NGHIÊN cứu vận HÀNH hệ THỐNG điện NĂNG LƯỢNG mặt TRỜI tại điểm CÔNG SUẤT cực đại

HCM LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ THUẬN THÁI HÒA NGHIÊN CỨU VẬN HÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TẠI ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 TP... HCM LUẬN VĂN THẠC SĨ L

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM

LUẬN VĂN THẠC SĨ

LÊ THUẬN THÁI HÒA

NGHIÊN CỨU VẬN HÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TẠI ĐIỂM

CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202

TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 9 NĂM 2016

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM

LUẬN VĂN THẠC SĨ

LÊ THUẬN THÁI HÒA

NGHIÊN CỨU VẬN HÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TẠI ĐIỂM

CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS HUỲNH CHÂU DUY

TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 09 NĂM 2016

CÔNG TRÌNH ĐƢỢC HOÀN THÀNH TẠI

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)

TRƯỜNG ĐH SPKT TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHÒNG ĐTSĐH Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Tp HCM, ngày tháng năm 20

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: LÊ THUẬN THÁI HÒA Giới tính: NAM

Ngày, tháng, năm sinh: Nơi sinh:

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN MSHV:

I- Tên đề tài:

NGHIÊN CỨU VẬN HÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

TẠI ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI

II- Nhiệm vụ và nội dung:

- Tổng quan tình hình khai thác và sử dụng năng lượng điện mặt trời tại Việt Nam

- Nghiên cứu và mô phỏng các đặc tính V-I và V-P của pin quang điện

- Nghiên cứu và phân tích các đặc tính V-I và V-P của pin quang điện

- Nghiên cứu các thuật toán điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ pin quang điện

- Nghiên cứu vận hành hệ thống điện năng lượng mặt trời tại điểm công suất cực đại

III- Ngày giao nhiệm vụ:

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ:

V- Cán bộ hướng dẫn: TS HUỲNH CHÂU DUY

CÁN BỘ HUỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

LỜI CAM ÐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, đề xuất và kết quả nghiên cứu đạt đƣợc trong Luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố ở bất kỳ đâu

Tôi xin cam đoan mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã đƣợc cảm ơn

Tôi cũng xin cam đoan các nội dung tham khảo trong Luận văn đã đƣợc trích dẫn đầy đủ nguồn gốc

Học viên thực hiện Luận văn

Lê Thuận Thái Hòa

LỜI CÁM ƠN

Đầu tiên, xin chân thành cám ơn Thầy TS Huỳnh Châu Duy đã tận tình giúp

đỡ, đóng góp những ý kiến quý báu và hướng dẫn em thực hiện Luận văn này

Xin cám ơn quý Thầy, Cô đã trang bị cho em các kiến thức quý báu trong quá trình học tập giúp em đủ kiến thức để thực hiện Luận văn này

Cuối cùng, xin cám ơn Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp HCM; Khoa Điện - Điện tử; Phòng Đào tạo sau đại học và Cơ quan nơi em đang công tác đã tạo các điều kiện tốt nhất cho em thực hiện Luận văn này

Học viên thực hiện Luận văn

Lê Thuận Thái Hòa

TÓM TẮT

Luận văn tập trung các vấn đề liên quan đến “Nghiên cứu vận hành hệ

thống điện năng lượng mặt trời tại điểm công suất cực đại” mà bao gồm các nội

dung như sau:

+ Chương 1: Giới thiệu chung

+ Chương 2: Tổng quan nguồn năng lượng điện mặt trời

+ Chương 3: Pin quang điện

+ Chương 4: Thuật bám điểm công suất cực đại

+ Chương 5: Mô phỏng vận hành hệ thống điện năng lượng mặt trời tại điểm công suất cực đại

+ Chương 6: Kết luận và hướng phát triển tương lai

ABSTRACT

The thesis presents issues relating to "Operation of solar PV energy systems

at maximum power points" that includes the following contents:

+ Chapter 1: Introduction

+ Chapter 2: Literature review of solar energy source

+ Chapter 3: Photovoltaic cell

+ Chapter 4: Algorithms for maximum power point tracking

+ Chapter 5: Simulation results for operation of solar PV energy systems at maximum power points

+ Chapter 6: Conclusions and future works

MỤC LỤC

LỜI CAM ÐOAN i

LỜI CÁM ƠN ii

TÓM TẮT iii

ABSTRACT iv

MỤC LỤC v

DANH SÁCH HÌNH VẼ vii

DANH SÁCH BẢNG x

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1

1.1 Giới thiệu 1

1.2 Tính cấp thiết của đề tài 2

1.3 Đối tượng nghiên cứu 3

1.4 Phạm vi nghiên cứu 3

1.5 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 3

1.6 Phương pháp nghiên cứu 4

1.7 Bố cục của luận văn 4

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN NGUỒN NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI 5

2.1 Năng lượng mặt trời 5

2.2 Ứng dụng của năng lượng mặt trời [1]-[2] 7

2.2.1 Hệ thống pin quang điện 7

2.2.2 Máy nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời 7

2.2.3 Ứng dụng năng lượng mặt trời trong nuôi trồng thủy sản 7

2.2.4 Sấy nông sản bằng năng lượng mặt trời 9

2.2.5 Máy ấp trứng sử dụng năng lượng mặt trời 10

2.2.6 Hệ thống đèn năng lượng mặt trời 11

2.2.7 Bếp nấu sử dụng năng lượng mặt trời 12

2.2.8 Thiết bị chưng cất nước sử dụng năng lượng mặt trời 13

2.2.9 Động cơ Stirling sử dụng năng lượng mặt trời 13

2.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu 14

CHƯƠNG 3 PIN QUANG ĐIỆN 17

3.1 Giới thiệu 17

3.2 Nguyên lý hoạt động của tế bào quang điện 19

3.3 Ảnh hưởng của độ bức xạ và nhiệt độ lên tấm quang điện 20

3.4 Phân loại hệ thống PV 22

3.4.1 Hệ thống PV kết nối lưới điện 22

3.4.2 Hệ thống PV độc lập 23

CHƯƠNG 4 THUẬT TOÁN BÁM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI 25

4.1 Giới thiệu 25

4.2 Thuật toán P&O (Perturbation and Observation) [19] 26

4.3 Thuật toán điện dẫn gia tăng InC (Incremental Conductance) [19] 30

4.4 Thuật toán điện áp hằng số [19] 32

4.5 Ứng dụng thuật toán bám điểm công suất cực đại, InC cải tiến 34

4.6 Phương pháp điều khiển MPPT 37

4.6.1 Phương pháp điều khiển PI 37

4.6.2 Phương pháp điều khiển trực tiếp 38

4.6.3 Phương pháp điều khiển đo trực tiếp tín hiệu ra 41

CHƯƠNG 5 MÔ PHỎNG VẬN HÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TẠI ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI 42

5.1 Giới thiệu 42

5.2 Mô phỏng các đặc tính của PV 44

5.3 Mô phỏng và các kết quả của trường hợp bức xạ mặt trời thay đổi chậm 47

5.4 Mô phỏng và các kết quả của trường hợp bức xạ mặt trời thay đổi nhanh 50

5.5 Mô phỏng và các kết quả của trường hợp bức xạ mặt trời thay đổi (tăng và giảm) 53

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN TƯƠNG LAI 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 2.1 Bức xạ mặt trời ngoài khí quyển 6

Hình 2.2 Mô hình ứng dụng năng lượng mặt trời vào nuôi trồng thuỷ sản 7

Hình 2.3 Mô hình ứng dụng năng lượng mặt trời vào nuôi trồng thủy sản ở đồng bằng sông Cửu Long 8

Hình 2.4 Sấy trực tiếp nông sản bằng năng lượng mặt trời 9

Hình 2.5 Mô hình máy ấp trứng tự động sử dụng năng lượng mặt trời 10

Hình 2.6 Cổng chào sử dụng hệ thống chiếu năng lượng mặt trời tại nghĩa trang Hàng Dương, Côn Đảo 12

Hình 2.7 Bếp năng lượng mặt trời tại tỉnh Quảng Nam 12

Hình 2.8 Động cơ stirling sử dụng năng lượng mặt trời 13

Hình 3.1 Cấu trúc một mảng PV 18

Hình 3.2 Nguyên lý hoạt động của tế bào quang điện 19

Hình 3.3 Ảnh hưởng của điện áp và dòng điện theo độ bức xạ 20

Hình 3.4 Ảnh hưởng của công suất điện theo độ bức xạ 21

Hình 3.5 Ảnh hưởng của điện áp và dòng điện theo nhiệt độ 22

Hình 3.6 Ảnh hưởng của công suất điện theo nhiệt độ 22

Hình 3.7 Hệ thống PV kết nối lưới điện 23

Hình 3.8 Hệ thống PV độc lập 24

Hình 3.9 Hệ thống PV độc lập trực tiếp 24

Hình 4.1 Quan hệ điện áp và dòng điện của PV 25

Hình 4.2 Giải thuật P&O khi tìm điểm làm việc có công suất lớn nhất 26

Hình 4.3 Lưu đồ giải thuật P&O 28

Hình 4.4 Sự thay đổi điểm MPP theo gia tăng bức xạ 29

Hình 4.5 Giải thuật InC 30

Hình 4.6 Lưu đồ giải thuật InC 32

Hình 4.7 Lưu đồ giải thuật điện áp không đổi 33

Hình 4.8 Đặc tính V-I của PV tương ứng với các cường độ bức xạ khác nhau là

các dòng điện ngắn mạch khác nhau 34

Hình 4.9 Lưu đồ giải thuật InC cải tiến 36

Hình 4.10 Sơ đồ khối phương pháp điều khiển MPPT sử dụng bộ bù PI 38

Hình 4.11 Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển trực tiếp MPPT 39

Hình 4.12 Mối quan hệ giữa tổng trở vào Rin và hệ số làm việc D 40

Hình 5.1 Pin quang điện RS - P618 - 22 42

Hình 5.2 Sơ đồ mô phỏng điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ thống pin quang điện 43

Hình 5.3 Đặc tính V-I của pin quang điện RS - P618 - 22 44

Hình 5.4 Đặc tính V-P của pin quang điện RS - P618 - 22 45

Hình 5.5 Đặc tính V-I của pin quang điện RS - P618 - 22 trong trường hợp nhiệt độ không đổi (t = 250C) và bức xạ mặt trời thay đổi (G = 1kW/m2  5kW/m2) 45

Hình 5.6 Đặc tính V-P của pin quang điện RS - P618 - 22 trong trường hợp nhiệt độ không đổi (t = 250C) và bức xạ mặt trời thay đổi (G = 1kW/m2  5kW/m2) 46

Hình 5.7 Đặc tính V-I của pin quang điện RS - P618 - 22 trong trường hợp nhiệt độ thay đổi (t = 250C  1000C) và bức xạ mặt trời không đổi (G = 1 kW/m2) 46

Hình 5.8 Đặc tính V-P của pin quang điện RS - P618 - 22 trong trường hợp nhiệt độ thay đổi (t = 250C  1000C) và bức xạ mặt trời không đổi (G = 1 kW/m2) 47

Hình 5.9 Mô phỏng sự thay đổi chậm của bức xạ mặt trời của pin quang điện RS - P618 - 22 48

Hình 5.10 Công suất ngõ ra đạt được trong trường hợp sử dụng và không sử dụng thuật toán InC tương ứng với sự thay đổi chậm của bức xạ mặt trời 48

Hình 5.11 Công suất ngõ ra đạt được trong trường hợp sử dụng và không sử

dụng thuật toán InC cải tiến tương ứng với sự thay đổi chậm của bức

xạ mặt trời 49 Hình 5.12 So sánh công suất ngõ ra đạt được trong trường hợp sử dụng thuật

toán InC và thuật toán InC cải tiến tương ứng với sự thay đổi chậm của bức xạ mặt trời 49 Hình 5.13 Mô phỏng sự thay đổi nhanh của bức xạ mặt trời của pin quang điện

RS - P618 - 22 50 Hình 5.14 Công suất ngõ ra đạt được trong trường hợp sử dụng và không sử

dụng thuật toán InC tương ứng với sự thay đổi nhanh của bức xạ mặt trời 51 Hình 5.15 Công suất ngõ ra đạt được trong trường hợp sử dụng và không sử

dụng thuật toán InC cải tiến tương ứng với sự thay đổi nhanh của bức xạ mặt trời 51 Hình 5.16 So sánh công suất ngõ ra đạt được trong trường hợp sử dụng thuật

toán InC và thuật toán InC cải tiến tương ứng với sự thay đổi nhanh của bức xạ mặt trời 52 Hình 5.17 Mô phỏng sự tăng và giảm của bức xạ mặt trời của pin quang điện

RS - P618 - 22 53 Hình 5.18 Công suất ngõ ra đạt được trong trường hợp sử dụng và không sử

dụng thuật toán InC tương ứng với sự tăng và giảm của bức xạ mặt trời 54 Hình 5.19 Công suất ngõ ra đạt được trong trường hợp sử dụng và không sử

dụng thuật toán InC cải tiến tương ứng với sự tăng và giảm của bức

xạ mặt trời 54 Hình 5.20 So sánh công suất ngõ ra đạt được trong trường hợp sử dụng thuật

toán InC và thuật toán InC cải tiến tương ứng với sự tăng và giảm của bức xạ mặt trời 55

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 4.1 Bảng tóm tắt giải thuật P&O 27

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Giới thiệu

Mặt trời là một khối cầu lửa khổng lồ với những phản ứng nhiệt hạch xảy ra liên tục và phát ra nguồn năng lượng vô tận Những phản ứng nhiệt hạch đã và đang diễn ra hàng triệu năm mà chưa ai dự đoán được thời điểm kết thúc của nó Quả cầu lửa mặt trời khổng lồ này mới chỉ truyền một phần năng lượng nhỏ bé của nó xuống trái đất với khoảng cách hàng triệu km Năng lượng mặt trời đã mang lại sự sống cho trái đất và cũng có thể thiêu trụi cả trái đất nếu trái đất không có tầng ô zôn và khí quyển bảo vệ

Có thể nhận thấy rằng, năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng sạch không giống như bất kỳ một nguồn năng lượng nào khác mà chúng ta đang khai thác trên trái đất như thủy điện có thể gây đột biến dòng chảy của sông và làm mất cân bằng sinh thái ở khu vực hạ lưu dòng sông đó; nhiệt điện gây bụi và ô nhiễm môi trường bằng khí COx và NOx; còn điện hạt nhân có khả năng gây nhiều nguy cơ kinh khủng hơn nữa Nếu có thể tận dụng được nguồn năng lượng mặt trời để phục

vụ đời sống và phát triển đất nước là một công việc rất có ích và có thể bảo vệ môi trường sinh thái được bền vững [1]

Một trong các ứng dụng chính ở tầm vĩ mô của nguồn năng lượng mặt trời là bài toán sản xuất năng lượng điện thông qua hệ thống pin quang điện (Photovoltaic cell, PV) Các ứng dụng này có thể độc lập trong các hộ gia đình, phục vụ chiếu sáng công cộng, phương tiện di chuyển, quân sự và các ứng dụng không gian hoặc

là một hệ thống điện năng lượng mặt trời sử dụng PV được kết nối với lưới điện quốc gia Trong các hệ thống PV này đang tồn tại hai vấn đề lớn:

- Hiệu suất chuyển đổi của năng lượng mặt trời thành năng lượng điện là rất thấp (9 ÷ 17%), đặc biệt là trong các điều kiện bức xạ thấp;

- Năng lượng điện được tạo ra bởi PV thay đổi liên tục dưới các điều kiện thời tiết khác nhau

Mặt khác, đặc tính V–I của PV là phi tuyến và cũng sẽ thay đổi dưới các điều kiện nhiệt độ và bức xạ khác nhau Trên các đặc tuyến V–I hoặc V–P, tồn tại một điểm làm việc duy nhất mà được gọi là điểm công suất cực đại (Maximum power point, MPP) Vị trí của các MPP là không xác định trước được, nhưng có thể xác định được thông qua các mô hình tính toán hoặc các thuật toán tìm kiếm trong quá trình vận hành Khi các MPP đã được xác định, các kỹ thuật bám MPP sẽ được sử dụng để duy trì điểm làm việc của các PV luôn luôn là tại MPP

Bên cạnh đó, việc kết nối lưới hệ thống điện năng lượng mặt trời cũng là một trong các giải pháp được xem xét cho bài toán lưu trữ năng lượng điện mặt trời mà đang phải gánh chịu các chỉ trích mạnh mẽ liên quan đến ô nhiễm môi trường khi con người sử dụng các phương án lưu trữ thông qua ắc-quy

Với các phân tích trên cho thấy rằng hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện của hệ PV là hoàn toàn có thể được tối ưu, nhằm nâng cao hiệu quả khai thác Điều này cũng có nghĩa là sẽ giảm bớt gánh nặng cho các nguồn năng lượng điện truyền thống như thủy điện hay nhiệt điện

Ngoài ra, việc lưu trữ nguồn năng lượng điện từ các nguồn năng lượng tái tạo, cụ thể là năng lượng mặt trời cũng là một bài toán khó Giải pháp kết nối hệ thống điện năng lượng mặt trời với lưới điện quốc gia là một trong các giải pháp được đánh giá hiệu quả cao

Chính vì các lý do trên, đề tài “Nghiên cứu vận hành hệ thống điện năng

lượng mặt trời tại điểm công suất cực đại” được lựa chọn và triển khai nghiên

cứu trong luận văn này

1.2 Tính cấp thiết của đề tài

Nguồn điện đang gánh chịu các áp lực nặng nề của sự cạn kiệt các nguồn nhiên liệu sơ cấp truyền thống (nước, nhiên liệu hóa thạch, ) Để giảm bớt các gánh nặng này, cũng như nâng cao hiệu quả khai thác của các nguồn năng lượng tái

tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời, đề tài nghiên cứu vận hành hệ thống điện năng lượng mặt trời tại điểm công suất cực đại là thật sự cần thiết để được nghiên cứu và triển khai

1.3 Đối tượng nghiên cứu

Các nghiên cứu sẽ được thực hiện trên mô hình hệ thống điện năng lượng mặt trời bao gồm:

- Hệ thống pin quang điện, PV

- Bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại

1.4 Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu của đề tài là:

- Khảo sát nguồn năng lượng mặt trời

- Tổng quan các kết quả nghiên cứu đã đạt được liên quan đến đề tài

- Nghiên cứu lý thuyết pin quang điện (PV) và các đặc tính V-I, V-P của nó

- Nghiên cứu các thuật toán bám điểm công suất cực đại của PV dưới các điều kiện bức xạ và nhiệt độ khác nhau sao cho có thể tối ưu hóa năng lượng thu được

1.5 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

Đề tài “Nghiên cứu vận hành hệ thống điện năng lượng mặt trời tại điểm

công suất cực đại” sẽ được thực hiện với các mục tiêu và nội dung như sau:

- Khảo sát nguồn năng lượng mặt trời

- Nghiên cứu các đặc tính V-I và V-P của PV

- Nghiên cứu và xây dựng một hệ thống điện sử dụng năng lượng mặt trời thông qua PV

- Nghiên cứu các thuật toán bám điểm công suất cực đại của hệ thống PV

- Nghiên cứu vận hành hệ thống điện năng lượng mặt trời tại điểm công suất cực đại