Dò tìm điểm làm việc cực đại trong hệ thống pin quang điện bằng phương pháp logic mờ

D̀ t̀m đỉm cực đại MPPT là phương pháp được sử dụng đ̉ tối đa hóa s̉n lượng điện đầu ra của t́m quang điện bằng cách theo dõi liên tục các đỉm công sút cực đa ̣i MPP.. Trong số t́t c

LVTN Lời Cám n

L I C M N

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy TS Trư ng Viê ̣t Anh đã tận tình h ớng dẫn tôi

hoàn thành luận văn này

Chân thành cảm ơn quí thầy cô Tr ờng Đại học S Phạm Kỹ Thuật TP.HCM và

Tr ờng Đại Học Bách khoa TP.HCM đã giảng dạy tôi trong suốt hai năm học

Xin cám ơn anh Nguyễn Thanh Thuận , tr ởng Khoa Điện – tr ơng Cao đẳng

nghê Đông An đã giúp đỡ, chia sẻ kinh nghiệm, động viên tôi trong suốt thời gian

th ̣c hiê ̣n luận văn nay

Và cuối cùng, xin chân thành cảm ơn gia đình ng ơi thân va ca c anh chi ̣ đang công tac tại Trung tâm ng dụng Tiên bộ Khoa học va Công nghê ̣ Đông Nai đã động viên, hỗ trợ tôi trong suốt quá trình học tập

Thành phố Hồ Chí Minh, 10/2012

Trần Văn L u

LVTN Tóm Tắt

TịM T T

Đặc tính đâu ra của tâm quang điện là phi tuyến và thay đổi theo nhiệt độ của

tế bào và bức xạ mặt trời D̀ t̀m đỉm cực đại (MPPT) là phương pháp được sử dụng đ̉ tối đa hóa s̉n lượng điện đầu ra của t́m quang điện bằng cách theo dõi liên tục các đỉm công sút cực đa ̣i (MPP) Trong số t́t c̉ các phương pháp MPPT được biêt đên , phương phap nhiễu loa ̣n và quan sát (P & O) và gia tăng điê ̣n dẫn (INC) là phổ biến nh́t được sử dụng đơn gỉn và dễ thực hiện; Tuy nhiên, các phương phap nay th̉ hiện nhược đỉm như tốc độ ph̉n ứng chậm, dao động xung quanh MPP trong trạng thái ổn định, và thậm chí theo dõi mô ̣t cach sai lầm dưới sự thay đổi nhanh chóng điều kiện khí quỷn

Trong bài báo này, ch́ng được hỉn thị ra những tác động tiêu cực liên quan đến nhược đỉm có th̉ được gỉm đi ŕt nhiều nếu các phương pháp thông minh được sử dụng đ̉ c̉i thiện P & O và thuật toán Inc Các bước nhiễu loạn liên tục x́p

xỉ bằng cách sử dụng Fuzzy Logic Controller (FLC) Bằng cách mô phỏng, sự hợp ĺ của các thuật toán điều khỉn đề nghị được chứng minh

LVTN Abstract

ABSTRACT

The output characteristics of photovoltaic arrays are nonlinear and change with the cell’s temperature and solar radiation Maximum power point tracking (MPPT) methods are used to maximize the PV array output power by tracking continuously the maximum power point (MPP) Among all MPPT methods existing in the literature, perturb and observe (P&O) and incremental conductance (InC) are the most commonly used for these simplicity and ease of implementation; however, they present drawbacks such as slow response speed, oscillation around the MPP in steady state, and even tracking in wrong way under rapidly changing atmospheric conditions

In this paper, it is shown that the negative effects associated to such a drawback can be greatly reduced if the intelligent method is used to improve P&O and Inc algorithm The perturbation step is continuously approximated by using Fuzzy Logic Controller (FLC) By the simulation, the validity of the proposed control algorithm is proved

LVTN Mục Lục

M C L C

Trang

Lụ L CH KHOA H C i

L I CAM ĐOAN ii

L I C M N iii

TịM T T iv

ABSTRACT v

M C L C vi

DANH SÁCH CÁC CHỮ VI T T T viii

DANH SÁCH CÁC B NG ix

DANH SÁCH CÁC HÌNH x

L I M Đ U 1

Ch ng 1: T NG QUAN 1.1 Tổng quan vê năng l ̣ng quang điê ̣n 2

1.1.1 Câu truc của mă ̣t trơi 2

1.1.2 Năng lượng của mặt trời 3

1.1.4 Tiêm năng năng lượng mă ̣t trơi ở Viê ̣t Nam 8

1.2 Đ nh h ng c a đ tƠi 12

1.3 Nhi m v lu n văn 12

1.4 K t qu mong mu n đ t đ c 12

Ch ng 2: C S Lụ THUY T 2.1 Pin quang điê ̣n 13

2.1.1 Câu ta ̣o của pin quang điê ̣n 13

2.1.2 Mô hinh vâ ̣t ly của pin Quang điê ̣n 14

2.1.3 Mô hinh toan của pin quang điê ̣n 14

2.2 Ĺ do ph i d̀ t̀m đi m lƠm vi c c̣c đ i 19

Mô hốnh toan của bô ̣ chuyển đổi DC-DC 23

LVTN Mục Lục

2.3.2 Mạch boot converter 27

Ch ng 3: NGHIểN C U PH NG PHÁP Dọ TỊM ĐI M CỰC Đ I 3.1 Mô h̀nh mô phỏng hê ̣ thông điê ̣n pin mă ̣t tr i trong matlab/Simulink 32

3.2 Ćc ph ng ph ng phap do tốm điểm c ̣c đa ̣i của hê ̣ thông pin quang điê ̣n 35

3.2.1 T̀m đỉm làm việc cực đại của pin mặt trời băng phương phap P & 35

3.2.2 Phương pháp InC (Incremental Conductance) 38

3.2.3 Phương phap sử dụng điê ̣n dung ky sinh (parasitic capacitance) 40

3.2.4 Phương phap điêu khiển điê ̣n ap 41

3.3 Ph ng phap logic m 43

3.3.1 Các giá trị đầu vào 45

3.3.2 Mơ hoa các giá trị đầu vào và đầu ra (Fuzzification) 46

3.3.3 Luâ ̣t điêu khiển mơ 50

3.3.4 Gỉi mờ 52

Ch ng 4: K T QU MỌ PH NG 4.1 Mô hốnh mô phỏng hê ̣ thông quang đi n s̉ d ng ph ng ph́p P&O trong simulink matlab 54

4.1.1 Mô hinh mô phỏng 54

4.1.2 Kết qủ mô phỏng 54

4.2 Mô hốnh mô phỏng hê ̣ thông quang điê ̣n s ̉ dụng ph ng phap FLC trong simulink matlab 56

4.2.1 mô hinh mô phỏng 56

4.2.2 Giơi thiệu các khối chính trong mô h̀nh 57

4.2.3 Kêt quả mô phỏng phương phap FLC trên phân mên Matlab 62

Ch ng 5: K T LU N VÀ KI N NGH 5.1 K t lu n 69

5.2 H n ch 69

5.3 Ki n ngh vƠ h ng ph́t tri n đ tƠi 70

TÀI LI U THAM KH O 73

LVTN Danh Sách Các Chữ Viết Tắt

PV (Photovoltaic)μ Pin quang điện

NLMT : Năng lượng mă ̣t trơi

MPP (Maximum power point): Điểm lam viê ̣c cực đa ̣i

MPPT (Maximum power point tracking): D̀ t̀m đỉm công sút cực đại

P&O (Perturb & Observe)μ Thuật toán quan sát và nhiễu loạn (biến đổi đ̉ đạt đến đỉm cực đại), c̀n gọi là phương pháp “Hill climbingμ Leo đ̀i”

IncCond (Incremental Conductance): Gia tăng điê ̣n dẫn

FLC (fuzzy logic controller)μ Điều khỉn logic mờ

DC(Direct current)μ Điện một chỉu

MF: Hàm Thành viên

NB (negative big): Âm nhiêu

NS (negative small) : Âm it

ZE (zero): Băng không

PS (positive small): Dương it

PB (positive big): Dương nhiêu

LVTN Danh Sách Các Hình

DANH SÁCH CÁC B NG

Trang B̉ng 1.1μ Phân bố phổ bức xạ mặt trời theo hướng bước sóng 5 B̉ng 1.2μ Thị trường tiêu thụ năng lượng Thế giới 2006-2030 (ngh̀n triệu triệu BTU 6 B̉ng 3.1μ B̉ng chọn tỷ số D của FLC 51

LVTN Danh Sách Các Hình

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Trang

H̀nh 1.1: Ću tŕc của mặt trời 3

Hình 1.2: Tổng số năng lượng tiêu thụ thế giới vào năm 1λ80 – 2030 7

Hình 1.3: Mô ̣t sô ưng dụng của pin mă ̣t trơi 8

Hình 1.4: Phân bố tổng số giờ nắng 3 tháng 1, 2, 3 năm 2011 9

H̀nh 1.5: Bức xạ mặt trời tại ba thành phố tiêu bỉu năm 2009 9

Hình 1.6: Đường đặc tuyến I,P_V của pin quang điện 10

Hình 2.1: Câu ta ̣o đơn giản của pin quang điê ̣n 13

Hình 2.2: Thiết kế tiêu bỉu của mô ̣t cell quang điê ̣n 14

Hình 2.3: Mạch điện tương đương của pin Quang điê ̣n 15

Hình 2.4: Mô h̀nh pin mặt trời ĺ tưởng 16

Hình 2.5: Mô đun pin mặt trời 17

H̀nh 2.6: Đặc tuyến I_V với các bức xạ khác nhau 18

H̀nh 2.7: Đặc tuyến P_V với các bức xạ khác nhau 18

Hình 2.8: đă ̣c tuyên U_I va P_I của pin mă ̣t trơi khi cương độ bưc xa ̣ va nhiê ̣t độ không đổi 19

Hình 2.9: Các đỉm làm việc của pin Quang điện khi có t̉i 20

H̀nh 2.10: Sơ đô khôi đơn giản của bộ MPPT 21

Hình 2.11: Môi quan hê ̣ giữa công suât (P) và chu kỳ D 21

Hình 2.12: Mối quan hệ của điê ̣n trở đầu vào và chu kỳ nhiệm vụ D 22

Hình 2.13: a)bộ gỉm áp; b) bộ tăng áp; c) bộ gỉm tăng áp 23

Hình 2.14 : Mạch cơ b̉n của bộ hạ thế DC-DC 24

H̀nh 2.15: các mạch điện của bộ hạ thế DC-DC khi G đóng (a) và mở (b) 24

H̀nh 2.16: Điện áp và sự thay đổi d̀ng điện 25

H̀nh 2.17 : Mạch cơ b̉n của bộ tăng thế 27

LVTN Danh Sách Các Hình

H̀nh 2.19: Gỉn đ̀ điện áp và d̀ng điện trong bộ tăng thế 28

H̀nh 2.20: Bộ chuỷn đổi Boost trong simulik 29

H̀nh 3.1: Mô h̀nh hê ̣ thông quang điê ̣n được xây dựng trong Matlab/Simulink

28

H̀nh 3.2: Mô h̀nh pin quang điê ̣n thu gọn được xây dựng trong Matlab/simulink 32

H̀nh 3.3: B̉ng thông số đầu vào của pin mặt trời 34

H̀nh 3.4 Đặc tuyến I-V với các bức xạ khác nhau (Nhiệt độ pin 25o C) 34

Hình 3.5: Đặc tuyến P-V với các bức xạ khác nhau (Nhiệt độ pin 25o C) 35

Hình 3.6: Đặc tuyến I_V với nhiệt độ vận hành khác nhau (bức xạ 1kW/m2 ) 35

Hình 3.7: Đặc tính của pin quang điê ̣n 36

Hình 3.8: Gỉi thuật P&O 37

Hình 3.9: Điểm dP/dV trong đô thi P_V của pin quang điê ̣n 39

Hình 3.10: Lưu đ̀ gỉi thuật cho phương pháp InC 40

Hình 3.11: Giá trị thực tế của hệ số k 41

Hình 3.12: Bức xạ mặt trời và nhiệt độ môi trường một ngày tiêu bỉu 42

Hình 3.13: Gỉi thuật đề xút 43

Hình 3.14: Sơ đ̀ khối của bộ FLC 44

Hình 3.15: Lưu đ̀ gỉi thuật thuật toán FLC 44

Hình 3.16: Môi liên hê ̣ giữa độ rộng xung D va biên đâu vao dP/dV 45

Hình 3.17: Mô t̉ cac han thanh vi ên (a) hàm thành viên của biến đầu vào E , (b) hàm thành viên của biến đầu vào CE, (c) hàm thành viên của biến đầu ra D 47

Hình 3.18: Sơ đ̀ hệ thống FLC trong simulink matlab 53

Hình 4.1: Mô h̀nh pin mặt trời kết nối với gỉi thuật P&O 54

Hình 4.2: Bức xạ mặt trời biên đổi theo thơi gian 55

Hình 4.3: D̀ng điện pin quang điê ̣n thu được với các bức xạ tương ứng 55

Hình 4.4: Điện áp pin mặt trời với các bức xạ tương ứng 56

Hình 4.5: Công sút thu được khi sử dụng bộ MPPT 56

H̀nh 4.6: Mô h̀nh bộ MPPT dùng phương pháp FLC trong simulink Matlab 57

LVTN Danh Sách Các Hình

Hình 4.7: khôi đo lương thông sô đâu vao 57

Hình 4.8: Mô hinh vâ ̣t ly của khôi đo lương thông sô đâu vao 58

H̀nh 4.9: Khôi câu truc của logic mơ trong toolbox matlab 59

Hình 4.10: Bô ̣ soa ̣n thảo ANFIS Editor trong simulink matlab 60

H̀nh 4.11: B̉ng quy tắc mờ trong simulink Matlab 60

Hình 4.12: Bô ̣ quan sat luâ ̣t trong simulink matlab 61

Hình 4.13: Bô ̣ chuyển đổi tư đô ̣ rô ̣ng xung sang Vref. 61

H̀nh 4.14 Mô hinh vâ ̣t ly bô ̣ chuyển đổi tư đô ̣ rông xung sang Vref 62

H̀nh 4.15: Bộ phận so sánh hai gỉi thuật 62

H̀nh 4.16: Điê ̣n ap thu được theo thơi gian của phương phap FLC 63

H̀nh 4.17: D̀ng điện thu được theo thời gian của phương pháp FLC 63

H̀nh 4.18: Công suât thu được theo thơi gian của phương phap FLC 64

H̀nh 4.19: Mô phỏng phương phap P&O va FLC trong Matlab 64

H̀nh 4.20: D̀ t̀m đỉm cực đại của phương pháp P&O va FLC 65

H̀nh 4.21: Tín hiệu điện áp ngõ ra của P&O va FLC 66

H̀nh 4.22: Tín hiệu điện d̀ng điện ngõ ra của P&O va FLC 67

H̀nh 4.23: Tín hiệu công sú ngõ ra của P&O va FLC 67

H̀nh 5.1: Đ̀ thị P_V khi nhiê ̣t đô ̣ va cương đô ̣ bưc xa ̣ thay đổi 70

H̀nh 5.2: Phân vung lam viê ̣c theo điê ̣n ap 71

Tầm quan trọng của phát trỉn năng lượng tái tạo cũng bị đẩy lên bởi sự gia tăng nhận thức của người dân về v́n đề môi trường Trên thực tế , có một nguôn năng lượng thay thế hứa hẹn tiềm năng tuyệt vời đ̉ cung ćp cung ćp năng lượng

là năng lượng hạt nhân vơi công nghê ̣ tương đôi đơn giản va chi phi thâp Nhưng nó vẫn là một tranh c̃i đ̉ sử dụng loại ngùn năng lượng, bởi v̀ ̉nh hưởng của nó đến môi trường va vân đê an ninh V̀ vậy, năng lượng tái tạo là sự lựa chọn tốt nh́t bởi v̀ nó được coi như ngùn năng lượng xanh thân thiện với môi trường hơn

Tuy nhiên, hiện tại viê ̣c sử dụng các ngùn năng lượng tái tạo trong nước hầu hết là vẫn c̀n th́p hơn rât nhiêu so với tiềm năng thực tế của Viê ̣t Nam Trong số các ngùn năng lượng tái tạo th̀ nă ng lượng mặt trời có tiềm năng ŕt lớn đ̉ được

sử dụng Trong khi viê ̣c đổi mơi vê mă ̣t công nghê ̣ chê ta ̣o nhăm xản xuât cac tâm pin quang điê ̣n vơi khả năng sản xuât được nhiêu điê ̣n năng hơn đang gă ̣p nhiêu kho khăn thi viê ̣c được quan tâm hơn hêt đo la tôi ưu hoa công suât chuyển đổi trên hê ̣ thông quang điê ̣n nhăm chiêt suât tôi đa năng lượng trên cac tâm pin thu được

LVTN Chư ng 1 Tổng Quan

Ch ng 1

T NG QUAN

1.1 Tổng quan vê năng l ̣ng quang điê ̣n

1.1.1 Cơu truc của mă ̣t tr i

Mặt trời là một qủ khí cầu ở cách trái đ́t 14λ triệu ki lô mét Đường kính của mặt trời là 1,4 triệu ki lô mét Tức là bằng 10λ lần đường kính của trái đ́t do đó th̉ tích của mặt trời lớn hơn trái đ́t là 1,3 triệu lần Từ định luật h́p dẫn ta tinhd được khối lượng của mặt trời 1,λ8λ.1027t́n lớn hơn khối lượng của trái đ́t 33x 104 lần khối lượng riêng của mặt trời là 1,4 g/cm3 lớn hơn khối lượng riêng của nước là 1g/cm3 Tuy nhiên mật độ ở các lớp vỏ của mặt trời khác nhau theo vùng ở lớp lõi của mặt trời do bị nen với áp sút cao nên khối lượng riêng của lõi lên tới 160 g/cm3

cùng ra phí ngoài th̀ khối lượng riêng gỉm dần

Một cách khái quát có th̉ chia mặt trời thành hai thành phần chính μ

+ Phần khí quỷn ngoài g̀m 3 miềnμ quang cầu, sắc cầu và nhật miện + Phần bên trong có th̉ chia làm 3 lớpμ tầng đối lưu, tầng trung gian và lõi mặt trời

Nh̀n từ trái đ́t nh̀n lên ta có c̉m giác mặt trời như một qủ cầu lủa ổn định Nhưng thực tế bên trong mặt trời luôn có sự vận động mạnh mẽ không ngừng, sự ẩn hiện của các đám mây đen sự biến đổi của quần sang và sự biến đổi dữ dội của khu vực xung quanh các đám mây đen là băng chứng về sự vận động không ngừng trong l̀ng mặt trời Kính thiên văn có th̉ quan sát được ću tŕc hạt.hiện tựng vật th̉ h̀nh kim, hiện tượng phụt khói, phát sang xung quanh luôn thay đổi và ŕt dữ dội

6000 độ K c̀n bên trong mặt trời nhiệt độ có th̉ lên tới hang triệu độ.áp sút bên trong mặt trời cao hơn 34 x 109 MPa Do nhiệt độ và áp sút cao như vậy nên vật ch́t nhanh chóng bị ion hóa và chuỷn động với năng lượng ŕt lớn ch́ng va chạm vào nhau gây ra hang loạt các ph̉n ứng hạt nhân ngùn năng lượng mặt trời chủ yêu do hai loại ph̉n ứng hạt nhân gây raμ

+ Ph̉n ứng tuần hoàn giữa các hạt nhân cacsbon (C) và ni tơ (N)

+ Ph̉n ứng hạt nhân proton- proton

Bức xạ mặt trời có b̉n ch́t là song điện từ , là quá trinh truyền các dao động điện từ trong không gian Trong quá tr̀nh truyền song các vector cường độ điện trường và cường độ từ trường luôn vuông góc với nhau và vuông góc với phương

LVTN Chư ng 1 Tổng Quan

truyền song điện từ, qũng đường mà song điện từ truyền được sau một chu kỳ dao động điện từ được gọi là bước sóng lamđa trong chân không vạn tốc truyền sóng điện từ gần đ́ng bằng 3.108 m/s c̀n trong mội trường vật ch́t vận tốc truyền song nhỏ hơn và v=c/n Trong đó n được gọi là môi trường chiết xút tuyệt đối Với n ≥1 các song điện từ có bước sóng tr̉i dài trong phạm vi rộng từ 10-7

nm (nanomet) đến hàng ngàn ki lô mét

Ánh sang nh̀n t́y có bước sóng từ 0,4μm đến 0,8μm Chỉ chiếm một phần ŕt nhỏ của phổ sóng điện từ của bức xạ mặt trời cần ch́ ́ rằng mặc dù có cùng b̉n ch́t là sóng điện từ nhưng các loại sóng có bước sóng khác nhau th̀ gây nên các tác dụng ĺ,hóa, sinh học khác nhau.nói riêng các vùng phổ nh̀n th́y được sự khác nhau về bước sóng gây ra các c̉m giác màu sắc khác nhau của ánh sáng khi đi từ bước sóng = 0,8μm đến giới hạn bước sóng ngắn = 0,4μm Ta nhận th́y màu sắc của ánh sáng thay đổi lien tục từ màu đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím Mắt người nhạy c̉m nh́t với ánh sáng màu vàng có bước sóng = 0,58μm Sự phân bố năng lượng đối với các bước sóng khác nhau cũng khác nhau Từ b̉ng 1.1 cho th́y mối quan hệ giữa mật độ năng lượng của bức xạ điện từ phụ thuộc và bước sóng của

nó.Từ b̉ng 1.1 ta th́y rằng mật độ năng lượng bức xạ mặt trời chủ yêu phân bố ở trong d̉i bước sóng = 0,2 μm ( tử ngoại C, tỷ lệ mật độ năng lượng 0,57%) đến

= 0,3 μm (h̀ng ngoại, tỷ lệ mật độ năng lượng 1,λ3%) C̀n ngoài vùng đó ra mật

độ năng lượng không đáng k̉

Khi bức xạ mặt trời đi qua tầng khí quỷn bao quanh trái đ́t nó bị các phần tử khí, các hạt bụi h́p thụ hoặc bị làm tán xạ nên phổ và năng lượng mặt trời khi đến trái đ́t bị gỉm đáng k̉

0,57 1,55 5,90

Tia nh̀n th́y

0,4 ÷ 0,52 µm 0,52 ÷ 0,62 µm 0,62 ÷ 0,78 µm

2,24.1021,827.1022,280.102

16,39 13,36 16,68

Tia h̀ng ngoại

0,78 ÷1,4 µm 1,4 ÷3 µm

3 ÷100 µm

4,125.102 1,836.102 2,637.101

30,18 13,43 1,93

1.1.3 Ćc ng d ng của năng l ̣ng mă ̣t tr i

Trong những năm gân đây ưng dụng năng lượng quang điện (PV - photovoltatic) đ̃ tăng lên đáng k̉, nguyên nhân chủ yếu là do sự suy gỉm nhanh chóng ngùn tài nguyên năng lượng truyền thống như dâu khi , than đa…trong khi nhu câu vê năng lượng thi ngay cang tăng lên

Thị trường tiêu thụ năng lượng ở một số nước và toàn thế giới có th̉ được nh̀n th́y trong b̉ng 1.2 và cũng có th̉ h̀nh 1.2

LVTN Chư ng 1 Tổng Quan

Hình 1.2: T ổng số năng l ợng tiêu thụ thế giới vào năm 1980 - 2030

Nguôn: Energy Information Administration (EIA) 2009.[35]

Để bu đăp la ̣i sự thiêu hụt năng lượng nay Quang điện được coi như là một nguôn năng lượng thay thê tiêm năng ở nhiều quôc gia nhơ cương đô ̣ bưc xa ̣ mă ̣t trơi cao va sô giơ năng trong năm nhiêu Các công nghệ khai tha c hệ thống quang điện cũng được mở rộng nhanh chóng với vai tr̀ ngày càng tăng nhăm cung ćp các ngùn năng lượng không gây ô nhiễm, giá r̉ và an toàn Các ứng dụng của hê ̣ thông quang điê ̣n bao g̀m bơm nước , hê ̣ thông lạnh và lưu trữ vắc -xin, điều h̀a nhiệt độ, ánh sáng, xe điện, nhà máy điện PV, quân sự và các ứng dụng không gian …

(a) Bơm NLMT (b) Đen giao thông NLMT

LVTN Chư ng 1 Tổng Quan

(c) NLMT ở vung it ngươi (d) NLMT ở cac sân thi đâu

H̀nh 1.3: Một sô ng dụng của pin mặt trơi [30]

1.1.4 Tiêm năng năng l ̣ng mă ̣t tr i ̉ Viê ̣t Nam

Việt Nam nằm trong khu vực có cường độ ánh sáng mặt trời trung b̀nh khá cao, có nhiều lợi thế vê sử dụng năng lượng mặt trời vơi cương đô ̣ bức xạ mặt trời trung b̀nh đạt 4 đến 5 kWh/m2 mỗi ngày Các khu vực có cường độ ánh sáng cao ph̉i k̉ đến khu vực phía nam có những khu vực cường độ ánh sáng lên đến 5 kWh/m2 thơi gian co nă ng lên đên 7000 h/năm Như vâ ̣y co thể noi ở khu vực nam trung bô ̣ va gân như toan bô ̣ khu vực phia nam la nơi thuâ ̣n lợi để khai thac tiêm năng năng lượng mă ̣t trơi Các khu vực c̀n lại như ở phía bắc do điều kiện khí hậu

4 mùa thay đổi do đó thời gian có nắng ở khu vực này không cao , cương đô ̣ anh sáng là trung b̀nh th́p , chỉ có một vài tháng h̀ có cường độ ánh sáng cao nhưng tính thời giant rung b̀nh có nắng trong năm lại th́p do đó ở các khu vực nay kho sử dụng pin quang điện hơn , nêu co sử dụng thi sản lượng điê ̣n thu được cũng không cao do đo tinh hiê ̣u quả kinh tê sẽ thâp

LVTN Chư ng 1 Tổng Quan

Hình 1.4: Phân bố tổng số giờ nắng ̀ tháng 1, 2, ̀ năm 2011 [32]

Hình 1.5: Bức xạ mặt trời tại ba thành phố tiêu biểu năm 2009.[32]

LVTN Chư ng 1 Tổng Quan

1.1.5 Ćc ph ng ph́p d̀ t̀m đi m c̣c đ i đang đ c ́p d ng

Tuy nhiên, ở thời đỉm hiện tại giá thành pin mặt trời c̀n khá cao Công sút phát ra bởi pin mặt trời lại phụ thuộc trực tiếp vào cương đ ộ bức xạ , nhiệt độ và điều kiện thời tiết Đặc tính P_V và V_I của pin mặt trời lại không tuyến tính

H̀nh 1.6: Đ ờng đặc tuyến I,P_V của pin quang điện [1]

trên đường đặc tuyến đó t̀n tại một đỉm làm việc cực đại (MPP- Maximum power point) mà ở đó công sút phát ra của pin mặt trời là lớn nh́t Nhưng đỉm này không ph̉i là hằng số, ch́ng luôn thay đổi theo nhiệt độ và bức xạ V̀ vậy, d̀ t̀m đỉm làm việc cực đại của pin mặt trời (MPPT - Maximum power point tracking) ph̉i được sử dụng đ̉ đưa pin mặt trời luôn làm việc tại đỉm này, nhằm nâng cao hiệu sút của pin mặt trời

Có nhiều phương pháp điều khỉn khác nhau để do tim điểm cực đa ̣i của hê ̣ thông quang điê ̣n, nhưng đỉm khác nhau giữa các phương pháp là hiệu sút và giá thành Dưới đây là một số phương pháp điều khỉn hiện đại đang được áp dụng trong thực tếμ

Ph ng ph́p P & O (Pertub and Observe): P & O là một trong những

phương pháp MPPT được sử dụng phổ biến nh́t v̀ đơn gỉn và dễ thực hiện P & O

LVTN Chư ng 1 Tổng Quan

chậm, luôn dao động xung quanh MPP kể cả trong trạng thái ổn định, và thậm chí d̀ t̀m sai không theo kịp sự biến đổi nhanh chóng thay đổi điều kiện khí quỷn

Ph ng ph́p InC (Incremental Conductance): Phương phap nay nhăm

khăc phục nhược điểm của phương phap P & O la do tim dươi điêu kiê ̣n khi hâ ̣u biên đổi nhanh, ưu điểm của phương phap nay la xac đi ̣nh được khi nao MPPT đ ạt được gia tri ̣ cực đa ̣i (MPP) Hơn nữa phương phap InC co thể do rât nhanh sự tăng hay giảm của cac điêu kiê ̣n bưc xa ̣ mă ̣t trơi vơi độ chinh xac cao hơn nhưng nhược điểm của phương phap nay la phưc ta ̣p , điêu nay lam gia tăng thơi gian tinh toan va làm châ ̣m tân sô lây mẫu của mảng PV

Ph ng ph́p điê ̣n dung ḱ sinh (Prasitic Capacitance): Mục đích của

phương phap nay la đưa vao cac điê ̣n dung ky sinh được tinh toan tư trươc của cac pin mă ̣t trơi trong hê ̣ thông quang điê ̣n , điê ̣n dung ky sinh để triê ̣t tiêu cac gợn của MPPT để xao trô ̣n hê ̣ thông, nhược điểm của phương phap nay la điê ̣n dung ky sinh trên mỗi modun rât nhỏ do đo phương phap nay chỉ phu hợp vơi cac hê ̣ thông quang điê ̣n lơn ở đo cac c huỗi modun được kêt nôi song song Hơn nữa bộ biên đổi DC/DC co mô ̣t tụ điê ̣n ngõ vao co thể thay đổi dung lượng dung để lọc cac gợn nhỏ trong hê ̣ thông tụ điê ̣n nay phải được bảo vê ̣ tranh cac ảnh hưởng của điê ̣n dung y dinh trong hê ̣ thông quang điê ̣n

Ph ng phap điêu khiển điê ̣n ap : Gỉ sử điện áp tại đỉm phát ra công sút

cực đa ̣i la U mpp là hàm tuyến tính của điện áp hở mạch U oc Bằng các thí nghiệm thực tê ngươi ta nhâ ̣n ra răng điê ̣ n ap tai điểm lam viê ̣c cực đa ̣i U mpp thương dao

đô ̣ng trong mô ̣t pha ̣m vi ̣ nhât đi ̣nh so vơi điê ̣n ap hở ma ̣ch U oc, phạm vị này được khoanh vung sau đo lâ ̣p trinh cho bô ̣ vi xử ly để điêu khiển bộ chuyển đổi DC -DC sao cho điê ̣n ap ra của hê ̣ thông quang điê ̣n năm trong vung gia tri ̣ nay Đây la phương phap co ưu điểm la thiêt kê đơn giản nhưng hiê ̣u suât của phương phap nay

là không cao

Ph ng phap FLC (Fuzzy Logic Controller): Khái niệm về Fuzzy Logic

Controller (FLC) đ̃ được đề xút bởi giáo sư Lotfi Zadeh của trường Đại học California tại Berkeley vào năm 1λ65, ngay sau đó nó đ̃ được chứng minh là một

LVTN Chư ng 1 Tổng Quan

sự lựa chọn tuyệt vời cho nhiều ứng dụng hệ thống kỉm soát Điêu khiển logic mơ được dựa trên một hệ thống logic được gọi là logic mờ Nó gần gũi hơn vơi tư duy của con người vi cac biên đâu vao được mô tả dươi da ̣ng ngôn ngữ Nó có lợi thế làm việc với các đầu vào không chính xác, không cần một mô h̀nh toán học chính xác, và xử ĺ phi tuyến Ngày nay, điều khỉn logic mờ được sử dụng trong hầu hết các ngành của hệ thống ngành công nghiệp năng lượng và khoa học

Mục tiêu của đề tài la nghiên cưu xây dựng mô hinh pin mă ̣t trơi va cac phương pháp d̀ t̀m đỉm làm việc cực đại của pin mặt trơi

1.2 Đ nh h ng c a đ tƠi

Với một số các ưu đỉm k̉ trên của phương phap FLC trong viê ̣c do tim điểm

làm việc cực đại của pin mặt trời Do đó chúng tôi thực hiện đề tàiμ “Do tim điểm cực đại trong hê ̣ thông pin quang điê ̣n băng phư ng phap logic m ”

- Phân tích tính cần thiết của đỉm làm việc cực đại của pin mặt trời

- Nghiên cứu các gỉi thuật d̀ t̀m đỉm làm việc cực đại của pin mặt trời

- Dùng phần mềm Matlab/Simulink nghiên cứu xây dựng mô h̀nh pin mặt trời, xây dựng gỉi thuật d̀ t̀m đỉm làm việc cực đại

- Phân tích kết qủ nghiên cứu của đề tài

- So sanh hiê ̣u suât của phương phap FLC vơi phương phap truyên thông P&O

1.4 K t qu mong mu n đ t đ c

Mô phỏng va chưng minh hiê ̣u quả của phương phap đi ều khỉn logic mờ so với phương phap đang được sử dụng phổ biên nhât hiê ̣n nay la phương phap P & O

LVTN Chư ng 2 C Sở Lý Thuyết

Ch ng 2

C S Lụ THUY T

2.1 Pin quang điê ̣n

2.1.1 Cơu ta ̣o của pin quang điê ̣n

Một lớp tiếp x́c bán dẫn p-n có kh̉ năng biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện bên trong gọi là pin quang điênμ

H̀nh 2.1: Câu tạo đơn giản của pin quang điện.[2]

Pin quang điê ̣n được s̉n xút và ứng dụng phổ biến hiện nay là cá c pin quang điê ̣n được chế tạo từ vật liệu tinh th̉ bán dẫn silicon (Si) có hóa trị I_V Từ tinh th̉

Si tinh khiết đ̉ có vật liệu bán dẫn Si loại n người tap pha tạp ch́t là photpho (P) có hóa trị V C̀n đ̉ có vật liệu bán dẫn Si loại P th̀ người ta pha tạp ch́t Bo có hóa trị III Đối với pin mặt trời từ vật liệu tinh th̉ Si khi được chiếu sáng th̀ hiệu điện thế

hở mạch giữa hai cực vào khỏng 0,55V C̀n d̀ng ngắn mạch dưới bức xạ mặt trời

1000 W/m2 và khỏng 25-30 mA/(cm2) hiện nay người ta cũng đưa ra thị trường các loại pin sử dụng vật liệu Si vô định h̀nh (a-Si) pin mặt trời (a-Si) có ưu đỉm là tiết kiệm vật liệu trong s̉n xút do đó có giá thành r̉ hơn Tuy nhiên so với pin mặt

sử dụng các pin mặt trời từ các vật liệu Si chỉ mứi ở pạm vi quy mô ph̀ng thí nghiệm

2.1.2 Mô hốnh vơ ̣t ly c a pin Quang đi n

Quang điện là một thiết bị bao g̀m vật liệu bán dẫn có th̉ trực tiếp chuỷn đổi nănglượng từ ánh sáng mặt trời thành điện Một tế bào năng lượng mặt trời đỉn h̀nh bao g̀m mô ̣t lơp tiêp xuc p -n trong một vật liệu bán dẫn như th̉ hiện trong hình 2.1 Khi ánh sáng chiêu tới tế bào năng lượng mặt trời , năng lượng từ ánh sáng (photon) tạo ra các vung dẫn Điê ̣n ap được ta ̣o ra giữa hai lơp ban dẫn , d̀ng điện

sẽ được tạo ra khi có t̉i kết nối giữa các vùng dẫn này D̀ng quang đện được tạo ra trong các tế bào năng lượng mặt trời, là tỷ lệ thuận với cường độ bức xạ

Hình 2.2: Thiết kế tiêu biểu của một cell quang điê ̣n.[31]

2.1.3 Mô hốnh tón c a pin quang điê ̣n

Mạch điện tương đương của pin mặt trời được cho như hình 2.3:

LVTN Chư ng 2 C Sở Lý Thuyết

Hình 2.3: Mạch điện t ơng đ ơng của pin Quang điê ̣n [11]

Mạch điện g̀m có d̀ng quang điện Iph, điot, điện trở d̀ng r̀ Rsh và điện trở nối tiếp Rs, đặc tuyến I-V của pin được mô t̉ bằng bỉu thức (2.1)

Trong đóμ

- Iphμ d̀ng quang điện (A)

- Is: dòng bão hòa (A)

- qμ điện tích của electron, q = 1,6x10-19 C

- kμ hằng số Boltzmann’s, k =1,38x10-23 J/K

- Tcμ nhiệt độ vận hành của pin (K)

- Aμ hệ số ĺ tưởng phụ thuộc vào công nghệ chế tạo pin, ví dụ công nghệ mono A=1.2, Si-Poly A = 1.3…

Si-D̀ng quang điện Iph phụ thuộc trực tiếp vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ của pinμ

Trong đóμ

- Iscμ d̀ng ngắn mạch tại nhiệt độ tiêu chuẩn 25oC (A) và bức xạ 1kW/m2

- KIμ hệ số d̀ng điện phụ thuộc vào nhiệt độ (A/oC)

- Tcμ Nhiệt độ vận hành của pin mặt trời (K)

- TRef μ Nhiệt độ tiêu chuẩn của pin mặt trời (K)

- μ Bức xạ mặt trời (kW/m2)

(2.1)

(2.2)

LVTN Chư ng 2 C Sở Lý Thuyết

- Mặt khác, d̀ng b̃o h̀a Is là d̀ng các hạt t̉i điện không cơ b̉n được tạo ra

do kích thích nhiệt Khi nhiệt độ của pin mặt trời tăng d̀ng b̃o h̀a cũng tăng theo hàm mũ μ

Trong đóμ

- IRSμ D̀ng điện ngược b̃o h̀a tại nhiệt độ tiêu chuẩn (A)

- EGμ Năng lượng lỗ trống của ch́t bán dẫn

Đối với pin mặt trời ĺ tưởng, điện trở d̀ng r̀ Rsh = ̀, Rs = 0 Khi đó mạch điện tương đương của pin mặt trời được cho bởi h̀nh 2.7:

Hình 2.4: Mô hình pin mặt trời lý t ởng[28]

Khi đó, bỉu thức (2.1) có th̉ được mô t̉ như sauμ

Và d̀ng b̃o h̀a ngược tiêu chuẩn có th̉ được bỉu diễn như sauμ

Thông thường, công sút của pin mặt trời khỏng 2 W và điện áp khỏng 0.5 V V̀ vậy, các pin mặt trời được ghép nối với nhau theo dạng nối tiếp - song song đ̉ sinh ra lượng công sút và điện áp đủ lớn Mạch điện tương đương của mô đun pin

(2.3)

(2.4)

(2.5)

LVTN Chư ng 2 C Sở Lý Thuyết

Hình 2.5: Mô đun pin mặt trời [28]

Mạch điện hình 2.5 được miêu t̉ bởi bỉu thức sauμ

Pin mặt trời chuỷn một phần bức xạ mặt trời trực tiếp thành năng lượng điện,

nhưng một phần đó chuỷn thành nhiệt cộng với pin mặt trời có màu dễ h́p thụ nhiệt nên nhiệt độ vận hành của pin có th̉ cao hơn nhiệt độ môi trường Nhiệt độ của pin dưới các điều kiện khác nhau có th̉ được đánh giá qua nhiệt độ vận hành b̀nh thường (NOCT) Nhiệt độ vận hành b̀nh thường được định nghĩa là nhiệt độ của pin dưới điều kiện môi trường 20oC, bức xạ mặt trời 0.8 kW/m2, tốc độ gió < 1 m/s

Công thức sau được sử dụng đ̉ tính toán sự khác nhau giữa nhiệt độ môi trường (TAmb) và nhiệt độ vận hành của pin mặt trời (TC)μ

Đặc tuyến I-V tương ứng với tùng bức xạ nh́t định được mô t̉ như sauμ

(2.6)

(2.7)

LVTN Chư ng 2 C Sở Lý Thuyết

2.2 Ĺ do ph i do tốm điểm lam viê ̣c c ̣c đa ̣i

H̀nh 2.8: đặc tuyên U_I va P_I của pin mặt trơi khi c ơng độ b c xạ va nhiệt

độ không đổi.[16]

Xét một đường đặc trưng V _A va P_V của pin mă ̣t trơi đôi vơi một cương độ bưc xa ̣ cho trươc va nhiê ̣t đô ̣ xac đi ̣nh ta thây công suât phat ra cực đa ̣i chỉ khi U va

I lam viê ̣c ta ̣i mô ̣t điểm thich hợp go ̣i la điểm MPP

Nêu pin mă ̣t trơi được nôi vơi mô ̣t tải tiêu thụ điê ̣n R thi điểm căt nhau của đương đă ̣c trưng V_A của pin mă ̣t trơi va đương đă ̣c trưng lam viê ̣c của tải chinh la điểm lam viê ̣c của pin mă ̣t trơi Trong trương hợp nay công suât của pin mă ̣t trơi câp cho tải chỉ phụ thuộc vao gia tri ̣ điê ̣n trở R

Trong to ̣a đô ̣ OIV, công suât pin mă ̣t trơi câp cho tải R băng diê ̣n tich hinh chữ nhâ ̣t giơi ha ̣n bởi hoanh độ va tung độ của điểm lam viê ̣c Vơi cac gia tri ̣ R khac nhau cac điểm lam viê ̣c sẽ khac nhau , tôn ta ̣i một gia tri ̣ R = Ropt mà tại đó công suât tiêu thụ la cực đa ̣i, điểm lam viê ̣c ưng vơi công suât cực đa ̣i

LVTN Chư ng 2 C Sở Lý Thuyết

H̀nh 2.9: Các điểm làm việc của pin Quang điê ̣n khi co tải.[2]

Theo đi ̣nh luâ ̣t Ohm:

Ro = Uo/Io

̉ điều kiện bức xạ mặt trời không đổi va nhiệt độ cho trước ta th́y:

+ Nêu điê ̣n trở tải R nhỏ , R << Ro pin mă ̣t trơi sẽ lam viêc trong vung (là miên ma cương dong điê ̣n gân như không đổi va gân băng dong ngăn ma ̣ch Isc + Nêu điê ̣n trở tải R lơn , R >> Ro pin mă ̣t trơi lam viê ̣c trong miên co hiê ̣u điê ̣n thê gân như không đổi va gân băng điê ̣n thê không tải Uoc

Như vâ ̣y pin mă ̣t trơi chỉ lam viê ̣c co hiê ̣u quả khi tải tiêu thụ điê ̣n co gia tri ̣ lân

câ ̣n Rođiêu nay không dễ dang đa ̣t được vi tải tiêu thụ điê ̣n rât đa da ̣ng va cac gia tri ̣

R khac nhau Ngoài ra cường độ bức xạ mặt trời và nhiệt độ môi trường bên ngoài liên tục thay đổi nên đươ ng đă ̣c trưng V _A cũng thay đổi liên tục do đo điểm lam viê ̣c tôi ưu cũng liên tục thay đổi Thông thường bộ biến đổi DC/DC (tăng áp, gỉm áp) được phục vụ cho việc truyền công sút từ pin mặt trời tới t̉i Bộ DC/DC hoạt động như thiết bị giao tiếp giữa t̉i và pin mặt trời Bằng việc thay đổi độ rộng xung, tổng trở t̉i nh̀n từ phía nguô n sẽ được thay đổi bằng với tổng trở ngùn tại đỉm cực đại, v̀ vậy công sút cực đại được cung ćp cho t̉i

(2.8)

LVTN Chư ng 2 C Sở Lý Thuyết

Hình 2.10: Sơ đô khôi đơn giản của bộ MPPT.[20]

Khi PV kết nối trực tiếp với t̉i, các đỉm hoạt động của PV được quyết định bởi t̉i giá trị của t̉i được tính theo công thức

o

o load

LVTN Chư ng 2 C Sở Lý Thuyết

T̉i tối ưu cho PV được mô t̉ nhưμ

mpp

mpp opt

Vin = (1-D) VoutĐối với các bô ̣ chuỷn đổi ĺ tưởng không có tổn th́t điện năng (Pin = Pout)

và do đó

out in

out in out in

I D I

V

V I

I

)1(

LVTN Chư ng 2 C Sở Lý Thuyết

2.3 Mô hốnh toan của bô ̣ chuyển đổi DC-DC

Để đap ưng vơi cac tải khac nhau thi cân bộ biên đổi DC -DC Chức năng chính của chuỷn đổi chế độ DC-DC la đ̉ lưu trữ năng lượng được ŕt ra từ PV dươi da ̣ng

từ trương được đă ̣t trong một cuô ̣n dây , và sau đó phát lên tải ở những thơi điểm phù hợp Bô ̣ chuỷn đổi DC -DC co ću tŕc tuy thuộc vào các yêu cầu của phụ tải Các bộ chuỷn đổi như Buck (gỉm áp), Boost (tăng ap), Buck-Boost (vưa tăng vưa gỉm áp)

Hình 2.13: a)bộ giảm áp; b) bộ tăng áp; c) bộ giảm tăng áp.[2]

LVTN Chư ng 2 C Sở Lý Thuyết

Như minh họa trong hình 2.13, b̉ng điều khỉn PV hoạt động ở các MPP bằng cách điều khiển chu kỳ nhiệm vụ D trong bộ chuỷn đổi DC -DC

2.3.1 M ch gi m đi n th (Buck Converter)

Để hiểu thê m vê y nghĩa của chu ky nhiê ̣m vụ D thi cân tim hiểu nguyên ly làm việc của m ột trong 3 bô ̣ tăng thê, gỉm thê, vưa tăng vưa giảm điê ̣n thê Trong luâ ̣n văn nay em xin trinh bay nguyên ly hoa ̣t đô ̣ng của bộ giảm điê ̣n thê Buck Converter

Các bộ hạ thế thực ch́t là các bộ tăng d̀ng- nói chung dùng đ̉ điều khỉn các t̉i thu nhận d̀ng điện Hoạt động của ch́ng được thực hiện được bởi một cuộn c̉m L như hình 2.14:

Uo = -L.

dt di

Ta lại gỉ thiết Toff đủ lớn sao cho Uo = const và

on T T

T

 Ui < Ui

Vì dòng IL >= 0 nên điều kiện dẫn liên tục là :

T off I L T on T off LI L T on U o L

U

/ )]

( [ )

U T I dt i

LVTN Chư ng 2 C Sở Lý Thuyết

2.3.2 M ch boot converter

H̀nh 2.17: Mạch cơ bản của bộ tăng thê.[2]

H̀nh 2.18: Mạch điện của bộ tăng thế DC-DC khi G đong va mở.[2]

Bô ̣ tăng thê DC -DC hoa ̣t đô ̣ng tương tự như bô ̣ ha ̣ thê , các hoạt độn g của bộ tăng thê cũng được thực hiê ̣n thông qua cuộn cảm L Chuyển ma ̣ch G đo mở vơi chu ky

(2.28) (2.27)

(2.29)

on i

T L

U U T

U T

T

> Ui Cũng như trong bộ hạ thế, điêu kiê ̣n liên tục la IL(0) ≥ 0 ta co :

H̀nh 2.19: Giản đồ điện áp và dòng điện trong bộ tăng thế.[2]

Liên hê ̣ giữa điê ̣n ap va dong điê ̣n ngõ ra theo D ( duty cycle)

D U

LVTN Chư ng 2 C Sở Lý Thuyết

2.3.3 T́nh tón ḷa ch n gí tr c a bộ chuy n đ i boost trong matlab

Hình 2.20: Bộ chuyển đổi Boost trong simulik

Thông sô bô ̣ chuyển đổi ma ̣ch boost :

Giá trị cuộn dây L

D

V in

1

Bỏ qua tổn hao trên các linh kiện ta có

V R

D V R

in o

2

2 2

2 2

)1(

)1(







Giá trị trung b̀nh của IL

IL =

R D

V in

2

) 1 ( 

Imax = IL +

L

DT V R D

V

I L on in in

2 )

1 (

V

I L on in in

2 )

1 (

LVTN Chư ng 2 C Sở Lý Thuyết

Imin ≥ 0 →

L

DT V R D

V

I L on in in

2 )

1 (

V in in

2 )

1

Suy ra:

Lmin =

f

R D D R D DT

2

) 1 ( 2

) 1

V

o

o 

suy ra:

C =

Rfr D

Vơi r la đô ̣ giao đô ̣ng của điê ̣n ap Vo

Thông sô ma ̣ch mô phỏng ta tinh toan lựa chọn theo điêu kiê ̣n sau:

- Mạch cung ćp cho t̉i R = 100Ω

- Tân sô song mang f: 20kHz

- Chọn độ giao động điện áp r=1%

Khi pin quang điê ̣n lam viê ̣c ta ̣i điểm cực đa ̣i ta co V mpp =17,1V ta giơi ha ̣n điê ̣n ap

Vo =220V, khi đo đô ̣ rông xung tương ưng la:

220

1 , 17 1 1

in in

V

V D

D V

Giá trị L của cuộn dây

2 2

10 472 , 1 ) 920 , 0 1 ( 92 , 0 )