có thể
tạo thành dòng điện. Độ dẫn của silicon tỷ lệ theo độ tăng của nhiệt độ. Tuy nhiên,
độ dẫn của silicon vẫn còn rất thấp ở nhiệt độ thường, nguyên nhân mà silicon được
gọi là bán dẫn.
Lý thuyết lượng tử dùng giản đồ dải năng lượng để phân biệt vật liệu dẫn điện
và vật liệu bán dẫn. Năng lượng của các electron đều nằm trong những dải năng
lượng rời rạc cho phép. Hình 2.9 mơ tả những dải năng lượng của electron cho kim

loại và bán dẫn.

Hình 2. 9 Dải năng lượng
Dải năng lượng trên cùng gọi là dải dẫn, những electron nằm trong dải năng
lượng này có thể di chuyển tự do và tạo thành dòng điện. Ở nhiệt độ phòng, chỉ
khoảng 1 trong 1010 electron trong silicon là nằm trong dải dẫn.


12
Những khe trống nằm giữa các dải năng lượng cho phép gọi là dải cấm.
Trong đó dải cấm ngăn cách dải dẫn và dải năng lượng cho phép gần kề dải dẫn
được xét đến nhiều nhất. Năng lượng cho một electron vượt qua dải cấm đó để đến
dải dẫn gọi là năng lượng band-gap (band-gap energy) ký hiệu là Eg. Đơn vị cho Eg
thường là electron-Volt (eV). Đối với silicon, Eg = 1.12 eV. Như vậy, mỗi một
electron sẽ cần một năng lượng Eg để trở thành electron tự do. Các electron tự do
này sẽ tạo thành dòng điện khi có thể. Cần nói thêm, mỗi khi có một electron được
giải phóng, sẽ xuất hiện một lỗ trống tương ứng. Những lỗ trống này cũng có khả
năng di chuyển và tạo thành dòng điện. Trong những vật liệu quang điện, nguồn
năng lượng để giải phóng các electron tự do lấy từ photon của nguồn sáng. Theo lý
thuyết của vật lý lượng tử, mỗi photon là một sóng có tần số tương ứng. Sóng điện
từ này có năng lượng được tính theo cơng thức:
(2.8)
Trong đó:
E: năng lượng của photon (J)
h : hằng số Planck = 6.626e-34 (Js)

 , : tương ứng là tần số (hz) và bước sóng (m)
của photon c : vận tốc ánh sáng (m/s)
Đối với những cell pin silicon, Eg = 1.12 eV, áp dụng công thức trên tính
được bước sóng lớn nhất để giải phóng electron là 1.11m . Những photon có bước

sóng lớn hơn 1.11m sẽ khơng giải phóng electron, sinh ra dịng điện, mà chỉ đơn
thuần làm nóng pin. Hơn nữa, mỗi photon chỉ giải phóng được một electron nên
những photon có bước sóng ngắn hơn 1.11m (năng lượng lớn hơn Eg) chỉ dùng
được phần năng lượng để giải phóng electron, phần năng lượng dư sẽ sinh ra nhiệt
làm nóng pin. Hình 2.10 mơ tả biểu đồ năng lượng tương ứng với bước sóng gồm
những vùng góp năng lượng có ích để giải phóng electron và những vùng năng
lượng hao phí sinh ra nhiệt.