Mô hình chẩn đoán sự cố bóng che và bụi hệ thống điện mặt trời qua phân tích đường cong i v

Dù là kiểu hệ thống nào thì việc bảo trì, bảo dưỡng định kì cho hệ thống cũng là việc cần phải làm, trong công tác bảo trì, bảo dưỡng hệ thống điện mặt trời ngoài các công việc vệ sinh t

TỔNG QUAN

Đề tài nghiên cứu

1 Lý do chọn đề tài

Năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời, đang phát triển mạnh mẽ do nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt và có nguy cơ không còn trong tương lai gần Biến đổi khí hậu và ô nhiễm không khí đang gia tăng, ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường sống và sự phát triển bình thường của con người cũng như các sinh vật trên trái đất.

Năng lượng tái tạo tại Việt Nam đang phát triển mạnh mẽ với hai hình thức chính là Solar Farm và Rooftop Solar Việc bảo trì và bảo dưỡng định kỳ cho hệ thống điện mặt trời là rất cần thiết, không chỉ bao gồm vệ sinh tấm pin mà còn cần đánh giá đường cong I-V của hệ thống Đường cong I-V là thông số quan trọng giúp xác định hiệu quả hoạt động của hệ thống sau thời gian sử dụng Để thực hiện đánh giá này, cần có trình độ kỹ thuật cao và kinh nghiệm trong việc phân tích nhiều hệ thống khác nhau Qua các thông số như điện áp hở mạch (Voc), dòng điện ngắn mạch (Isc) và công suất hệ thống, chúng ta có thể đánh giá hiệu suất hoạt động so với lý thuyết ban đầu Từ đó, có thể đưa ra các giải pháp nhằm khôi phục hiệu suất của hệ thống Hai sự cố thường gặp là hiện tượng bóng che và bụi bám trên bề mặt tấm pin, cả hai đều làm giảm hiệu suất hoạt động của hệ thống một cách đáng kể.

Nhóm chúng em nhận thấy việc thu thập và phân tích thông tin về sự cố bóng che và bụi trên bề mặt tấm pin là rất cần thiết để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu của hệ thống Do đó, chúng em đã quyết định thực hiện các bước cần thiết để chẩn đoán những vấn đề này.

Nhóm chúng em chọn đề tài “Mô hình chẩn đoán sự cố bóng che và bụi hệ thống điện mặt trời qua phân tích đường cong I–V” cho đồ án tốt nghiệp nhằm làm rõ các vấn đề trong phát triển hệ thống điện mặt trời hiện nay Mục tiêu là tạo ra hiểu biết sâu sắc về hệ thống điện mặt trời, từ đó áp dụng nghiên cứu vào công việc, góp phần nâng cao sự phát triển của năng lượng mặt trời tại Việt Nam và toàn cầu.

2 Phương pháp thực hiện đề tài Đề tài của nhóm xoay quanh việc tìm hiểu một hệ thống đã đi vào hoạt động có thể thu thập được dữ liệu của hệ thống, cụ thể, các thông số cần thiết cũng như là đường cong I-V của hệ thống một cách trực tuyến, không cần phải đến trực tiếp vị trí lắp đặt để đo đạc Khi đã có được thông tin hệ thống, tiến hành thiết kế sơ bộ lại hệ thống trên phần mềm cũng như trình bày các thành phần chính của hệ thống trong báo cáo như pin, inverter

Sau khi thu thập thông tin toàn bộ hệ thống, nhóm chúng em tiếp tục lấy dữ liệu về các thông số từ trang web của thiết bị inverter, cụ thể là của nhà sản xuất Huawei Thiết bị inverter này được trang bị bộ giám sát điện năng, cho phép thu thập dữ liệu từ tất cả các string kết nối Dựa trên các thông tin này, nhóm tiến hành phân tích và đánh giá chất lượng hoạt động của hệ thống, với các cơ sở sẽ được trình bày chi tiết sau Nếu phát hiện hệ thống có dấu hiệu sự cố, báo cáo sẽ phân tích và xác định các vấn đề mà hệ thống có thể gặp phải.

3 Phạm vi thực hiện đề tài Đề tài của nhóm chia làm hai phần chính:

Phần 1 của bài viết trình bày việc xây dựng mô hình chẩn đoán dựa trên lý thuyết hệ thống điện mặt trời Mô hình hóa các công thức sử dụng Matlab Simulink để mô phỏng đường cong I-V cho một tấm pin và chuỗi pin dưới 10 tấm Bài viết cũng kiểm chứng lý thuyết, cho thấy hình dáng đường cong bị biến dạng khi xảy ra sự cố Mô hình chẩn đoán được đề xuất có thể áp dụng cho tất cả các hệ thống với thông số khác nhau.

Phần 2 của bài báo cáo tập trung vào việc thu thập dữ liệu về đường cong I-V của hệ thống điện mặt trời và sử dụng các lưu đồ có sẵn để đánh giá hoạt động của hệ thống Bài viết trình bày chi tiết về lưu đồ và phương pháp xây dựng đường cong, trước khi phân tích một số liệu cụ thể nhằm đưa ra kết luận cho hệ thống Việc phân tích đường cong I-V vẫn gặp nhiều khó khăn và yêu cầu kinh nghiệm, do đó, báo cáo chỉ tập trung vào các phương pháp đã có sẵn để làm cơ sở dữ liệu cho đánh giá Từ đó, kết luận về sự cố của hệ thống có thể là do bóng che, bụi, hoặc cả hai Đồ án không hướng đến việc xây dựng mô hình đánh giá hoàn toàn mới cho hệ thống điện mặt trời.

Tổng quan về năng lượng tái tạo tại Việt Nam

Việt Nam sở hữu tiềm năng lớn trong phát triển năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng gió và mặt trời Khu vực miền trung và miền nam có số giờ nắng trung bình hàng năm cao, từ 2.000 đến 2.600 giờ, trong khi miền bắc có khoảng 1.500 đến 1.700 giờ nắng mỗi năm.

Lượng bức xạ cũng sẽ phụ thuộc vào từng tháng trong năm, và từng năm Hình 1 cho thấy sự thay đổi bức xạ tại Tỉnh Ninh Thuận:

Hình 1 Bức xạ thay đổi theo tháng tại Tỉnh Ninh Thuận

Hình 2 Bức xạ thay đổi theo từng năm tại Tỉnh Ninh Thuận

So với các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió, năng lượng sinh khối và LNG, nhà máy điện mặt trời nổi bật với công nghệ và thiết bị đơn giản, dễ lắp đặt Những ưu đãi từ chính phủ cũng góp phần thúc đẩy sự phát triển nhanh chóng và rộng rãi của ngành năng lượng mặt trời, khiến nó trở thành một trong những lĩnh vực được quan tâm hàng đầu.

Số liệu thực tế PV tại Việt Nam tính đến năm 2021:

Bảng 1 Số liệu thực tết năng lượng tái tạo đến năm 2021

Hình 3 Số liệu thực tế năng lượng mặt trời đã lắp đặt

Nhận xét: Lắp đặt điện mặt trời cho nhà xưởng phù hợp, góp phần:

- Tận dụng mái nhà xưởng bỏ trống

- Tăng doanh thu cho chủ nhà xưởng

- Đáp ứng được tiêu chí chứng chỉ xanh cho sản phẩm

- Giải quyết được nhu cầu sử dụng điện rất lớn của nhà xưởng

- Giảm nhiệt độ bên dưới nhà xưởng từ 4 – 6 độ C

- Tăng tuổi thọ của mái tôn

2 Sơ lược về hệ thống điện mặt trời

Một hệ thống điện mặt trời bao gồm những thành phần chính:

- Tấm Pin quang điện (PV module)

- Mounting system (Hệ thống giá đỡ)

- Cơ sở hạ tấng đấu nối lưới điện: TBA, thiết bị bảo vệ, đo đạc thông số, giám sát, điều khiển

2.1 Tấm Pin quang điện (PV module)

Tấm pin quang điện được cấu tạo từ nhiều tế bào quang điện, là các thành phần bán dẫn có khả năng hấp thụ bức xạ mặt trời và chuyển đổi thành điện áp cùng dòng điện.

Pin mặt trời Mono và Poly đều được làm từ các tế bào silic, nhưng khác nhau về thành phần silic Pin Poly được chế tạo từ các tấm wafer mỏng cắt ra từ khối silic, trong khi pin Mono được cắt từ một tinh thể silic đơn, tinh khiết.

Pin mỏng (thin-film) được chế tạo từ nhiều loại vật liệu khác nhau, khác với pin mặt trời mono và poly Để sản xuất pin thin-film, các nhà sản xuất đặt một lớp CdTe giữa các lớp màng dẫn trong suốt nhằm thu ánh sáng mặt trời, đồng thời có một lớp bảo vệ ở trên cùng.

Dựa vào tình hình tài chính của chủ đầu tư và những ưu nhược điểm của từng loại pin mặt trời, có thể đưa ra quyết định hợp lý nhất cho việc lắp đặt và sử dụng trong dự án.

Loại pin mặt trời Ưu điểm Nhược điểm

Mono (đơn tin thể) Hiệu suất cao nhất Giá thành cao

Poly (đa tinh thể) Hiệu suất sao

Hiệu quả/ hiệu suất thấp hơn Mono

Thin-film (màng mỏng) Trọng lượng nhẹ

Hiệu quả/hiệu suất thấp nhất

Bảng 2 Ưu nhược điểm pin mặt trời

Hình 4 Pin mặt trời Mono, Poly, Thin film

Bộ nghịch lưu (Inverter) là thiết bị chuyển đổi dòng điện một chiều (DC) từ hệ thống pin mặt trời thành dòng điện xoay chiều (AC), phục vụ cho việc cung cấp điện cho các phụ tải, pin lưu trữ và lưới điện.

Bộ nghịch lưu (Inverter) được phân loại thành ba loại chính: Micro, String và Central Inverter Mỗi loại có những đặc điểm cơ bản, thông tin kỹ thuật, cũng như ưu và nhược điểm riêng, sẽ được trình bày chi tiết dưới đây.

Hình 5 Micro inverter của Enphase-String inverter, Senergy-Central inverter,

Micro Inverter là thiết bị nhỏ gọn, thường được lắp đặt ở mặt sau hoặc gần bảng điều khiển năng lượng mặt trời, có chức năng chuyển đổi dòng điện một chiều từ 1, 2 hoặc 4 tấm pin mặt trời thành điện xoay chiều Số lượng đơn vị MPPT trong Micro Inverter quyết định khả năng chuyển đổi và kết nối với lưới điện Một trong những ưu điểm nổi bật của Micro Inverter là khả năng tối ưu hóa hiệu suất năng lượng từ từng tấm pin mặt trời, giúp tăng cường hiệu quả sử dụng năng lượng.

• Một tấm pin bị lỗi không ảnh hưởng quá nhiều đến việc giảm công suất phát của hệ thống

• Giám sát dòng điện một chiều và xoay chiều, điện áp, điện dung ở mỗi cấp độ tấm pin mặt trời

• Điện áp một chiều thấp giúp tăng tính an toàn

• Các tấm có thể được cài đặt theo các hướng khác nhau

Tăng cường sản lượng điện từ hệ thống năng lượng mặt trời ngay cả ở những vị trí có bóng râm, vì tấm pin năng lượng mặt trời bị che khuất không làm giảm đáng kể hiệu suất của toàn bộ hệ thống.

• Không cần tính toán độ dài mảng, giúp thiết kế hệ thống dễ dàng hơn

Khả năng tích hợp các công nghệ pin đa dạng như mono, poly và thin film với các công suất mô-đun khác nhau là rất quan trọng trong việc sửa chữa hoặc nâng cấp hệ thống năng lượng mặt trời cũ.

Nhược điểm của Micro Inverter:

• Chi phí tính bằng đồng trên watt cao hơn, có thể gấp đôi so với biến tần String

• Tăng khối lượng công việc lắp đặt

• Một số bộ biến tần siêu nhỏ có thể gặp sự cố quá nhiệt

• Chi phí và công sức bảo trì tăng do có nhiều thiết bị trong một hệ thống

Biến tần String Inverter là loại thiết bị phổ biến trong các hệ thống điện mặt trời cho cả thương mại và gia đình Những ưu điểm nổi bật của String Inverter bao gồm hiệu suất cao, dễ dàng lắp đặt và bảo trì, cũng như khả năng tối ưu hóa năng lượng từ các tấm pin mặt trời.

• Thiết kế linh hoạt, hiệu suất cao

• Hai mức công suất cả 1 pha và 3 pha

• Chi phí đầu tư thấp

• Có thể giám sát hệ thống từ xa

Nhược điểm của của String Inverter:

• Chỉ có MPPT cấp độ string

• Không có giám sát cấp tấm pin( trừ thiết bị optimizer gắn thêm)

• Cấp điện áp trên mỗi string

Biến tần trung tâm (Central inverter) là một loại biến tần có công suất lớn, thường được sử dụng trong các dự án quy mô lớn như nhà máy điện mặt trời, công trình thương mại lớn và hệ thống điện mặt trời nồi.

12 Ưu điểm của biến tần trung tâm:

Nhược điểm của Central Inverter:

• Kích thước Central inverter lớn hơn

• Tiếng ồn trong quá trình hoạt động lớn

• Tăng rủi ro mất sản lượng điện khi thiết bị gặp lỗi

2.3 Hệ thống khung giá đỡ (Mounting system)

Giàn khung điện mặt trời bao gồm khung nhôm/ sắt và thiết bị phụ trợ khác (thanh rail nhôm, bộ chân L, bộ kẹp giữa…)

Khung giàn hệ thống điện mặt trời được phân loại thành ba loại chính dựa trên ba hình thức điện mặt trời: điện mặt trời áp mái, điện mặt trời mặt đất và điện mặt trời nổi.

Giàn khung đỡ cho điện mặt trời áp mái:

• Giàn khung đỡ điện mặt trời mái ngói

Hình 6 Giàn khung đỡ mái ngói

• Giàn khung đỡ điện mặt trời mái tole

Hình 7 Giàn khung mái tôn

Giàn khung đỡ cho điện mặt trời mặt đất:

• Giàn khung đỡ cho điện mặt trời cố định

Hình 8 Giàn khung mặt đất

• Giàn khung đỡ cho điện mặt trời xoay chiều (hệ thống tracking)

• Giàn khung đỡ cho điện mặt trời nổi

Hình 10 Giàn khung đỡ cho điện mặt trời nổi

2.4 Nguyên lý hoạt động hệ thống điện mặt trời

Có 3 hình thức lắp đặt điện mặt trời bao gồm: Hệ thống điện mặt trời nối lưới, hệ thống điện mặt trời không nối lưới và hệ thống điện mặt trời hỗn hợp

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Cơ sở lý thuyết

1 Đường cong I-V là gì? Đường cong I-V hay đặc tuyến I-V của pin mặt trời là một đường cong đặt trong tọa độ xOy có trục tung, trục hoành lần lượt là dải giá trị dòng điện và điện áp của pin mặt trời Đường cong I-V tập hợp tất cả các điểm hoạt động của pin mặt trời, trong đó với mỗi điểm trên đường cong đều xác định được hai giá trị, dòng điện và điện áp, từ hai giá trị đó có thể tính ra được công suất của tấm pin mặt trời tại điểm đó Đường cong I-V có xuất phát từ điểm dòng điện ngắn mạch (Isc) của hệ thống và kết thúc tại điểm điện áp hở mạch (Voc), tại 2 điểm xuất phát và kết thúc của đường cong, công suất nhận được của hệ thống đều bằng 0

Trên đường cong của hệ thống pin mặt trời, hai điểm quan trọng là dòng điện cực đại (Impp) và điện áp cực đại (Vmpp) xác định công suất tối đa của tấm pin Từ hai giá trị này, chúng ta có thể tính được hệ số điền kín (FF) của pin mặt trời.

Hình 14 Mô tả đường cong I-V của pin mặt trời

Mô hình đường cong I-V được mô tả chi tiết với các thông số liên quan, chia thành các điểm M, N, A, P, S để người đọc dễ dàng theo dõi sự thay đổi Đường cong từ điểm M đến N duy trì ở giá trị dòng điện ngắn mạch (Isc), sau đó từ điểm N đến A, đường cong giảm xuống điểm có công suất cực đại của hệ thống.

Để xác định Impp và Vmpp, ta vẽ các đường thẳng vuông góc với trục tung và trục hoành Các đường thẳng này tạo thành một hình chữ nhật với diện tích tỉ lệ với tích số của Isc và Voc, tương ứng với hệ số điền kín đã được đề cập.

Hình 15 Đường cong I-V và đường cong P-V tương ứng

Tại hai điểm Isc và Voc, công suất của hệ thống bằng 0 Đường cong màu xanh trong hình biểu thị công suất bắt đầu từ gốc tọa độ xOy, tăng lên đến đỉnh tại điểm xác định hai giá trị Impp và Vmpp trên đường cong I-V (công suất cực đại), sau đó giảm xuống đến điểm Voc, nơi công suất lại bằng 0.

2 Ý nghĩa của đường cong I-V Đường cong I-V mô tả đầy đủ các điểm hoạt động của tấm pin mặt trời, trong điều kiện bình thường (bức xạ 1000 W/m 2 và nhiệt độ 25 o C), các điểm hoạt động của pin tạo thành đường chuẩn theo công bố của nhà sản xuất Nhưng khi xảy ra bất cứ sự cố nào,

Đường cong I-V là công cụ quan trọng để phát hiện sự cố trên hệ thống pin mặt trời, cho dù là sự cố thoáng qua hay cần sửa chữa Khi có sự cố xảy ra, dòng điện và điện áp của hệ thống sẽ bị ảnh hưởng, dẫn đến sự thay đổi bất thường trong đường cong I-V Đường cong này được hình thành từ các điểm trong tọa độ xOy, mỗi điểm tương ứng với giá trị dòng điện (I) và điện áp (V) Nếu một trong hai giá trị này thay đổi không theo quy luật, hình dáng của đường cong sẽ không còn như khi hoạt động bình thường Vì vậy, việc theo dõi đường cong I-V là rất quan trọng trong việc đảm bảo hiệu suất hoạt động của hệ thống pin mặt trời.

Đường cong I-V là công cụ quan trọng trong chẩn đoán sự cố của hệ thống, cho phép so sánh với hình dáng đường cong ở điều kiện chuẩn Từ đường cong này, chúng ta có thể dự đoán các vấn đề hiện tại và tiềm năng của hệ thống thông qua tính toán và kinh nghiệm Ngoài việc phát hiện sự cố, đường cong còn cung cấp thông tin về mức độ bức xạ mặt trời và nhiệt độ tại thời điểm hoạt động, mặc dù các thông số này không hiển thị trực tiếp trên đồ thị, nhưng có thể suy luận từ sự thay đổi đáng kể của dòng điện và điện áp.

Ngày nay, sự phát triển mạnh mẽ của năng lượng tái tạo và công nghệ tiên tiến đã thúc đẩy nhu cầu chẩn đoán sự cố trong hệ thống Mặc dù nhiều nghiên cứu quốc tế đã trình bày các thuật toán chẩn đoán, Việt Nam vẫn thiếu tài liệu chính thức về vấn đề này Việc chẩn đoán sự cố qua đường cong I-V yêu cầu các chuyên gia có kinh nghiệm làm việc với hệ thống điện mặt trời và kiến thức lý thuyết chặt chẽ để đưa ra kết luận chính xác, từ đó đề xuất giải pháp hiệu quả.

Trong lĩnh vực năng lượng tái tạo tại Việt Nam, phần lớn các công ty chỉ thu thập dữ liệu đường cong I-V từ các địa điểm thực tế và cung cấp cho khách hàng mà chưa thực hiện phân tích sâu hơn.

Năng lượng tái tạo tại Việt Nam đang phát triển nhanh chóng với nhiều dự án mới, tuy nhiên, việc chẩn đoán sự cố cho hệ thống vẫn là một thách thức lớn Điều này đòi hỏi các nghiên cứu kỹ lưỡng để đưa ra kết luận chính xác về hiệu suất và độ tin cậy của các hệ thống năng lượng này.

3 Chẩn đoán sự cố hệ thống điện mặt trời qua phân tích đường cong I-V

Sau một thời gian hoạt động, hệ thống điện mặt trời có thể gặp phải một số sự cố, từ những trục trặc thoáng qua tự khắc phục đến những vấn đề cần can thiệp để sửa chữa Những sự cố lặp đi lặp lại không chỉ ảnh hưởng đến hiệu suất của tấm pin mà còn có thể làm giảm tuổi thọ của toàn bộ hệ thống.

Chẩn đoán sớm các sự cố và thực hiện biện pháp phòng ngừa là rất quan trọng trong công tác Operations & Maintenance (O&M), giúp hệ thống hoạt động an toàn và đạt hiệu suất tối ưu Việc phát hiện kịp thời các sự cố có thể ngăn chặn tổn thất công suất và giảm chi phí bảo trì, sửa chữa Do đó, chẩn đoán sự cố đóng vai trò ngày càng quan trọng trong việc nâng cao chất lượng của hệ thống điện năng lượng mặt trời.

Trước đây, việc phát hiện sự cố hệ thống yêu cầu thời gian kiểm tra trực tiếp từng phần, dẫn đến tổn thất chi phí lớn cho khách hàng do hệ thống ngừng hoạt động Do đó, chẩn đoán sự cố qua phân tích đường cong I-V ngày càng được chú trọng, giúp tiết kiệm thời gian và nâng cao hiệu suất phục hồi hệ thống Đường cong I-V cung cấp thông tin quan trọng về tình trạng của chuỗi pin hoặc tấm pin, cho phép người giám sát đưa ra quyết định chính xác và nhanh chóng về các vấn đề cần khắc phục.

Phương pháp chẩn đoán sự cố qua theo dõi đường cong I-V yêu cầu trình độ chuyên môn cao và kinh nghiệm dày dạn Các phương pháp tính toán và đưa ra kết luận cho các sự cố hệ thống đang được cải thiện liên tục, nhằm cung cấp cho người sử dụng kết quả chẩn đoán chính xác và kịp thời.

4 Mạch tương đương của pin mặt trời

Đề xuất kỹ thuật chẩn đoán các sự cố thường gặp của hệ thống điện mặt trời

1 Công tác đo đạc số liệu hiện nay

Trong lĩnh vực năng lượng tái tạo, công tác O&M hệ thống điện mặt trời đòi hỏi nhiều nhân sự do khối lượng công việc lớn, bao gồm vệ sinh pin, quét nhiệt, đo cách điện, đo đường cong I-V và thay thế các tấm pin vỡ Các hoạt động bảo trì và bảo dưỡng diễn ra liên tục trong năm, tùy thuộc vào yêu cầu của khách hàng và lịch trình đã định, đồng thời có thể phát sinh các công việc khẩn cấp do sự cố bất ngờ Trong số các nhiệm vụ O&M, việc đo đạc đường cong I-V là quan trọng nhất, vì nó giúp đánh giá hiệu suất hệ thống và xác định ảnh hưởng của các yếu tố môi trường, từ đó lập kế hoạch cho các công việc bảo trì tiếp theo một cách hợp lý.

Công việc đo đạc đường cong I-V truyền thống vẫn được thực hiện thủ công, với người đo trực tiếp đến hệ thống và sử dụng thiết bị chuyên dụng Sau khi thu thập, các số liệu sẽ được nhập vào máy tính để hiển thị đường cong I-V đầy đủ của hệ thống.

❖ Các máy móc, thiết bị sử dụng để đo đường cong I-V

Tên thiết bị Hình ảnh Công dụng

Dùng để đo đạc, lưu trữ thông số I-V

Máy SOLAR-02 Dùng để đo và hiện thị nhiệt độ môi trường và bức xạ tại thời điểm đo

Cảm biến bức xạ Cảm biến dung để thu nhận bức xạ tại thời điểm đo

Bảng 4.Bảng tổng hợp các thiết bị cần cho quá trình đo đường cong I-V

❖ Quy trình đo đường cong I-V tại dự án

Sau khi chuẩn bị đầy đủ máy móc cần thiết, tiến hành đo đạc hệ thống tại site Cần lưu ý một số điểm quan trọng trong quá trình thực hiện đo.

Khi tiến hành đo các thông số như bức xạ, nhiệt độ và độ ẩm, cần xem xét các điều kiện môi trường xung quanh vì chúng có ảnh hưởng đáng kể đến kết quả đo Bức xạ lý tưởng để thực hiện đo là trên 800W/m², trong khi không nên tiến hành đo khi bức xạ dưới 400W/m² Đồng thời, cần đảm bảo rằng bức xạ trong quá trình đo không bị thay đổi quá nhiều.

- Đảm bảo an toàn điện trong quá trình đo

Hình 18 Sơ đồ mô phỏng các đặt thiết bị đo

Sau khi lắp đặt các thiết bị đo theo hình 18, quá trình đo và lưu trữ dữ liệu sẽ được bắt đầu, với điều kiện các thông số đo không có sự thay đổi đột ngột và biên độ lớn về bức xạ mặt trời hoặc nhiệt độ.

Quá trình đo đường cong I-V trực tiếp gặp nhiều bất cập, bao gồm việc cần chuẩn bị nhiều thiết bị và di chuyển đến vị trí đo Nhiều hệ thống nằm ở xa và đường đi khó khăn, gây trở ngại cho việc thực hiện Đối với các hệ thống công suất nhỏ, việc đo đạc không quá phức tạp, nhưng với các hệ thống có công suất hàng trăm MWp, chi phí nhân công và thời gian đo đạc tăng cao.

Hệ thống giám sát điện năng, đặc biệt là việc thu thập đường cong I-V từ từng chuỗi pin tích hợp trong inverter của Huawei, đang mang lại hiệu quả cao cho công tác Operations & Maintenance (O&M) của hệ thống điện mặt trời Nhờ vào thiết bị giám sát này, người dùng có thể dễ dàng thu nhận thông tin về tất cả đường cong của toàn bộ hệ thống ngay tại văn phòng, giúp giảm thiểu chi phí di chuyển và tiết kiệm thời gian.

Chi phí nhân sự cho mỗi lần thực hiện đo là một yếu tố quan trọng Việc giám sát hệ thống trực tuyến 24/24 giúp người giám sát theo dõi sát sao và đưa ra giải pháp kịp thời, từ đó tránh được những tổn hại nặng nề do sự cố Nhờ những tiện ích và ưu điểm vượt trội của thiết bị giám sát điện năng, ngày càng nhiều hãng sản xuất inverter phát triển hệ thống này.

2 Các sự cố thường gặp của hệ thống điện mặt trời

Bức xạ mặt trời là yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu suất và dòng điện đầu ra của hệ thống điện mặt trời Sự suy giảm bức xạ trên bề mặt tấm pin dẫn đến giảm dòng điện và biến dạng đường cong I-V Bài báo cáo phân tích ảnh hưởng của bức xạ đến các sự cố thường gặp trong hệ thống điện mặt trời, từ đó giúp bộ phận giám sát dự đoán các sự cố có thể xảy ra Do đó, đường cong I-V đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất của hệ thống năng lượng mặt trời.

Hình 19 Các mẫu đường cong I-V khi xảy ra sự số hệ thống điện mặt trời

Đường cong I-V của hệ thống điện mặt trời có thể bị biến dạng do nhiều yếu tố như bóng che, bụi bẩn, và lão hóa tế bào Mỗi loại sự cố sẽ tạo ra hình dáng cong khác nhau trên đường cong I-V Hình 19 minh họa các sự cố thường gặp trong hệ thống điện mặt trời.

Bài viết đề cập đến 28 thống điện mặt trời với các hình dáng đường cong riêng biệt Ngoài các đường cong thể hiện sự cố, hình 19 còn minh họa đường cong không xảy ra sự cố trong cùng điều kiện hoạt động.

Trước khi phân tích các sự cố trong báo cáo, cần làm rõ các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của tấm pin mặt trời trong thực tế Hình 17 trình bày mạch tương đương của một tấm pin, từ đó cho phép phân tích chi tiết các sự cố có thể tác động đến hiệu suất đầu ra.

Rs là điện trở trên dây dẫn kết nối giữa các tấm pin và jack MC4 Khi điện trở Rs tăng cao hơn mức bình thường, dòng điện chạy qua Rs giảm, dẫn đến giảm dòng điện Ipv và ảnh hưởng đến hình dạng đường cong I-V của toàn bộ chuỗi Nguyên nhân gây ra lỗi này thường gặp bao gồm dây điện bị nóng và đứt gãy, chuột cắn dây, và jack MC4 bị gỉ sét làm tăng cản trở dòng điện.

Trên đây, là hình ảnh một số đường cong của chuỗi bị xảy ra hiện tượng lỗi kết nối

Đường cong bị biến dạng làm giảm công suất đầu ra của hệ thống, và mức độ biến dạng này phụ thuộc vào mức độ nghiêm trọng của tình trạng Khi hệ số điền kín giảm sâu, mức độ nghiêm trọng của hệ thống sẽ tăng cao.

Rsh là điện trở giữa các tế bào quang điện và khung ngoài của tấm pin, có vai trò ngăn chặn dòng điện sinh ra từ tế bào quang điện bị rò rỉ ra ngoài Khi điện trở Rsh giảm xuống thấp, dòng điện chạy qua điện trở (Ish) sẽ tăng lên, dẫn đến việc dòng điện đầu ra của pin (Ipv) giảm xuống.

Hình 21 Lỗi kế nối R Sh

KẾT QUẢ

Mô hình hóa hệ thống sử dụng Matlab Simulink

Trong phần tính toán đường cong I-V của pin mặt trời, bài báo cáo sử dụng tấm pin JA Solar 540Wp với các thông số được trình bày trong bảng 6.

THÔNG SỐ TẤM PIN MẶT TRỜI

Nhà sản xuất: JA SOLAR

Bảng 6 Thông số tấm pin JA Solar 540Wp

Công nghệ tấm pin half-cut cells của JA Solar mang lại hiệu suất hoạt động cao hơn so với full cells nhờ khả năng giảm thiểu tác động của bóng che Trong hệ thống full cells, các tế bào được nối tiếp, khiến cho bất kỳ tế bào nào bị bóng che đều làm giảm dòng điện đầu ra Ngược lại, công nghệ half-cut cells chia các tế bào thành hai chuỗi song song, do đó, khi một bên chuỗi bị bóng che, chuỗi còn lại vẫn hoạt động bình thường Nhờ đó, hiệu suất hoạt động của tấm pin half-cut cells vượt trội hơn so với công nghệ truyền thống.

Khi sản xuất pin mặt trời bằng công nghệ half-cut cells, yêu cầu kỹ thuật sản xuất cao dẫn đến giá thành trung bình cao hơn so với công nghệ truyền thống Ngoài giá thành, kích thước của pin mặt trời cũng là một yếu tố quan trọng cần xem xét.

Kích thước của các tấm pin mặt trời half-cut cells thường lớn hơn so với các tấm pin thông thường, điều này là do cần có không gian đủ rộng để kết nối số lượng tế bào nhiều hơn.

❖ Những tính toán cho các thông số:

Dựa vào những công thức đã được giới thiệu trong phần I (1.4) Các bước tính toán để xây dựng đường cong I-V được trình bày bên dưới

➔ Dựa vào công thức số (1) trong phần cơ sở lý thuyết, phương trình xây dựng đường cong I-V được hình thành:

Công thức tổng quát để xây dựng đường cong I-V trong điều kiện hoạt động tiêu chuẩn là 93.35 (𝐴) Khi bức xạ hoặc nhiệt độ thay đổi, các thông số của tấm pin cũng sẽ thay đổi, dẫn đến sự biến đổi hình dáng của đường cong.

Báo cáo này xây dựng mô hình để vẽ các đường cong với dải bức xạ và nhiệt độ khác nhau, nhằm so sánh sự thay đổi giữa các đường cong trong nhiều điều kiện hoạt động Sau khi thu thập các thông số cần thiết, dải điện áp và dòng điện của tấm pin sẽ được điều chỉnh với biên độ nhỏ để tạo ra đồ thị đường cong, trong đó điện áp thay đổi từ 0 đến \$V_{oc}\$ và dòng điện từ 0 đến \$I_{sc}\$.

1 Mô hình hóa cho 1 tấm pin trong Matlab Simulink

Mô hình hóa bằng Matlab Simulink có thể thay thế các tính toán trước đó Dựa trên các công thức trong phần cơ sở lý thuyết, Matlab Simulink được sử dụng để mô hình hóa công thức tổng quát và vẽ đường cong đặc tuyến của tấm pin, với quy trình được chia thành 5 bước.

- Bước 1: Dựa vào công thức 2, 𝐼 𝑃𝐻 được tính theo mô hình bên dưới:

Hình 28 Mô hình hóa công thức 𝐼 𝑃𝐻

- Bước 2: Dựa vào công thức 3, 𝐼 0 được tính theo mô hình bên dưới:

Hình 29 Mô hình hóa công thức 𝐼 0

- Bước 3: Dựa vào công thức: 𝐼 𝐷 = 𝐼 0 × (𝑒𝑥𝑝 ( 𝑞(𝑉+𝐼𝑅 𝑆 )

(𝑎𝑁𝑘𝑇 𝐶 )) − 1), 𝐼 𝐷 được tính theo mô hình bên dưới:

Hình 30 Mô hình hóa công thức 𝐼 𝐷

- Bước 4: Dựa vào công thức: 𝐼 𝑆𝐻 = (𝑉+𝐼𝑅 𝑆 )

𝑅 𝑆𝐻 , 𝐼 𝑆𝐻 được tính theo mô hình bên dưới:

Hình 31 Mô hình hóa công thức 𝐼 𝑆𝐻

- Bước 5: Cuối cùng, dựa vào công thức 1 được trình bày phía trên thông qua mạch tương đương của pin mặt trời: 𝐼 𝑃𝑉 = 𝐼 𝑃𝐻 − 𝐼 𝐷 − 𝐼 𝑆𝐻 , với 𝐼 𝐷 = 𝐼 0 × 𝑒𝑥𝑝 ( 𝑞(𝑉+𝐼𝑅 𝑆 )

(𝑎𝑁𝑘𝑇 𝐶 )−1), công thức tổng quát để xây dựng đường cong I-V của pin mặt trời được trình bày trong mô hình bên dưới:

Hình 32 Mô hình hóa cho 1 tấm pin trong Matlab Simulink

Hình 33 Đường cong I-V của 1/2 pin mặt trời JA solar 540Wp tại 1000 𝑊/

Công nghệ half-cut cells của tấm pin JA Solar 540Wp bao gồm 144 tế bào quang điện, được chia thành 2 chuỗi, mỗi chuỗi có 72 tế bào mắc nối tiếp Hai chuỗi này được mắc song song với nhau Trong báo cáo, chúng tôi chưa thể tính toán cụ thể cho tấm pin half-cut cells, vì vậy mô phỏng chỉ tính toán trên một nửa tấm pin với dòng điện ngắn mạch đầu ra bị giảm đi ½ lần thực tế Khi nhân 2 lần dòng điện ngắn mạch trong mô phỏng, chúng ta sẽ có được đường cong hoàn chỉnh cho toàn bộ tấm pin.

2 Mô hình hóa cho 1 chuỗi trong Matlab Simulink

Hình 34 Mô hình hóa trong Matlab Simulink cho 1 chuỗi

Mô hình trong Matlab Simulink được thiết kế để mô phỏng một chuỗi 6 tấm pin năng lượng mặt trời mắc nối tiếp Mô hình này được phát triển dựa trên các nguyên lý cơ bản của hệ thống năng lượng tái tạo.

Mô hình tấm pin đã được giới thiệu trong phần cơ sở lý thuyết, cho phép điều chỉnh số lượng tấm pin tùy thuộc vào từng hệ thống cụ thể Ngoài ra, các thông số đầu vào cho tấm pin cũng có thể được thay đổi một cách linh hoạt.

Hình 35 Khung nhập thông số tấm pin

Khi đã xác định số lượng và nhãn hiệu tấm pin cần mô phỏng, các thông số cần thiết có thể tìm thấy trong datasheet của tấm pin Sau khi nhập các thông số này vào Matlab Simulink, phần mềm sẽ tự động tính toán các thông số còn lại như IL, L0, RSH, RS, và nhiều thông số khác.

Mô hình này có khả năng tính toán cho tất cả các loại tấm pin hiện có trên thị trường, tùy thuộc vào hệ thống cần mô phỏng Như thể hiện trong hình 35, các thông số đã được nhập là của tấm pin.

Trong hệ thống mà đồ án sử dụng dữ liệu để phân tích, pin mặt trời JA solar 540Wp được áp dụng Sau khi tính toán đầy đủ các thông số, quá trình mô phỏng sẽ được thực hiện dựa trên hai điều kiện đầu vào là bức xạ và nhiệt độ có thể thay đổi.

Hình 36 Bức xạ tác động lên từng tấm trong chuỗi

Hình 37 Nhiệt độ tác động lên từng tấm trong chuỗi

Mỗi giá trị trong ngoặc đại diện cho bức xạ và nhiệt độ ảnh hưởng đến một tấm pin Khi thay đổi một giá trị trong ngoặc, điều này có nghĩa là điều kiện tác động lên tấm pin trong chuỗi cũng sẽ thay đổi.

Hình 38 Đường cong I-V và P-V chuỗi 6 tấm pin JA solar 540Wp trong điều kiện

Khi xảy ra hiện tượng đổ bóng trên bất kỳ tấm pin nào trong chuỗi, đường cong thu được sẽ xuất hiện điểm uốn do dòng điện đầu ra giảm đột ngột, dẫn đến biến dạng của đường cong Mô hình chuỗi pin trong hình 34 minh chứng cho lập luận này, cho thấy rằng sự thay đổi bức xạ nhận được giữa các tấm pin có thể mô phỏng hiện tượng đổ bóng.

Hình 39 Giảm bức xạ tác động vào 1 tấm pin trong chuỗi

Bức xạ của 1 tấm pin trong chuỗi được giảm còn 800W/m 2 , trong khi các tấm còn lại vẫn nhận bức xạ 1000W/m 2

So sánh, phân tích

1 Giới thiệu hệ thống bài báo cáo sử dụng dữ liệu để chẩn đoán sự cố hệ thống điện mặt trời Để tiến hành đánh giá kết quả của giải thuật và mô hình đề xuất, trong Chương này, dữ liệu thực tế đường cong I-V của một hệ thống điện mặt trời cụ thể tại tỉnh Đồng Nai được sử dụng để đánh giá, phân tích, và đưa ra chẩn đoán các sự cố có thể gặp phải

1.1 Thông tin hệ thống điện mặt trời

5,212 Modules – JA Solar, JAM7S30-540/MR, 540Wp

Số lượng inverter 26 – Huawei, SUN200-100KTL-M1, 100kW, 400Y/230V, 3PH,

4W, 50Hz, được chia làm 3 trạm Inverter Công suất dự án 2,814.48 kWp – 2,600 kW AC

Diện tích lắp đặt 19,540.00 m 2 trên tổng cộng 5 mặt mái Độ dóc mái 6 o , 8 o , 10 o

Bảng 7 Thông tin hệ thống

Hình 43 Các mặt mái lắp đặt pin của hệ thống chụp từ vệ tinh

Từ hình ảnh chụp từ vệ tinh của hệ thống, bài báo cáo tiến hành thiết kế lại bố trí pin trên các mặt mái của nhà xưởng

Hình 44 Mặt bẳng tổng thể dự án trong bản vẽ

Hình 45 Thiết kế 3D tổng thể dự án sử dụng Sketchup

Hình 46 Thiết kế 3D tổng thể dự án sử dụng Aurora Solar

Phần mềm Aurora Solar được sử dụng để phân tích ảnh hưởng của bóng che trong toàn bộ dự án, với lượng bức xạ trên khu vực dự án được thể hiện bằng màu vàng từ đậm đến nhạt, tương ứng với mức độ bức xạ từ thấp đến cao.

Kết quả cho thấy dự án nhận được lượng bức xạ tương đối cao, không bị ảnh hưởng bởi các vật thể xung quanh, như thể hiện trong hình 47.

Hình 47 Bức xạ trên tổng thể dự án

1.2 Các thành phần chính trong hệ thống

Tên Mã hiệu Số lượng Các thông số kỹ thuật chính

Pin mặt trời JA SOLAR,

Max input voltage (V) 1,100 Max current per MPPT (A) 26

Rate AC active power (W) 100,000 Max AC active power (VA) 100,000 Rated output voltage (V) 400 Rated output frequency (Hz) 50/60 Rated output current (A) 144.4 Max output current (A) 160.4

Bảng 8 Bảng thống kê thành phần chính của hệ thống

Inverter Huawei là công nghệ inverter tiên tiến từ Trung Quốc, tích hợp thiết bị giám sát điện năng Người dùng có thể thu thập dữ liệu về dòng điện, điện áp và công suất tức thời, giúp theo dõi hệ thống hiệu quả Những số liệu này rất quan trọng trong việc chẩn đoán kịp thời các sự cố có thể xảy ra trong hệ thống điện mặt trời, với chi tiết về các sự cố được trình bày qua hình dáng đường cong và dữ liệu trong phần sau của bài báo cáo.

Công nghệ tích hợp bộ giám sát của Huawei là một bước tiến vượt bậc, giúp tự động hóa công tác đo đạc và thu nhận dữ liệu trong hệ thống điện mặt trời, thay thế phương pháp thủ công hiện tại Sự nâng cấp này hứa hẹn mang lại nhiều lợi ích và cải thiện đáng kể hiệu suất của hệ thống.

1.3 Kết nối chuỗi pin vào Inverter

Hệ thống chia thành 3 trạm Inverter:

Trạm 1 10 Inverter Trạm 2 10 Inverter Trạm 3 6 Inverter

Bảng 9 Các trạm Inverter hệ thống

Các chuỗi pin được đấu nối vào các Inverter từng trạm trình bày trong bảng 11, bảng 12, bảng 13:

11 chuỗi – 20 tấm pin Inverter 2 220 tấm pin

4 chuỗi - 17 tấm pin Inverter 9 192 tấm pin

Bảng 10 Đấu nối trạm Inverter 1

2 Kết quả so sánh, phân tích

Với khả năng xử lý dữ liệu lớn và giao diện thống kê dễ sử dụng, bài báo cáo này sử dụng Excel để thực hiện các phép tính cho hệ thống với số lượng chuỗi pin cần phân tích rất lớn.

Tương tự như Matlab Simulink, các thông số được tính toán trong Excel cho phép thay đổi đầu vào theo từng loại tấm pin mặt trời khác nhau, từ đó cho ra kết quả dựa trên dữ liệu của tấm pin cần tính.

Loại tấm pin Half-cells Điện áp hở mạch Voc 49.6 V

Dòng điện ngắn mạch Isc 13.86 A Điện áp cực đại Vmp 41.64 V

Dòng điện cực đại Imp 12.97 A

Số lượng cell trong 1 PV module Ns 144 Pcs

Hệ số ảnh hưởng nhiệt độ của Isc α_Voc -0.275 %/°C

Hệ số ảnh hưởng nhiệt độ củ Voc α_Isc 0.045 %/°C Nhiệt độ tại tiêu chuẩn STC Tcell 25 °C Bức xạ tại tiêu chuẩn STC Gref 1000 W/m2

Hệ số lý tưởng của diode a 1.2

Bảng 13 Các thông số cần nhập cho quá trình tính toán

Dòng điện ngắn mạch Iph 6.93 A Dòng điện bảo hoà ngược Io 1.4E-09 A Điện trở Shunt Rsh 433.171 Ω

Series resistance Rs 0.20604 Ω Dòng điện diode Id 0.35178 A Dòng điện Shunt Ish 0.09921 A Dòng điện cực đại Ipv 12.958 A

Bảng 14 Thông số tính toán dựa vào cơ sở lý thuyết

Các thông số trong bảng 14 được lấy từ datasheet của tấm pin và là dữ liệu đầu vào cho việc xây dựng đường cong I-V cũng như phân tích hệ thống Sau khi nhập các thông số, mô hình sẽ tính toán dựa trên lý thuyết, với kết quả hiển thị trong bảng 15, cho ra các đường cong nominal theo tiêu chuẩn của nhà sản xuất Hệ số a, thay đổi tùy thuộc vào công nghệ sản xuất pin mặt trời, được trình bày trong bảng 4.

❖ Đường cong ảnh hưởng bởi bức xạ, nhiệt độ

Đường cong I-V và P-V của pin JA Solar 540Wp bị ảnh hưởng chủ yếu bởi bức xạ và nhiệt độ Bức xạ ảnh hưởng trực tiếp đến dòng điện đầu ra của tấm pin; khi bức xạ giảm, dòng điện và điện áp của tấm pin cũng sẽ giảm theo Điều này cho thấy sự quan trọng của bức xạ trong việc tối ưu hóa hiệu suất của tấm pin năng lượng mặt trời.

Khi xảy ra sự cố bóng che, bức xạ giảm đột ngột dẫn đến dòng điện giảm ngay lập tức, gây biến dạng đường cong P-V Đường cong này thể hiện công suất của pin mặt trời tại các mức bức xạ khác nhau, cho thấy rõ rằng khi bức xạ giảm, công suất cực đại của tấm pin cũng giảm theo.

Nhiệt độ là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất của pin mặt trời, như thể hiện qua đường cong I-V và P-V của pin JA solar 540Wp Khi nhiệt độ tăng cao, điện áp đầu ra của tấm pin giảm, dẫn đến hiệu suất chuyển đổi kém hơn Hệ thống điện mặt trời hiện nay chủ yếu được lắp đặt trên mái, do đó, bề mặt tấm pin có thể đạt nhiệt độ rất cao trong thời gian bức xạ mạnh Điều này không chỉ làm giảm công suất mà còn có thể rút ngắn tuổi thọ của các tế bào trong pin mặt trời.

Sau khi tính toán các số liệu theo điều kiện chuẩn của hệ thống, tiến hành thu thập dữ liệu thực tế từ thiết bị giám sát điện năng tích hợp trong Inverter Số liệu thu được bao gồm giá trị điện áp, dòng điện của tất cả chuỗi trong hệ thống, cùng với điều kiện hoạt động tại thời điểm đo như bức xạ và nhiệt độ Đường cong thực tế được vẽ lại để so sánh với đường cong lý thuyết đã tính toán.

Bức xạ Nhiệt độ Số lượng tấm pin

Bảng 15 Điều kiện hoạt động của chuỗi thứ nhất

Chuỗi Số lượng tấm pin Pmax

Bảng 16 Số liệu tính toán và thực tế của chuỗi thứ nhất

Sau khi xác định điều kiện hoạt động của chuỗi 1 trong phần phân tích, chúng ta tiến hành tính toán các thông số cần thiết để so sánh và phân tích Số liệu hoạt động thực tế và lý thuyết của chuỗi được trình bày trong bảng 17.

Hình 50 Đường cong I-V và P-V có dấu hiệu xảy ra sự cố

Số lượng pin trong chuỗi phân tích là 18 tấm và với bức xạ, nhiệt độ như trong bảng

16 Đường cong I-V màu cam biểu thị cho số liệu tính toán trên lý thuyết, đường cong màu xanh là đường cong thu thập được từ thực tế có dấu hiệu xảy ra sự cố Căn cứ vào hình dáng đường cong I-V màu xanh trong hình 50(a), có thể kết luận chuỗi đang gặp sự cố bóng che trong quá trình thu thập dự liệu

Trong mô hình hóa chuỗi pin bằng Matlab Simulink, đường cong P-V cho thấy nhiều điểm công suất cực đại cục bộ khi đường cong I-V gặp sự cố bóng che Hình 50(b) minh họa rằng đường cong P-V thực tế cũng xuất hiện nhiều điểm công suất cực đại, dẫn đến giảm hiệu suất hoạt động của hệ thống.

P/P' Voc/Voc' Isc/Isc' Vmpp/Vmpp' Impp/Impp' FF/FF'

Bảng 17 Tính toán mức độ giảm của các thông số

KẾT LUẬN

Tiêu đề	Mô hình chẩn đoán sự cố bóng che và bụi hệ thống điện mặt trời qua phân tích đường cong i v
Tác giả	Lê Trần Văn Anh, Nguyễn Hoàng Long
Người hướng dẫn	TS. Huỳnh Thị Minh Thư
Trường học	Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Năng lượng Tái tạo
Thể loại	Đề án tốt nghiệp
Năm xuất bản	2022
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	83
Dung lượng	9,07 MB