Mô hình hóa và mô phỏng sự thay đổi công suất đầu ra của pin quang điện khi một số thông số môi trường thay đổi sử dụng matlab

DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 1-1.. Mô hình mô ph ng Simulink m ngăpinăquangăđi nPV Array ..... 46 Hình 3-1.ăMôăhìnhăpinăquangđi năđ c xây d ng trong Matlab/Simulink .... - Giải thuật mới dò t

QUY TăĐ NHăGIAOăĐ TÀI - ii

XÁC NH N C A GI NGăVIểNăH NG D N - iii

LÝ L CH KHOA H C - iv

L IăCAMăĐOAN - vi

L I C M T - vii

TÓM T T - viii

M C L C - x

DANH SÁCH CÁC HÌNH - xiv

CH NGă1 T NG QUAN - 1

CH NGă2 C ăS LÝ THUY T LIÊN QUAN - 6

CH NGă3.MÔ PH NGăPINăQUANGăĐI N - 47

CH NGă 4.PH NGă PHÁPă TỊMă ĐI M CÔNG SU T C Că Đ Iă ĐÁPă NG CÁCăĐI U KI NăTHAYăĐ I - 57

CH NGă5 K T LU NăVÀăH NG PHÁT TRI N C AăĐ TÀI - 97

DANH SÁCH TÀI LI U THAM KH O - 98

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 1-1 Bi uăđ các ngu nănĕngăl ngăđi n toàn cầuănĕmă2011ă 1

Hình 1-2 B năđ b c x mặt tr i toàn cầu 2

Hình 2-1 Quang ph mặt tr i và hi u su t chuy năhóaăquangăđi n 7

Hình 2-2 Hi u ngăquangăđi n 8

Hình 2-3 Hi u su t c a các lo i v t li u tinh th dùng trong s n xu t phi n pin quangăđi n 11

Hình 2-4 Các d ng v t li uăPinăquangăđi n khác nhai 12

Hình 2-5 Các ng d ng khác nhau c aăpinăquangăđi n 14

Hình 2-6 M chăđi năt ngăđ ngăc aăpinăquangăđi n 18

Hình 2-7.ăMôăhìnhăpinăquangăđi nălỦăt ng 19

Hình 2-8.ăMôăđunăpinăquangăđi n 20

Hình 2-9.ăĐặc tuy n I-V v i các b c x khác nhau 21

Hình 2-10.ăĐặc tuy n P-V v i các b c x khác nhau 22

Hình 2-11.ăCácăpinăđ c nối song song 23

Hình 2-12.ăCácăpinăđ c nối nối ti p 23

Hình 2-13.ăCácăpinăđ c nối h n h p 24

Hình 2-14 Mô hình mô ph ng Simulink m ngăpinăquangăđi n(PV Array) 24

Hình 2-15.ăMôăđunăpinăquangăđi n khi b bóng che m t phần 26

Hình 2-16.ăĐặc tuy n P-Văt ngă ng v i b c x 0,25-0,5-0,75-1 kW/m2 c a hai dãy pin trong m ng pin g m 2 dãy pin song song, m i dãy có 6 pin ghép nối ti p (100W/1pin),ătrongăđóăcóă1ădƣyăpinăb bóng che 27

Hình 2-17.ăĐặc tuy n P-V t ng c a hai dãy pin trong Hình 2-16 27

Hình 2-18 M ngpinăquangăđi n trong th c t 28

Hình 2-19.ăS ăđ m chătĕngăápă 29

Hình 2-20 M chăđi năkhiăSăđóngă 30

Hình 2-25.ăCácăđi măMPPăd iăcácăđi u ki nămôiătr ngăthayăđ i 37

Hình 2-26.ăS ăđ khối c a h thống MPPT tiêu bi u 37

Hình 2-27 B DC/DC giúp hút công su t c căđ i từ pinăquangăđi n 39

Hình 2-28 Gi i thu t MPPT d aătrênăcácăđi n áp hằng số 41

Hình 2-29.ăĐặc tính c aăpinăquangăđi n 42

Hình 2-30.ă Đ th PVkhi b c x thayă đ i và s làm vi că tìmă đi m c că đ i c a ph ngăphápăP&Oă 43

Hình 2-31 Gi i thu t P&O 44

Hình 2-32.ăĐ dốc (dP/dV) c a PV 45

Hình 2-33 Gi i thu t INC 46

Hình 3-1.ăMôăhìnhăpinăquangđi năđ c xây d ng trong Matlab/Simulink 48

Hình 3-2.ăMôăhìnhăpinăquangăđi n thu g n 49

Hình 3-3 B ng thông số đầu vào c aăpinăquangăđi n có 36 cell nối ti p 51

Hình 3-4.ăĐặc tuy n I-V, P-V v i các b c x khác nhau (Nhi tăđ pin 250C) 52

Hình 3-5.ăĐặc tuy n I-V, P-V v i nhi tăđ v n hành khác nhau (b c x 1kW/m2) 52 Hình 3-6 Mô hình mô ph ng m ngăquangăđi n g m 8 module 53

Hình 3-7 K t qu mô ph ngăđặc tuy nI-VăvƠăđặc tuy nP-V c a m ngăquangăđi n g m 8pin 54

Hình 3-8.ăĐặc tuy n I-VăvƠăđặc tuy n P-V v i các b c x khác nhau 54

Hình 3-9.ăĐ ng cong P-V t iăđi u ki n G=1000 W/m² 55

Hình 4-1 C u hình b chuy năđ iănĕngăl ng cho 1 t m pin 58

Hình 4-2 C u hình b chuy năđ iănĕngăl ng cho toàn m ngpinăquangăđi n 59

Hình 4-3.ăL uăđ gi i thu t MPPT cho khi b nhăh ng c a bóng che 60

Hình 4-4.ăL uăđ gi i thu t MPPT cho c u hình b chuy năđ iănĕngăl ngăđ căđ xu t 61

Hình 4-5 C u hình c a m ng pinăquangăđi n 63

Hình 4-6 M ch boost trong Matlab và Simulink 63

Hình 4-7 D ngăsóngăđi năápăvƠădòngăđi n trên cu n dây L 64

Hình 4-8 C u hình m ng pin NLMT sử d ng 1 b DC/DC chung 67

Hình 4-9 C u hình bên trong khối MPPT 68

Hình 4-10 C u hình m ng pin NLMT sử d ng m t b DC/DC riêng cho từng pin 71 Hình 4-11 C u hình bên trong khối PV 72

Hình 4-12.ăS ăđ bên trong khối Subsystem 72

Hình 4-13 Thông số c a c u hình c a mô ph ng 74

Hình 4-14 Thông số c a b c x tĕngătừ 0,5 lên 1kW/m2 75

Hình 4-15 Thông số c a t m pin b bóng che 67% (ch có 12 pin ho tăđ ng) 75

Hình 4-16 B c x mặt tr iăthayăđ i từ 0.5 lên 1 kW/m2 76

Hình 4-17.ăĐápă ng c a b MPP trong c u hình 1 b chuy năđ iănĕngăl ng chung 76 Hình 4-18 (a) Công su t,ă(b)ăđi n áp pin, khi sử d ng 1 b DC/DC cho toàn m ng pin 78

Hình 4-19 (a) Công su t,ă(b)ăđi n áp t i, khi sử d ng c u hình 1 b DC/DC cho 1 pin 80

Hình 4-20 Công su tăthuăđ c từ 2 c u hình khác nhau 81

Hình 4-21 B c x mặt tr iătácăđ ng lên m ng pin 82

Hình 4-22 Thông số c a c u hình c a mô ph ng 83

Hình 4-23 Thông số c a b c x tĕngătừ 0,25 lên 0,5 kW/m2 84

Hình 4-24 Thông số c a t m pin khi không b bóng che 84

Hình 4-25 (a) Công su t,ă(b)ăđi n áp pin, khi sử d ng C u hình 1 - trongătr ng h p các pin b che b c x ch gi măđiă½ălầnăs ăv i các t m không b che 86

Hình 4-26 (a) Công su t,ă(b)ăđi n áp t i, khi sử d ng c uăhìnhă2.ăTrongătr ng h p các pin b che b c x ch gi măđiă½ălầnăs ăv i các t m không b che 87

Hình 4-27 Công su tăthuăđ c từ 2 c uăhìnhăkhácănhau.ăTrongătr ng h p các pin b che b c x ch gi măđiă½ălầnăs ăv i các t m không b che 88

Hình 4-28 Công su tăthuăđ c c a hai c u hình 89

Hình 4-29 Thông số c a c u hình c a mô ph ng 90

Hình 4-33 Công su tăthuăđ c từ 2 c u hình khác nhau 92 Hình 4-34 B c x mặt tr iătácăđ ng lên m ng pin 94 Hình 4-35 Công su tăthuăđ c từ 2 c uăhìnhăkhácănhauătrongătr ng h p nhi tăđ làm vi c c a 2 nhánh pin khác nhau 95 Hình 4-36 Công su tăthuăđ c c a hai c u hình 96

CH NG 1

T NG QUAN

1.1 T ng quan chung v lĩnh v c nghiên c u

Đ tài nghiên c u v mô ph ngăđặcătínhăpinăquangăđi n và vi c sử d ng pin quangăđi n hi u qu Pinăquangăđi n là m t thi t b chuy năđ i t nĕngăl ợng mặt

tr iăsangăđi nănĕng.ăHi nănay,ăđi nănĕngătrênăth gi iăđ ợc l y t nhi u ngu n khác nhau:ănĕngăl ợng hóa th ch chi m 68%,ănĕngăl ợng h t nhân chi m 12%, th yăđi n chi m 15%ăvƠănĕngăl ợng gióchi m 2% và các ngu nănĕngăl ợng khác (g mănĕngă

l ợng mặt tr i) chi m 2% Tuyănhiên,ăđ ngătr c bối c nh v ô nhi mămôiătr ng

và bi năđ i khí h u ngƠyăcƠngăgiaătĕng, các ngu n đi n đ ợc l y t mặt tr iăđangă

đ ợc chú tr ngăvƠă uătiênăphátătri n trên th gi i v i tốcăđ trungăbìnhălƠă25%/nĕm,

b iăvìătínhă uăvi c v h n ch nhăh ng tiêu c căđ nămôiătr ng, luôn có sẵn và là ngu nănĕngăl ợng vô t n Doăđó,ăđi n mặt tr iăđ ợc g i là m t trong các ngu n nĕngăl ợng c aăt ngălai

Hình 1-1 Bi uăđ ăcácăngu nănĕngăl ợngăđi nătoƠnăcầuănĕmă2011

vốnăđầuăt ăbanăđầu cao và hi u su t chuy năđ i th p (chỉ t 5%ăđ n 15%).ăDoăđó,ăcácăh ng nghiên c u trên th gi i hi n nay, t p trung vào vi c gi m giá thành đi n

mặt tr i thông qua gi m giá thành s n xu tăpinăquangăđi n và nâng cao hi u su t sử

d ng c a pin Đ th c hi nă đi u này, các nhà khoa h c t p trung vào ph ngăpháptìm các ngu n v t li u m i,ăph ngăphápăphátăđi n m i song song v iăph ngăphápăđi u khi nădòătìmăđi m công su t c căđ i (Maximum Power Point Tracking ậ MPPT) đ pinăquangăđi n có th ho tăđ ng ch đ tốiă uănh t v công su t có th

Vi t Nam có m t lợi th l n v vi c sử d ngănĕngăl ợng mặt tr i,ăđóălƠăv trí

đ a lý nằm gầnăđ ngăxíchăđ o,ăcóănĕngăl ợng b c x mặt tr iătrungăbìnhăđ t t 4kWh/m2/ngày ậ 5kWh/m2/ngày

Hình 1-2 B năđ ăb căx ămặtătr iătoƠnăcầu Trên th gi iăcũngănh ăt i Vi tăNam,ăđ nănayăđƣăcóănhi u nghiên c u v pin quangăđi n,ănh :ăNơngăcaoăvƠă năđ nhăhóaăđi n áp c aăPinăquangăđi n,ăCácăph ngăphápătìmăđi m công su t c căđ i c aăPinăquangăđi n, Các ngu n v t li u m iăđ ch

t o t bƠoăquangăđi n, C i thi n ch tăl ợng ngu năđi n t Pinăquangăđi n Riêng t i

tr ngăĐ i h căS ăph m Kỹ thu t Tp.HCM đƣăcóăcácăđ tài nghiên c u sau::

- Tối ưu hóa công suất hệ thống Pin mặt trời: Luận văn thạc sĩ/ Lê Ngọc

Phương Bình, 2013

- Tối ưu công suất hệ thống pin mặt trời: Luận văn thạc sĩ/ Phan Thanh

Nhi, 2012

- Giải thuật mới dò tìm điểm công suất cực đại của pin mặt trời: Luận văn

th ạc sĩ/ Nguyễn Đoàn Quốc Anh, 2011

- Khảo sát các thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT) trong hệ

th ống pin mặt trời: Luận văn thạc sĩ/ Ngô Xuân Mạnh, 2011

- Nghiên cứu điều khiển hệ thống kết nối pin mặt trời với lưới bằng biến

t ần lai: Luận văn thạc sĩ/ Lưu Kim Tuấn, 2011

- Dò tìm điểm làm việc cực đại trong hệ thống pin quang điện bằng

phương pháp logic mờ: Luận văn thạc sĩ/ Trần Văn Lưu, 2012

- Xây dựng giải thuật bộ dò điểm cực đại của Pin quang điện: Luận văn

Th ạc sĩ/ Nguyễn Thanh Thuận, 2012

1.2 Lý do ch n đ tài

Tác gi nh n th yăcácăđ tài gầnăđơy ch y uăđ c păđ năcácăph ngăphápătối

uă trongă vi că dòă tìmă đi m làm vi c có công su t c că đ iă trongă đi u ki n bình

th ng Tuy nhiên, khi pin mặt tr i ho tăđ ng tr c ti păd i ánh sáng mặt tr i s

gặp nhi u y u tố tácăđ ngăkhácănh ămơy,ăgió…ăt đóăd năđ n đ n b c x cũngănh ănhi tăđ tácăđ ngălênăcácăpinăkhôngăđ ngăđ u nhau, gây ra nhăh ng v đặc tính

ho tăđ ng c a pin

Lý do c a tác gi khi ch năđ tài này là nhằm mô ph ng s thayăđ i c aăđặc tuy n pin khi các thông số c aămôiătr ngăthayăđ i (c th là b c x và nhi tăđ ), quaăđóăxácăđ nhăph ngăphápătìmăđi m công su t c căđ i phù hợp

đ n s thayăđ iătrongăđặc tính c aăpinăquangăđi n, t đóălƠmăthayăđ iăđi m làm vi c

c aă pină quangă đi n (không còn đi m công su t c că đ i n a).ă Đi u này s làm

gi m hi u su t c a pin

Đ tài nghiên c u này nhằm giúp xác định tốt đi m làm vi c c c đ i c a

pin quang đi n khi pin quang đi n ho t đ ng trong th c t có các thông số từ môi tr ng thay đ i,ăđ m b oăpinăquangăđi n luôn ho tăđ ng trong tr ng thái tối

uănh t v mặt công su t

Trong ph m vi lu năvĕnănƠy,ătácăgi t p trung mô ph ng s thayăđ i v b c

x mặt tr i và nhi tăđ ho tăđ ng c a pin Nh ng mô ph ng này, nhằm ch ng minh

ph ngăánălắpăđặt t ng b DC-DC cho pin s mang l i công su t làm vi c c a pin caoăh n

1.4 Nhi m v và gi i h n đ tài

- Mô hình hóa và mô ph ngăpinăquangăđi n, phân tích đặc tuy n I-V, P-V

- Mô ph ngăpinăquangăđi n trong nh ngăđi u ki nă môiătr ng khác nhau, phân tích s ph thu că cácă đặc tính c a pină quangă đi n d iă cácă đi u ki n môi

tr ng

- Trình bày ph ngăánătốiă u dòătìmăđi m làm vi c c căđ i c a pin quang

đi n

1.5 Ph ng pháp nghiên c u

- Thu th p tài li uăliênăquanăđ năđ tài nghiên c uăđ tíchălũyăc ăs lý thuy t

- Sử d ng phần m măMatlab/Simulinkăđ mô hình hóa pinăquangăđi n d a trênăc ăs lý thuy t

- Th c hi n mô ph ng, nh n xét k t qu mô ph ngăvƠăđ aăraănh ngăđ xu t

CH NGă4:ă NHăH NG T CÁCăĐI U KI NăMỌIăTR NG

CH NGă5:ăTÌMăĐI M CÔNG SU T C CăĐ I

CH NGă6: K T LU N VÀ H NG PHÁT TRI N C AăĐ TÀI

C S LÝ THUY T LIÊN QUAN 2.1 Chuy n Quang năng thƠnh đi n năng

Các t m pin Mặt Tr i chuy năđ i tr c ti păánhăsángăthƠnhăđi nănĕng,ănh ă

th ngăđ ợc th y trong các máy tính cầmătayăhayăđ ng h đeoătay.ăChúngăđ ợc làm

t các v t li u bán d năt ngăt nh ătrongăcácăconăb đi n tử trong máy tính M t khi ánh sáng Mặt Tr iăđ ợc h p th b i các v t li uănƠy,ănĕngăl ợng Mặt Tr i s đánhăb t các h tăđi nătíchă(electron)ănĕngăl ợng th p trong nguyên tử c a v t li u bán d n, cho phép các h tătíchăđi n này di chuy n trong v t li u và t oăthƠnhăđi n Quá trình chuy năđ iăphotonăthƠnhăđi n này này g i là hi u ngăquangăđi n Cho dù

đ ợc phát hi n t h nă200ănĕmătr c, kỹ thu tăquangăđi n chỉ phát tri n r ng rãi trong ng d ng dân s k t cu c kh ng ho ng dầu m vƠoănĕmă1973

Các pin Mặt Tr iăthôngăth ngăđ ợc lắp thành m t module kho ng 40 phi n pin, và 10 module s đ ợc lắp g p l i thành chuỗiăQuangăđi n có th dài vài mét Các chuỗi Pin Mặt Tr i d ng phẳngănƠyăđ ợc lắp m t góc cố đ nhăh ng v phía Nam, hoặcăđ ợc lắp trên m t h thống hi u chỉnhăh ng nắngă đ luôn bắtăđ ợc

nắng theo s thayăđ iăquĩăđ o c a nắng Mặt Tr i Qui mô h thốngăquangăđi n có

th t m c 10-20 chuỗiăquangăđi n cho các ng d ng dân s ,ăchoăđ n h thống l n bao g măhƠngătrĕmăchuỗiăquangăđi n k t nối v iănhauăđ cung c păchoăcácăc ăs

s n xu tăđi n hay trong các ng d ng công nghi p

M t số d ng pin Mặt Tr iăđ ợc thi t k đ v năhƠnhătrongăđi u ki n ánh sáng Mặt Tr i h i t Các Pin Mặt Tr iănƠyăđ ợc lắpăđặt thành các collector t p trung ánh sáng Mặt Tr i sử d ngăcácălĕngăkínhăh i t ánhăsáng.ăPh ngăphápănƠyăcóă

mặt thu t lợi và b t lợi so v i m ng Pin Mặt Tr i d ng phẳng (flat-plate PV) Thu n

lợi đi m là sử d ng r t ít các v t li u Pin Mặt Tr i bán d năđắt ti nătrongăkhiăđóă

h p tốiăđaăánhăsángăMặt Tr i Mặt b t lợiălƠăcácălĕngăkínhăh i t ph iăđ ợcăh ng

thẳngăđ n Mặt Tr i,ădoăđóăvi c sử d ng các h h p thu t p trung chỉ khai tri n

nh ng khu v c có nắng nhi u nh t,ă đaă số đòiă h i vi c sử d ng các thi t b hi u

chỉnhăh ng nằng tối tân, kỹ thu t cao

Hi u qu c a Pin Mặt Tr i ph thu c tr c ti p vào hi u su t chuy năđ i ánh sáng thànhăđi nănĕngăc a phi n pin MặT TR I Chỉ có ánh sáng Mặt Tr i v i m c nĕngăl ợng nh tăđ nh m i có th chuy năđ i m t cách hi u qu thƠnhăđi nănĕng,ă

ch aăk đ n m t phần l năl ợng ánh sáng b ph n chi u l i hoặc h p thu b i v t li u

c u thành phi n pin Do đó,ăhi u su t tiêu bi u cho các lo i pin Mặt Tr iăth ngă

m i hi n nay v năt ngăđ i th p, kho ngă15%ă(t ngăđ ngăv i 1/6 b c x Mặt

Tr i chi uăđ năpinăđ ợc chuy năthƠnhăđi n)[v] Hi u su t th p d năđ n vi căđòiăh i tĕngădi n tích lắpăđặtăđ đ tăđ ợc công su tăđ aăra,ăt călƠătĕngăgiáăthƠnhăs n xuầt Doăđó,ăm cătiêuăhƠnhăđầu hi n nay c a ngành công nghi păĐMTălƠătĕngăhi u qu Pin và gi măgiáăthƠnhătrênăđ năv phi n pin

Hình 2-1 Quangăph ămặtătr iăvƠăhi uăsu tăchuy năhóaăquangăđi n

nhau, Hình 2-2

Hình 2-2 Hi uă ngăquangăđi n

Có 3 l p v t li u chính: l p trên cùng g i là silicon lo i n (n: negative, âm),

v t li u này có kh nĕngă“phóngăthích”ăcácăh tătíchăđi n âm g i là electron m t khi

đ ợcăđ aăraăngoƠiăánhăsángămặt tr i L păd i cùng g i là l păp,ătíchăđi năd ngăkhi ti p xúc v i b c x Mặt Tr iă(p:ăpositive,ăd ng).ăL p v t li u gi a g i là l p chèn (junction), l pănƠyăcóăvaiătròănh ăm t l p phân cách (insulator) gi a l p n và

l păp.ăCácăeletronăđ ợc phóng thích t l p n s di chuy nătheoăđ ng ít b c n tr

nh t, t c là di chuy n t l pănătíchăđi n âm bên trên v l păpătíchăđi năd ngă bênăd i.ăNh ăv y, n uăvùngăpăvƠăvùngănăđ ợc nối b i m t m chăđi n t o b i các dây d n m ng, dòng electron s di chuy n trong m chăđi n này, t oăraădòngăđi n

m t chi u có th đ ợc sử d ng tr c ti p hoặcăđ ợcă“d tr ”ăđ dùngăsau.ăC ngăđ

dòngăđi n sinh ra ph thu c vào số l ợngăvƠăph ngăth c nối các t bào Mặt Tr i trong pin Mặt Tr i

V t li u bán d năc ăb năvƠăđ ợc sử d ng r ng rãi nh t trong t bào quang

đi nălƠăsiliconăđ nătinhăth Các t bƠoăsiliconăđ nătinhăth cũngăcóăhi u su t cao

h năc ,ăthôngăth ng có th chuy năđ iăđ nă23%ănĕngăl ợng Mặt Tr i thu nh n

đ ợcăthƠnhăđi n Các t bƠoănƠyăcũngăr t b n và có tu i th sử d ng cao V năđ

ch y u là giá thành s n xu t T o nên silicon tinh th l n và cắt chúng thanh nh ng

mi ng nh và m ng (0,1-0,3 mm) là r t tốn th i gian và chi phí cao Do lý do này,

đ gi m giá thành s n xu t,ăng i ta phát tri n nghiên c u các v t li u thay th cho

t bƠoăsiliconăđ nătinhăth , ví d nh ăt bào siliconăđaătinhăth ,ăcácăpinăquangăđi n công ngh “mƠngăm ng”,ăvƠăcácăt hợp t p trung

2.1.1.b H thống Pin Quang Đi n (Photovoltaic System)

C ăch quangăđi n cho th yăc ngăđ dòngăquangăđi n tỷ l thu n v iăc ng

đ ánh sáng Mặt Tr i.ăDòngăđi n sinh ra truy n qua chuỗi các t bƠoăquangăđi n, hay còn g iălƠămoduleăquangăđi n, có th cung c păđi n b t c qui mô nào, t vài miliwattă(MW)ănh ătrongămáyătínhăb túiăchoăđ năvƠiăMWănh ăquiămôăcácănhƠămáyă

đi n.ăDòngăquangăđi n m t chi u có th đ ợc n p vào bình acquiăđ d tr cho các sinh ho t v bană đêmă hoặc vào nh ng ngày không có nắng M t b đi u khi n

th ngăđ ợc cài gi a module và bình ắcăquiănh ăm t d ng ốnăáp,ăgiúpătránhătr ng

hợp ắc qui b s c quá t i Toàn b các thi t b này liên k t l i thành h thống Quang

Đi n s n xu tăđi n m t chi uăcóăđi n th doăđ ng t 12ăđ nă24ăvolt.ăĐi n m t chi u

có th đ ợc chuy năđ iăthƠnhăđi n xoay chi u thông qua b bi năđi n B bi năđi n DC/AC ngày nay có công su t t 100-20,000 W và hi u su tăđ t t i 90%

Các module có th đ ợc lắp nối v i nhau m t cách d dàng t o thành chuỗi module có công su tăđápă ng v i nhu cầuăđi năđặt ra M tăkhiăđ ợc lắpăđặt, thì chi phí b o trì cho module gầnănh ăkhôngăđángăk

Module và các chuỗiăquangăđi năth ngăđ ợcăđánhăgiáăd a vào công su t tối

Mass 1,5, góc nắng chi uănghiêngă370).ăDoăcácăđi u ki n thử nghi m trong phòng thí nghi mălƠăt ngăđốiălỦăt ng so v iăđi u ki n th c t c a các khu v c lắpăđặt ĐMT,ăcácămoduleăchỉ đặt hi u su t cỡ 85-90% hi u su t thử nghi m đi u ki n chuẩn (STC) Các module quangăđi n ngày này r t an toàn, b năvƠăđángătinăc y, v i

tu i th sử d ngădaoăđ ng t 20-30ănĕm

2.1.1.c Hi u su t c a Pin Mặt Tr i

Hi u su t tốiăđaăc a phần l n pin MT hi n nay trên th tr ng là 15%, t c

là chỉ có 15% ánh nắng Mặt Tr iăđ ợc Pin Mặt Tr i chuy năthƠnhăđi n Mặc dù trên

lý thuy t, hi u su t tốiăđaăc a pin Mặt Tr i có th đ tăđ n 32,3% (t c là có giá tr kinh t r t l n), trên th c t hi u su t th păh năh năm t nửa giá tr lý thuy t, và con

số 15%ăkhôngăđ ợc các ngành công nghi pănĕngăl ợng xem là mang l i lợi ích kinh

t Các ti n b kỹ thu t gầnăđơyăchoăphépăt o ra trong phòng thí nghi m các t bào quangăđi năđ t hi u su t t i 28,2% Các pin Mặt Tr i d ng này v n còn ph i qua các thử nghi mătrongăđi u ki n th c t N u thử nghi m thành công trong các môi

tr ng thử nghi m khắc nghi t trong t nhiên, các pin Mặt Tr i d ng này s đ ợc xem là mang l i lợi ích kinh t c th vƠădoăđóăvi c phát tri năđi n Mặt Tr i qui mô

l n là có tính kh thi v mặt kinh t

Hình 2-3 Hi uăsu tăc aăcácălo iăv tăli uătinh th ădùngătrongăs năxu tăphi năpină

quangăđi n

2.1.2 Các ng d ng c a Quang Đi n

Ngày nay, ng d ng c aăĐMTăr tăđaăd ng qui mô nh ,ă ĐMTă đ ợc sử

d ngăđ cung c păđi n cho vi c thắp sáng nhà cửa, t l nh và các ng d ng gia

d ngăvƠăkinhădoanh.ăĐMTăđặc bi t có giá tr vùng sâu vùng xa, khi vi c k t nối

v iăl iăđi n là r t tốn kém hoặc không kh thi qui mô l năh n,ăcácănhƠămáyăĐMTăđ ợc sử d ngăđ cung c păđi n b sung vào h thốngăl iăđi n trung tâm

Các ng d ng v vi n thông c aăĐMTăcũngăr tăđaăd ng Pin Mặt Tr iăđ ợc dùng trong thu phát vi sóng, các h thốngăđƠiăvôătuy n cầm tay, các h thốngăđi u khi n t xa, truy n thông vô tuy n,ăđi n tho i, các h păđi n tho i khẩn c p trên xa

l Nhi u ng d ng trong thi t b đi n tử gia d ngănh ămáyătínhăcầm tay, máy vi tính,ăđ ng h đoătay,ămáyăthuăhình ă

nghi p, quân s , giao thông v n t i và các ngành công nghi p dầuăkhíăcũngăsử d ng các h thốngăĐMTăđ v n hành các tín hi u c nhăbáo,ăcácăđènăhi u c t mốc d n

đ ng, các tín hi u khẩn c p, các b ngăđi u khi n giao thông, các tín hi u xe lửa v.v

Hình 2-4 Cácăd ngăv tăli uăPinăquangăđi năkhácănhai

M t trong nh ng ng d ng r ng rãi nh t ngày nay c aăĐMTălƠăcungăc păđi n cho các tr m theo dõi d báoăđặt vùng sâu vùng xa Hầu h t trong số h nă20ăngƠnă

h thốngăĐMTăph c v công tác d báo sử d ng ngày nay trên khắp th gi i có công su t nh h nă200ăWăvƠădùngăđ theo dõi th i ti t, nhi tăđ vƠăl uăl ợngăn c, giámăsátăl ợng ch t th i công nghi p và rò rỉ đ ng ống v.v

Pin Mặt Tr i còn có th cung c păđi n cho h thốngăb măn c ph c v t i tiêu,ăn c sinh ho t hoặcăn c sử d ng trong các nhà máy công nghi p

2.1.3 Các d ng h thống Quang Đi n

2.1.3.a H thống hòa m ng

Có hai d ng h thốngăquangăđi n k t m ng: tr c ti p và tr ắc qui Module quangăđi n và b chuy n AC/DC là 2 thành phần thi t y u trong c 2 d ng h thống hòa m ng.ăModuleăquangăđi n có vai trò chuy năđ i ánh sáng Mặt Tr i thành dòng

đi n m t chi u, và b chuy n AC/DC chuy nădòngăđi n m t chi uănƠyăthƠnhăđi n 2 chi u

H thốngăquangăđi n nối m ng tr c ti păt ngăđốiăđ năgi năh năvƠăhi u qu

h nătrongăvƠiătr ng hợp H thống này chuy năđ i t c th iădòngăđi n m t chi u thƠnhăđi n xoay chi u và k t nối vàoăđ ng h đi n trung tâm T iăđơy,ăquangăđi n chia t i v i h thốngăđi năl iăvƠăquayăng ợcăđ ng h đi n b t c khi nào có thặng

d ăđi n[vii].ăĐơyălƠăd ng thi t k giá thành th p/ti t ki m H thống này không có

bi n pháp d phòng vì nó không sử d ng b t c thi t b tr đi n nào N u ngu n

đi n trung tâm b cắt, thì s x y ra hi năt ợngăcúpăđi n đầu t i

H thốngăquangăđi n sử d ng bình tr đi n ắc qui thì khắc ph căđ ợcătr ng

hợp m tă đi n khi ngu nă đi n trung tâm b cắt H thống bao g m m t b ắc qui[viii]và các thi t b đi u khi năđi n tử ph c t p M t khi ngu năđi n trung tâm b

cắt vào ban tối,ăđi n d tr t ắc qui s đ ợc sử d ng thay th choăđ n khi c n ngu n d tr N u ngu năđi n b cắt vào ban ngày, h thốngăpinăquangăđi n s liên

t c n p ắc qui, t đóăkéoădƠiăkh nĕngăd tr đi n cho ban tối

2.1.3.b H thống đ n lẻ (c c b - stand alone)

t i đi n m t chi u và/hoặcăđi n xoay chi u công su t nh H thống c c b có th

chỉ ho tăđ ng d a vào duy nh t các m ngămoduleăquangăđi n, hoặc có th k t hợp

v i các ngu năkhácăkhácănh ăđi năgió,ămáyăphátădieselă ănh ăngu n phát th c p (còn g i là h quangăđi n liên k t ậ hybrid system, Hình 2-5

Hình 2-5 Các ngăd ngăkhácănhauăc aăpinăquangăđi n Đối v i hầu h t các h thốngăđi n Mặt Tr i gia d ng thì bình ắcăquiăđ ợc sử

d ngăđ tr đi n Mặt Tr i cho vi c sử d ng vào bu i t i và vào các ngày không

nắng hoặc nắng y u Vào nh ng ngày nắng tốt, bình ắc qui s đ ợc s căđầy nh dòng DC t moduleăquangăđi n, và t iăđi n s sử d ngăđi n sặc t bình ắc qui

2.2 Quang năng

2.1.1 Quang ph

Khái ni mă“V t th đen”ă(Blackbody): là m t khái ni m lý thuy t so sánh, dùngăđ mô t đ b c x c a m tăđốiăt ợng Nĕngăl ợng b c x c a m t v t th là hàm số ph thu c vào nhi tăđ

Ph ngătrìnhăb c x c a v t th đenăđ ợc cho b iăđ nh lu t Planck:

σ:ăhằng số Stefan-Boltzmann = 5.67e-8 Wm-2K-4

T : nhi tăđ tuy tăđối (K)

Di n tích c aăđ th trên gi a 2 giá tr b c sóng b t kỳ chính là công su t

b c x c a v t th trong kho ngăb căsóngăđó.ăN ul ytíchăphơnăđ th trênt 0ăđ n

Công su t b c x c a v t th đenă5800ăKă(toƠnăb di n tích c aăđ ng cong)

là 1,37 kW/m2, bằng v i công su t b c x t ng c a mặt tr i ngoài khí quy n trái

đ t Công su t b c x t ng c a mặt tr iăđ ợc phân tỷ l nh ăsau:ănh ngăb c sóng

d i tia c c tím (UltraViolet-UV) chi m 7%, trong vùng kh ki n chi m 47%, t vùng h ng ngo i (Infrared-IR) tr lên chi mă46%ă(b c sóng trong vùng kh ki n

có tầm t 0.38µmăđ n 0.78 µm)

Khi b c x mặttr iăđiăvƠoăkhíăquy năcúatráiăđ ts b h pthu b i nhi uthành

phần.Doăđó,ăđ ng cong ph b c x c a mặttr i nh năđ ợctrên mặtăđ t b méo d ng nhi uso v i ngoài không gian Ph b c x nh năđ ợc trên mặtăđ t còn ph thu c vào góc chi u c a mặt tr i so v i b mặtătráiăđ t,ăđ ợc ph n ánh theo tỷ số AM

2.1.2 Định nghĩa tỷ số AM(Air Mass ratio)

Doătráiăđ t có d ng hình cầu, vì th mỗi góc chi u khác nhau thì tia sáng mặt

tr i s xuyênăquaăquƣngăđ ng trong khí quy n khác nhau Tỉ số AMăđ ợcătínhănh ăsau:

kAM= 1,5ă đ ợc phân tỷ l nh ă sau:ă nh ngă b c song d i UV chi m 2%, trong vùng kh ki n chi m 54%,t vùng IR tr lên chi m 44%.

Đ ngăcongăcóăkhuynhăh ng gi m l i và d ch chuy n v phíaăb c sóng

l n khi kAMtĕngălên

2.1.3 Hi u su t c a v t li u quang đi n

B c x mặt tr i phát ra theo m t dãy r t r ng, tuy nhiên chỉ có nh ng tia b c

x ( ng v iăb căsóngăλ)ăcóănĕngăl ợng l năh năm cănĕngăl ợng kích ho t electron

c a ch t bán d n (tuỳ t ng ch t bán d n) m i có kh nĕngăt o ra hi năt ợng quang

đi n

Hi u su t c a pin silicon m c d i 50% Th ct , pin silicon còn có hi u

su t nh h n25%, b i vì nh ng nguyên nhân sau:

+ N i tr c a pin gây t n hao công su t

+ Nh ng photon không đ ợc h p th hoàn toàn do ph n x ng ợc l i hoặc đi xuyên qua pin

+ Electron t do và lỗ trống có khuynh h ng k t hợp làm gi m dòng đi n pin

+ Giátr đi n áp band-gapkhi đo haiđầu pin chỉ kho ng ½ đ n 2/3 giá tr đầy đ

2.3 Pin quang đi n

M t l p ti p xúc bán d n p-n có kh nĕngăbi năđ i tr c ti pănĕngăl ợng b c x

mặt tr iă thƠnhă đi n nh hi u ngă quangă đi nă đ ợc g i là pină quangă đi n S ă đ

t ngăđ ngăc a pinăquangăđi n g măcóădòngăquangăđi n Iph,ăđiot,ăđi n tr dòng rò

RshvƠăđi n tr nối ti p Rs, Hình 2-6:

Hình 2-6 M chăđi năt ngăđ ngăc aăpinăquangăđi n Theo hình ta th y, đặc tuy n I-V c aăpinăđ ợc mô t bằng bi u th c sau:

− 1 − +

(2-5) q:ăđi n tích electron 1,6x10-19 (C);

A: h số lỦăt ng c a pin;

Iph:ădòngăquangăđi n (A);

k: hằng số Boltzmann’s,ă

k =1,38x10-23(J/K);

Is: dòng bão hòa (A);

Tc: nhi tăđ v n hành c a pin (K);

Công th c tính dòngăquangăđi n IPH:

Trongăđó:

K1: h số dòngăđi n ph thu c vào nhi tăđ (A/0C);

Tc: Nhi tăđ v n hành c a pin quang đi n (K);

TRef: Nhi tăđ tiêu chuẩn c a pinăquangăđi n (K);

−1

(2-7) Trongăđó:

IRS:ăDòngăđi năng ợc bão hòa t i nhi tăđ tiêu chuẩn (A);

EG: Nĕngăl ợng lỗ trống c a ch t bán d n

M tăpinăquangăđi nălỦăt ng có đi n tr dòng rò Rshlà r t l nă(xemănh ă∞),

Rslà r tăbéă(xemănh ă0) M chăđi năt ngăđ ngăc a pinăquangăđi n đ ợc cho b i Hình 2-7:

Hình 2-7 Mô hình pinăquangăđi n lỦăt ng

Bi u th c (2.1) đ ợc vi t l i:

M chăđi năt ngăđ ngăc aămôăđunăpinăquangăđi n g m có Np nhánh song song và Ns pin nối ti păđ ợc mô t nh ăHình 2-8:

Hình 2-8 Môăđunăpinăquangăđi n

S dĩătaăph i ghép song song và nối ti p là vì công su t c a pinăquangăđi n và

đi năápăth ng là nh Vì v y, các pinăquangăđi n đ ợc ghép nối v i nhau theo d ng nối ti p - songăsongăđ sinhăraăl ợng công su tăvƠăđi năápăđ l n Dòng di n khi ghép nối ti p có công su tănh ăsau:

I = NPIPH − NPIS EN S KT C AqV − 1 (2-10)

Nhi tăđ làm vi c c a pinăquangăđi n th ngăcaoăh nănhi tăđ môiătr ng, do pinăquangăđi n làm vi c tr c ti păd i ánh sáng mặt tr i, c ng v i màu c a pin là màu tối d h p th nhi t

Đặc tuy n I-Văt ng ng v i tùng b c x nh tăđ nhăđ ợc mô t nh ăsau:

Hình 2-9 Đặcătuy năI-Văv iăcácăb căx ăkhácănhau

Hình 2-10 Đặcătuy năP-Văv iăcácăb căx ăkhácănhau

2.4 T o m ng quang đi n

Trong th c t ,ăđi năápăvƠădòngăđi n làm vi c c aăpinăquangăđi n r t nh , m t pinăPVăcóăđi n áp làm vi c t 0,55ăđ n 0,61 V Đ t oăraădòngăđi n làm vi c l n thì ghépăsongăsongăcácăpin,ăđ t oăraăđi n áp làm vi c l n thì ghép nối ti p các pin:

Hình 2-11 Các pin đ ợcănốiăsongăsong

Hình 2-12 Cácăpinăđ ợcănốiănốiăti p

Hình 2-13 Cácăpinăđ ợcănốiăhỗnăhợp

Hình 2-14 Môăhìnhămôăph ngăSimulinkăm ngăpinăquangăđi n(PV Array) Bên c nhăđó,ăcácăy u tố khácănh ăc ngăđ chi u sáng, nhi tăđ , hi năt ợng bóngărơm ăcũngă nhăh ngăđ nđặc tính c a pin quangăđi n

2.5 Tác đ ng c a bóng che đ n pin quang đi n

Công su tăvƠăđi n áp c a mỗiăpinăquangăđi năth ng nh (công su t kho ng 2WăvƠăđi n áp kho ng 0,5V) Vì th ,ăđ pinăquangăđi n có th đápă ngăđi u ki n làm vi c th c t ,ăthìătaăth ng ghép nối ti p và song song các pin v iănhauăđ tĕngă

đi năápăvƠădòngăđi n làm vi c Nh ăđ ợc mô t Hình 2-8, m t mô-đunăpinăquangă

đi n có Np nhánh song song và Ns pin nối ti p:

In = IPHn − ISn EN S KT C Aq V n − 1 (2-13) Dòngăđi n c a t m pin làm vi căbìnhăth ng

Công su t c a pin

Hình 2-15 Môăđunăpinăquangăđi n khiăb ăbóngăcheăm tăphần

(Gi ăthi tărằng:ăcóăkăphầnătửăb ăbóngăcheă1ăphần)

Nh ng nhánh pin không b bóng che lúc h m chăđi n áp bằng V, còn các nhánh pin b bóng che lúc h m chăđi n áp bằng V1, lúc này V > V1 Khi t m pin này làm vi c, đi n áp làm vi c hi n t i là V2 N u V1<V2<V lúc này các dãy pin b bóngă cheă khôngă phátă đ ợc công su t,ă choă đ n khi V1>V2 lúc này cá dãy pin b bóng che có kh nĕngăphátăcôngăsu t

Hình 2-16 Đặcătuy năP-Văt ngă ngăv iăb căx ă0,25-0,5-0,75-1ăkW/m2ăc aăhaiă

dãy pin trong m ng pinăg m 2ădƣyăpinăsongăsong,ămỗiădƣyăcóă6ăpinăghépănốiăti pă

(100W/1pin),ătrongăđóăcóă1ădƣyăpinăb ăbóngăche

Đặc tuy n P-V c a nhánh pin không b bóng

Đặc tuy n P-V c a nhánh pin b bóng che

công su t c a 2 dãy pin, t iăđi măMPPănƠy,ăkhiăxétăđ n vùng làm vi c c a t ng dãy pin, thì dãy pin b bóngăcheăđangălƠmăvi căđúngăđi m MPP c a chúng, còn dãy pin không b bóngăcheăđang làm vi c b nătráiăđi măMPPăhayălƠăđangălƠmăvi c quá vùng

đi u khi năđ ợc Trong h thống pinăquangăđi n, b bi năđ iăDC/DCăđ ợc k t hợp

chặt ch v i m t b MPPT B MPPT sử d ng b bi năđ iăDC/DCăđ đi u chỉnh ngu năđi n áp vào l y t ngu n pinăquangăđi n, chuy năđ i và cung c păđi n áp l n

2.5.1 B chuy n đ i DC/DC boost converter

B chuy năđ i boostăconverterăhayăcònăđ ợc g i là b tĕngăáp.ăB bi năđ i này dùngătrongăcácătr ng hợp có t iăđòiăh iăđi n áp l năh năđi n áp c a pin B

bi năđ i này ho tăđ ng d aăvƠoăđặcătínhăl uătr vƠătíchăphóngănĕngăl ợng c a cu n dây

Hình 2-19 S ăđ ăm chătĕngăáp KhiăSăđóngăchoădòngăquaă(TON)ădòngăđi n t ngu n ch y qua cu nădơy,ănĕngă

l ợng t tr ngăđ ợcătíchălũyătrongăcu nădơy.ăKhôngăcóădòngăđi n ch yăquaăđiốt D

và dòng t iăđ ợc cung c p b i t đi n C

Hình 2-20 M chăđi năkhiăSăđóng Khiăđó:

Hình 2-21 M chăđi năkhiăSăm

2.5.2 B chuy n đ i DC/DC buck converter

M chăbuckăconverterăhayăcònăđ ợc g i là m ch gi m áp B bi năđ i này phù

hợp v i các ng d ngăcóăđi n áp yêu cầu nh h năđi năápăđầu vào Nguyên lý ho t

đ ng c a b bi năđ i này d aăvƠoăđặcătínhăl uătr vƠătíchăphóngănĕngăl ợng c a

cu n dây.Hình 2-23 cho th yc uăhìnhăc ăb nc am t b chuy năđ ibuck.M t số b chuy năđ icódiodethay th bằngm tcông tắc th haiđ ợctíchhợpvào b chuy năđ i

Hình 2-23 C uăhìnhăm chăbuck

VIN(min)=ăđi n áp ngõ vào nh nh t

VOUT=ăđi n áp ngõ ra mong muốn

ƞ = Hi u su t m ch,ă c tính 90%

Nĕngăl ợng trong cu n c m:

∆ = 1 −( � −V out )×

VIN(min)=ăđi n áp ngõ vào nh nh t

D = chu kỳ ho tăđ ngăđ ợc tính trong công th c 2-10

� = ( � )−∆2 (2-30)

ILIM(min) = giá tr nh nh t c a gi i h nădòngăđi n c a công tắc tích hợpă(đ ợc

đ aăraătrongăb n d li u)

ΔIL=ănĕngăl ợng trong cu n c măđ ợc tính trong công th c 2-.29

D = chu kỳ ho tăđ ngăđ ợc tính trong công th c 2-28

N u giá tr tínhlƠăh ndòngăđi n ngõ ra c căđ ic a ng d ng, dòngăđi n c căđ i qua công tắctrong h thốngăđ ợctính toán:

(max )=∆

IOUT(max) =ădòngăđi n ngõ ra cần thi t cho ng d ng

ĐơyălƠădòngăđi năđỉnh, cu n c m, các công tắc tích hợp và diode bên ngoài

VOUT=ăđi n áp mong muốn ngõ ra

fs = tần số đóngăcắt nh nh t c a công tắc trong m ch

ΔIL=ănĕngăl ợng trong cu n c m,ăđ ợc gi iăthíchănh ăsau

cătínhăchoăsóngădòngăđi n trong cu n c m là t 20%ăđ n 40% c a dòng

đi n ngõ ra

∆ = 0.2 đến 0.4 ) × ( � )

ΔIL=ăsóngădòngăđi nă c tính cho cu n c m

IOUT(max) =ădòngăđi n ngõ ra c căđ i cần thi t trong ng d ng

2.7 Đi m làm vi c c c đ i c a pin quang đi n

Giá thành hi n t i c a pinăquangăđi n khá là cao, vì v y cần ph i sử d ng

hi u qu pinăquangăđi n,ăsaoăchoăpinăđ t hi u su t cao nh t có th

Mỗiă pină quangă đi n s có m tă đ ngă đặc tuy n công su t ậ đi nă ápă (đặc tuy n PV),ătrênăđ ngăđặc tuy n này t n t i m tăđi m MPP ng v i dòngăđi n và

đi năápăt ngă ng