Điều khiển tối ưu công suất của hệ thống pin quang điện

Trong các hệ thống pin quang điện này đang tồn tại một vài nhược điểm lớn như sau: - Hiệu suất chuyển đổi của năng lượng mặt trời thành năng lượng điện là tương đối thấp 9 ÷ 17%; - Năng

-

VÕ VĂN HOÀNG KIM

ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT CỦA HỆ

THỐNG PIN QUANG ĐIỆN

-

VÕ VĂN HOÀNG KIM

ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT CỦA HỆ

THỐNG PIN QUANG ĐIỆN

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)

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được

sửa chữa (nếu có)

Tp HCM, ngày tháng năm 2018

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: VÕ VĂN HOÀNG KIM Giới tính: NAM

Ngày, tháng, năm sinh: Nơi sinh:

I- Tên đề tài:

ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT CỦA HỆ THỐNG PIN QUANG ĐIỆN

II- Nhiệm vụ và nội dung:

- Khảo sát tình hình khai thác và sử dụng năng lượng điện mặt trời

- Nghiên cứu pin quang điện và hệ thống pin quang điện

- Nghiên cứu các giải thuật điều khiển tối ưu công suất của hệ thống pin quang điện

- Mô phỏng điều khiển tối ưu công suất của hệ thống pin quang điện

III- Ngày giao nhiệm vụ:

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ:

V- Cán bộ hướng dẫn: PGS TS HUỲNH CHÂU DUY

CÁN BỘ HUỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng đuợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã đuợc cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã đuợc chỉ rõ nguồn gốc

Học viên thực hiện Luận văn

Võ Văn Hoàng Kim

Đầu tiên, em xin chân thành cám ơn các Thầy Cô của Trường Đại học Công nghệ Tp HCM, Viện Đào tạo Sau đại học, Viện Khoa học Kỹ thuật đã hỗ trợ, tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành khóa học và đề tài luận văn

Đặc biệt, em xin chân thành cám ơn Thầy, PGS TS HUỲNH CHÂU DUY

đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và đóng góp những ý kiến quý báo cho việc hoàn thành Luận văn này

Cuối cùng, em xin cảm ơn tập thể lớp 16SMĐ11, đồng nghiệp và gia đình đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình thực hiện Luận văn của em

Võ Văn Hoàng Kim

Việt Nam nói riêng đặc biệt quan tâm Để giải quyết vấn đề này, đã có rất nhiều đề xuất của việc sử dụng các dạng năng lượng khác nhau để tạo ra năng lượng điện, dưới các dạng năng lượng tái tạo Một trong số đó có năng lượng mặt trời

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 Nếu tận dụng được nguồn năng lượng mặt trời để phục vụ cho nhu cầu năng lượng điện thì đây là một trong các mục tiêu cần phải đạt được của các nhà khoa học

Một trong các ứng dụng chính từ nguồn năng lượng mặt trời là sản xuất năng lượng điện thông qua hệ thống pin quang điện (Photovoltaic, PV) Trong các hệ thống pin quang điện này đang tồn tại một vài nhược điểm lớn như sau:

- Hiệu suất chuyển đổi của năng lượng mặt trời thành năng lượng điện là tương đối thấp (9 ÷ 17%);

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

Chính vì các lý do trên, đề tài “Điều khiển tối ưu công suất của hệ thống pin quang điện” được lựa chọn và thực hiện trong luận văn này mà bao

gồm các nội dung như sau:

+ Chương 1: Giới thiệu

+ Chương 2: Hệ thống pin quang điện

+ Chương 3: Điều khiển tối ưu công suất của hệ thống pin quang điện + Chương 4: Mô phỏng điều khiển tối ưu công suất của hệ thống pin quang điện

+ Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai

attention by the world in general and Vietnam in particular To address this problem, there are many proposals for the use of different forms of energy to generate electricity, in the form of renewable energy One of them is solar

It can be seen that solar energy is a clean energy source unlike any other energy source that we are exploiting on earth If solar energy is efficiently used to meet your electricity needs, this is one of the goals that scientists need One of the main applications from solar power is the production of electricity through photovoltaic (PV) systems In these photovoltaic systems, there are several major shortcomings:

- The conversion efficiency of solar energy into electrical energy is relatively low (9 ÷ 17%);

- The electrical energy generated by the photovoltaic system is constantly changing under different weather conditions

For the above reasons, the thesis "Optimal power control of a solar photovoltaic system" is selected and implemented which includes the following contents:

+ Chapter 1: Introduction

+ Chapter 2: Solar photovoltaic system

+ Chapter 3: Optimal power control of a solar photovoltaic system + Chapter 4: Simulation results of optimal power control of a solar photovoltaic system

+ Chapter 5: Conclusions and future works

MỤC LỤC

Mục lục i

Danh sách hình vẽ iv

Danh sách bảng ix

Chương 1 - Giới thiệu 1

1.1 Giới thiệu 1

1.2 Tính cấp thiết của đề tài 2

1.3 Đối tượng nghiên cứu 2

1.4 Phạm vi nghiên cứu 2

1.5 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 3

1.6 Phương pháp nghiên cứu 3

1.7 Tổng quan tình hình nghiên cứu 3

1.7.1 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài 4

1.7.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 6

1.8 Bố cục của luận văn 7

Chương 2 - Hệ thống pin quang điện 8

2.1 Giới thiệu về mặt trời 8

2.2 Quỹ đạo của trái đất quanh mặt trời 10

2.3 Góc cao độ của mặt trời vào buổi trưa 11

2.4 Bức xạ mặt trời 13

2.5 Pin quang điện 17

2.5.1 Giới thiệu 17

2.5.2 Phân loại pin quang điện 19

2.5.3 Mô hình toán pin quang điện 20

2.6 Module pin quang điện 23

2.7 Mảng pin quang điện 24

2.8 Các ảnh hưởng đến pin quang điện 26

2.8.1 Ảnh hưởng của cường độ bức xạ 27

2.8.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ 27

2.8.3 Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm 28

2.9 Các hệ thống pin quang điện 32

2.9.1 Hệ thống pin quang điện độc lập 32

2.9.2 Hệ thống pin quang điện nối lưới 33

2.9.3 Hệ thống pin quang điện hỗn hợp 35

2.10 Các bộ biến đổi DC/DC và DC/AC 36

2.10.1 Bộ biến đổi DC/DC 36

2.10.2 Bộ biến đổi DC/AC 37

2.11 PLL 3 pha 39

2.11.1 Phase detector 39

2.11.2 VCO 40

2.11.3 Bộ nghịch lưu 6 khóa 47

Chương 3 - Điều khiển tối ưu công suất của hệ thống pin quang điện 52 3.1 Giới thiệu 52

3.2 Hệ thống bám điểm công suất cực đại 53

3.3 Thuật toán P&O (Perturbation and Observation) 54

3.4 Thuật toán điện dẫn gia tăng (InC - Incremental Conductance) 58

3.5 Thuật toán điện áp hằng số 61

3.6 Đề xuất thuật toán InC cải tiến 62

3.7 Phương pháp điều khiển bộ bám điểm công suất cực đại 63

3.7.1 Phương pháp điều khiển PI 64

3.7.2 Phương pháp điều khiển trực tiếp 65

Chương 4 - Mô phỏng điều khiển tối ưu công suất của hệ thống pin quang điện 68

4.1 Giới thiệu 68

4.2 Mô phỏng pin quang điện 69

4.3 Bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại DC/DC 73

4.4 Mô phỏng với điều kiện của cường độ bức xạ thay đổi và nhiệt độ

không đổi 74

4.4.1 Cường độ bức xạ, 1 kW/m2 và nhiệt độ, 250C 74

4.4.2 Cường độ bức xạ, 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, 250C 75

4.4.3 Cường độ bức xạ, 0,6 kW/m2 và nhiệt độ, 250C 76

4.5 Mô phỏng với điều kiện của cường độ bức xạ không đổi và nhiệt độ thay đổi 77

4.5.1 Cường độ bức xạ, 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, 150C 79

4.5.2 Cường độ bức xạ, 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, 300C 80

4.5.3 Cường độ bức xạ, 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, 350C 82

4.6 Mô phỏng với điều kiện của cường độ bức xạ và nhiệt độ thay đổi 84

Chương 5 - Kết luận và hướng phát triển tương lai 88

5.1 Kết luận 88

5.2 Hướng phát triển tương lai 88

Tài liệu tham khảo 89

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 2.1 Cấu trúc của mặt trời 8

Hình 2.2 Quỹ đạo trái đất quay quanh mặt trời 11

Hình 2.3 Hướng nhìn quỹ đạo trái đất 12

Hình 2.4 Góc cao độ mặt trời 13

Hình 2.5 Dải bức xạ điện từ 14

Hình 2.6 Góc nhìn mặt trời 15

Hình 2.7 Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển của trái đất 16

Hình 2.8 Cấu tạo pin quang điện 18

Hình 2.9 Pin quang điện 18

Hình 2.10 Các loại pin quang điện 19

Hình 2.11 Xu hướng công nghệ điện mặt trời của thế giới 20

Hình 2.12 Sơ đồ thay thế đơn giản của pin quang điện 20

Hình 2.13 Các tham số quan trọng của pin quang điện (Dòng điện ngắn mạch, I sc và điện áp hở mạch, V oc) 21

Hình 2.14 Mô hình thay thế pin quang điện có xét đến các tổn hao 22

Hình 2.15 Đặc tính của pin quang điện có xét đến các ảnh hưởng của R s và R p 22

Hình 2.16 Module pin quang điện 23

Hình 2.17 Đặc tính của module pin quang điện 24

Hình 2.18 Các module pin quang điện được kết hợp nối tiếp với nhau 25

Hình 2.19 Các module pin quang điện được kết hợp song song với nhau 25 Hình 2.20 Các module pin quang điện được kết hợp hổn hợp với nhau 26

Hình 2.21 Đặc tuyến V-I của pin quang điện với các cường độ bức xạ khác nhau và nhiệt độ pin quang điện không đổi, 250C 27

Hình 2.22 Đặc tuyến V-I của pin quang điện với các nhiệt độ khác nhau và cường độ bức xạ không đổi 1 kW/m2 27

Hình 2.23 Module pin quang điện với n pin quang điện trong trường

hợp module không bị che khuất 28

Hình 2.24 Module pin quang điện với n pin quang điện trong trường hợp module bị che khuất một phần 28

Hình 2.25 Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm đối với module pin quang điện 29

Hình 2.26 Module pin quang điện với nhiều pin quang điện bị che khuất 30 Hình 2.27 Module pin quang điện sử dụng diode bypass 30

Hình 2.28 Đặc tính của pin quang điện trong trường hợp sử dụng diode bypass 31

Hình 2.29 Đánh giá so sánh giữa các trường hợp có và không có diode bypass 31

Hình 2.30 Hệ thống pin quang điện độc lập 32

Hình 2.31 Hệ thống pin quang điện nối lưới 33

Hình 2.32 Sơ đồ khối hệ thống pin quang điện nối lưới 34

Hình 2.33 Kiểu máy biến áp tần số thấp và cao 34

Hình 2.34 Kiểu biến đổi không cách ly bằng máy biến áp 35

Hình 2.35 Hệ thống pin quang điện kết hợp 36

Hình 2.36 Các bộ biến đổi DC-DC chuyển mạch 37

Hình 2.37 Sơ đồ nghịch lưu 3 pha hòa lưới 37

Hình 2.38 Bộ điều nghịch lưu 3 pha hòa lưới 38

Hình 2.39 Sơ đồ hệ thống điều khiển PLL 39

Hình 2.40 Tín hiệu ngõ ra VCO 41

Hình 2.41 Sơ đồ thực hiện bộ PLL 3 pha 42

Hình 2.42 Hệ trục tọa độ  42

Hình 2.43 Hệ trục tọa độ dq 44

Hình 2.44 Toàn bộ hệ thống nghịch lưu hòa lưới sử dụng PLL 45

Hình 2.45 Sơ đồ nguyên lý bộ nghịch lưu 6 khóa 47

Hình 2.46 Trạng thái đóng ngắt của các khóa bán dẫn 48

Hình 2.47 Các vector điện áp chuẩn và các sector 50

Hình 2.48 Giản đồ đóng ngắt của các khóa 51

Hình 3.1 Đặc tính V - I của một tế bào quang điện 53

Hình 3.2 Thuật toán tìm điểm công suất cực đại P&O 55

Hình 3.3 Lưu đồ thuật toán P&O 56

Hình 3.4 Sự thay đổi của điểm công suất cực đại theo sự thay đổi của cường độ bức xạ 57

Hình 3.5 Thuật toán InC 59

Hình 3.6 Lưu đồ thuật toán InC 61

Hình 3.7 Điều khiển bám điểm công suất cực đại sử dụng phương pháp điều khiển PI 64

Hình 3.8 Điều khiển bám điểm công suất cực đại sử dụng phương pháp điều khiển trực tiếp 65

Hình 3.9 Đặc tính V - I của hệ thống pin quang điện thể hiện mối quan hệ giữa tổng trở vào, Rin và hệ số làm việc, D 67

Hình 4.1 Hệ thống pin quang điện 68

Hình 4.2 Sơ đồ mô phỏng hệ thống pin quang điện 69

Hình 4.3 Hệ pin quang điện (02 song song x 10 nối tiếp) 70

Hình 4.4 Bố trí hỗn hợp của hệ pin quang điện (02 song song x 10 nối tiếp) 70

Hình 4.5 Hệ pin quang điện tương ứng với thông số ngõ vào của cường độ bức xạ, G (kW/m2) và nhiệt độ, T (0C) 71

Hình 4.6 Đặc tuyến V-I tương ứng với các điều kiện của cường độ bức xạ, 1kW/m2; 0,8kW/m2 và 0,6 kW/m2 và nhiệt độ, 25 0C 71

Hình 4.7 Đặc tuyến V-P tương ứng với các điều kiện của cường độ bức xạ, 1kW/m2; 0,8kW/m2 và 0,6kW/m2 và nhiệt độ 25 0C 72

Hình 4.8 Lưới điện AC, 3 pha (Điện áp, 220 V và tần số, 50 Hz) 73

Hình 4.9 Bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại DC/DC 74

Hình 4.10 Công suất của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện của cường độ bức xạ, 1 kW/m2 và nhiệt độ, 250C sử dụng thuật toán InC cải tiến 75 Hình 4.11 Công suất của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều

kiện của cường độ bức xạ, 0,8 kW/m và nhiệt độ, 25 C sử dụng thuật toán InC cải tiến 76 Hình 4.12 Công suất của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện của cường độ bức xạ, 0,6 kW/m2 và nhiệt độ, 250C sử dụng thuật toán InC cải tiến 77 Hình 4.13 Đặc tuyến V-P tương ứng với các điều kiện của cường độ

bức xạ không đổi, 0,8 kW/m2 và nhiệt độ thay đổi, 150C; 300C và 350C 78 Hình 4.14 Đặc tuyến V-P của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện của cường độ bức xạ, 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, 150C 79 Hình 4.15 Công suất của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện của cường độ bức xạ, 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, 150C sử dụng thuật toán InC cải tiến 80 Hình 4.16 Đặc tuyến V-P của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện của cường độ bức xạ, 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, 300C 81 Hình 4.17 Công suất của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện của cường độ bức xạ, 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, 300C sử dụng thuật toán InC cải tiến 82 Hình 4.18 Đặc tuyến V-P của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện của cường độ bức xạ, 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, 350C 83 Hình 4.19 Công suất của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện của cường độ bức xạ, 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, 350C 84 Hình 4.20 Cường độ bức xạ thay đổi, 0,6 - 1 (kW/m2) 85 Hình 4.21 Nhiệt độ thay đổi, 25 - 35 (0C) 86 Hình 4.22 Công suất của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện của cường độ bức xạ và nhiệt độ thay đổi sử dụng thuật toán InC cải tiến 87

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 2.1 Ngày số n của ngày đầu tiên của mỗi tháng 11 Bảng 2.2 Thống kê góc δ của ngày 21 mỗi tháng 12 Bảng 2.3 Điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu ứng với mỗi trạng thái đóng ngắt 48

Bảng 3.1 Mô tả thuật toán P&O 55

Bảng 4.1 Thông số của pin quang điện và hệ pin quang điện 70 Bảng 4.2 Điểm công suất cực đại tương ứng các điều kiện của cường độ bức xạ khác nhau 72 Bảng 4.3 Điểm công suất cực đại tương ứng các điều kiện của nhiệt độ khác nhau 78 Bảng 4.4 Điểm công suất cực đại tương ứng với các điều kiện của cường

độ bức xạ và nhiệt độ khác nhau 85

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 dường như vô tận Những phản ứng nhiệt hạch trên mặt trời đã và đang diễn ra hàng triệu triệu năm mà chưa ai dự đoán được thời điểm kết thúc của nó Khối cầu lửa khổng lồ ấy mới chỉ truyền một phần năng lượng nhỏ bé của nó xuống trái đất cách xa hàng triệu km mà con người chúng ta đã cảm thấy sức nóng khủng khiếp của mặt trời ở nhiều vùng 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 Chẳng hạn 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 có thể gây bụi và ô nhiễm môi trường do các khí COx, SOx và NOx; điện hạt nhân có thể gây ô nhiễm do phóng xạ hạt nhân [1]-[2]

Vì vậy, nếu tận dụng được nguồn năng lượng mặt trời để phục vụ cho nhu cầu năng lượng điện thì đây là một trong các mục tiêu cần phải đạt được của các nhà khoa học

Một trong các ứng dụng chính từ nguồn năng lượng mặt trời là sản xuất năng lượng điện thông qua hệ thống pin quang điện (Photovoltaic, PV) Trong

đó, hệ thống pin quang điện này có thể hoạt động độc lập phục vụ trong các hộ gia đình, phục vụ chiếu sáng đường phố cục bộ; hoặc có thể là một hệ thống

pin quang điện được kết nối với lưới điện quốc gia Tuy nhiên, trong các hệ thống pin quang điện này đang tồn tại một vài nhược điểm lớn như sau:

- Hiệu suất chuyển đổi của năng lượng mặt trời thành năng lượng điện là tương đối thấp (9 ÷ 17%);

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

Chính vì các lý do trên, đề tài “Điều khiển tối ưu công suất của hệ thống pin quang điện” được lựa chọn và thực hiện trong luận văn này

1.2 Tính cấp thiết của đề tài

Cơ cấu nguồn điện đang gánh chịu các áp lực nặng nề của sự cạn kiệt các nguồn năng lượng sơ cấp truyền thống như nhiên liệu hóa thạch, nước Để giảm bớt các gánh nặng này, cũng như nâng cao hiệu quả khai thác của các nguồn năng lượng tái tạo, cụ thể là nguồn năng lượng mặt trời Vì vậy, đề tài

“Điều khiển tối ưu công suất của hệ thống pin quang điện” được xem là cần

thiết

1.3 Đối tượng nghiên cứu

Các nghiên cứu sẽ được thực hiện trên mô hình của một hệ thống pin quang điện bao gồm:

- Hệ thống pin quang điện;

- Các bộ biến đổi DC-DC và DC-AC;

- Giải thuật tìm điểm công suất cực đại;

- Bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại

1.4 Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong các nội dung sau:

- Khảo sát tình hình khai thác và sử dụng nguồn năng lượng mặt trời

- Tổng quan các nghiên cứu đã được thực hiện liên quan đến điều khiển tối ưu công suất phát của hệ thống pin quang điện

- Nghiên cứu các đặc điểm của các đặc tuyến pin quang điện

- Mô hình và mô phỏng một hệ thống pin quang điện

- Nghiên cứu giải thuật tìm và điều khiển bám điểm công suất cực đại của một

hệ thống pin quang điện dưới các điều kiện bức xạ và nhiệt độ khác nhau

1.5 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

Đề tài “Điều khiển tối ưu công suất của hệ thống pin quang điện” sẽ

được thực hiện với các mục tiêu và nội dung như sau:

- Khảo sát tình hình khai thác và sử dụng nguồn năng lượng mặt trời

- Nghiên cứu các đặc tuyến của pin quang điện

- Nghiên cứu giải thuật tìm và điều khiển bám điểm công suất cực đại

- Mô hình và mô phỏng một hệ thống pin quang điện

- Mô phỏng điều khiển tối ưu công suất của hệ thống pin quang điện

1.6 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu các tài liệu về điều khiển tối ưu công suất của hệ thống pin quang điện

- Phân tích, tổng hợp và đề xuất giải thuật điều khiển tối ưu công suất của hệ thống pin quang điện

1.7 Tổng quan tình hình nghiên cứu

Kỹ thuật điều khiển tối ưu công suất của hệ thống pin quang điện chịu chi phối trực tiếp bởi các giải thuật tìm điểm công suất cực đại Vì vậy, trong thời gian gần đây, các giải thuật tìm điểm công suất cực đại đã được nghiên cứu, đề xuất và áp dụng như giải thuật xáo trộn và giám sát (Pertuation & Observation algorithm, P&O), giải thuật gia tăng độ dẫn (Incremental Conductance algorithm, InC), mạng nơ-rôn nhân tạo, logic mờ, v.v Các giải thuật này khác nhau ở một vài khía cạnh và quan điểm bao gồm: tính chất đơn giản của giải thuật; giá trị hội tụ và tốc độ hội tụ của giải thuật; tính chất đơn giản của việc thực hiện các thực nghiệm nghiên cứu, cũng như chi phí thực hiện cho mỗi giải pháp

1.7.1 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài

Trên nền tảng của thuật toán P&O, J Jiang, T Huang, Y Hsiao, và C Chen đã giới thiệu phương pháp so sánh 3 điểm Phương pháp này tương tự như phương pháp P&O và có thể xem như thuật toán P&O cải tiến Thuật toán P&O thực hiện so sánh 2 thời điểm Trong khi đó, thuật toán được giới thiệu so sánh 3 thời điểm từ đó mới ra quyết định tăng, giảm hay giữ nguyên giá trị của điện áp Có thể nhận ra các ưu điểm của thuật toán này, việc so sánh 3 điểm có khả năng khắc phục được sự hoạt động sai của giải thuật P&O truyền thống khi

có sự thay đổi nhanh của môi trường chẳng hạn như cường độ bức xạ, nhiệt độ, v.v Tuy nhiên, đề xuất này cũng tồn tại một vài khuyết điểm chẳng hạn như khi cường độ bức xạ thay đổi lớn và kéo dài so với chu kỳ lấy mẫu thì thuật toán so sánh 3 điểm này có thể sai do thuật toán luôn xác định được 3 điểm cùng tăng (nếu cường độ bức xạ tăng) hoặc 3 điểm cùng giảm (nếu cường độ bức xạ giảm) và cuối cùng quyết định thay đổi giá trị điện áp sẽ không chính xác và ảnh hưởng đến hiệu quả của thuật toán [3]

Để khắc phục cho các khuyết điểm của thuật toán P&O truyền thống, D Sera, T Kerekes, R Teodorescu và F Blaabjerg đã giới thiệu thêm một thuật toán bám điểm công suất cực đại trên nền tảng của thuật toán P&O bằng việc lấy thêm các mẫu trung gian Ưu điểm của thuật toán này sẽ giúp bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại không bị nhẫm lẫn khi cường độ sáng thay đổi tuyến tính Trong khi đó, nhược điểm của thuật toán này là khi cường độ chiếu sáng thay đổi không tuyến tính thì thuật toàn này có thể hoạt động sai [4]

M A Younis, T Khatib, M Najeeb và A M Ariffin đã tiếp tục nghiên cứu để kết hợp công nghệ mạng nơ-rôn nhân tạo và thuật toán P&O cho việc xây dựng một bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại Các tác giả đã sử dụng mạng nơ-rôn nhân tạo để dự báo giá trị điện áp tối ưu của hệ thống PV sao cho có thể đạt được điểm công suất cực đại Cấu trúc mạng nơ-rôn được sử dụng trong nghiên cứu là cấu trúc lan truyền ngược với bốn tín hiệu ngõ vào

mà tương ứng là cường độ bức xạ, nhiệt độ, hệ số nhiệt của dòng điện ngắn mạch và hệ số nhiệt độ của điện áp hở mạch của PV và tín hiệu ngõ ra của mạng nơ-rôn là giá trị điện áp tối ưu Các kết quả mô phỏng trong nghiên cứu

này cho thấy rằng bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại sử dụng công nghệ mạng nơ-rôn có các đáp ứng nhanh hơn bộ điều khiển sử dụng thuật toán P&O và đồng thời, hiệu suất bám trung bình cũng được cải tiến hơn thuật toán P&O một cách đáng kể [5]

B Das, A Jamatia, A Chakraborti, P R Kasari và M Bhowmik đã giới thiệu phương pháp chia đôi (Bisection method) cho bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ thống PV Thuật toán tìm ra được giá trị điện áp của mô-đun PV, tính toán công suất và cuối cùng là xác định và bám theo điểm công suất cực đại Các kết quả mô phỏng trong nghiên cứu này cũng được sử dụng để so sánh với các kết quả khác bằng việc sử dụng kỹ thuật P&O thông thường Kết quả so sánh cho thấy rằng phương pháp đề xuất có khả năng đạt được giá trị công suất cực đại nhanh hơn thuật toán P&O [6]

Bên cạnh các kỹ thuật đã được giới thiệu cho việc bám điểm công suất cực đại thì các kỹ thuật khác liên quan đến việc nghiên cứu và thiết kế các hệ thống điều khiển bám theo mặt trời cũng được đề cập giải quyết sao cho khả năng khai thác được từ nguồn năng lượng mặt trời là lớn nhất G Deb, A B Roy; T Tudorache, C D Oancea, L Kreindler và J Rizk, Y Chaiko [7]-[9] đã thực hiện các nghiên cứu, thiết kế và thực hiện một hệ thống bám theo mặt trời cho hệ thống PV Một hệ thống bám đơn trục đã được đề xuất trong nghiên cứu này để đảm bảo việc tối ưu hóa khả năng chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng bằng cách định hướng đúng các PV theo vị trí thật của ánh nắng mặt trời Hoạt động của mô hình thử nghiệm trong nghiên cứu được dựa trên một động cơ bước mà được điều khiển thông minh và một hệ thống truyền động để điều khiển mô-đun PV theo các tín hiệu nhận được từ hai cảm biến ánh sáng Các kết quả đạt được trong nghiên cứu này cho thấy rằng mô-đun PV luôn luôn

di chuyển mô-đun PV theo cường độ ánh sáng của mặt trời

Tương tự, N Barsoum, P Vasant [10] cũng đã giới thiệu một thiết kế khác cho hệ thống bám theo mặt trời Hệ thống này được điều khiển bởi vi điều

khiển PIC16F84A

1.7.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Gần đây, Giáo Sư Thân Ngọc Hoàn đã giới thiệu tổng quan các giải pháp nâng cao chất lượng và hiệu suất của một hệ thống pin quang điện mà bao gồm các kỹ thuật điều khiển bám điểm công suất cực đại, thiết kế và sử dụng các bộ biến đổi công suất có hiệu suất cao, kết hợp điện gió và hệ thống pin quang điện, cải tiến ắc-quy, cải tiến tấm pin quang điện [11]

Với một trong các giải pháp trên, nhóm tác giả bao gồm Hà Thị Thu Phương, Nguyễn Tiến Thu, Hồ Phạm Huy Ánh và Cao Văn Kiên đã giới thiệu

kỹ thuật tối ưu hóa công suất của hệ pin quang điện sử dụng thuật toán P&O

mờ thích nghi Công suất từ hệ thống pin quang điện được đưa qua bộ biến đổi công suất Buck với điểm làm việc luôn bám điểm công suất cực đại mà đã được xác định bởi thuật toán mờ P&O cho phép hiệu chỉnh thích nghi bước kích nhiễu loạn giúp công suất đạt được nhanh chóng đạt giá trị cực đại mới khi bức xạ và nhiệt độ thay đổi Thêm vào đó, đề xuất của nhóm tác giả này cũng giúp triệt tiêu hiện tượng dao động quanh điểm làm việc cực đại [12]

Trên nền tảng của thuật toán gia tăng độ dẫn (InC), tác giả Phạm Văn

Để đã đề xuất thuật toán InC cải tiến cho điều khiển bám điểm công suất cực đại của một hệ thống điện năng lượng mặt trời trong Luận văn Thạc Sĩ Các kết quả mô phỏng được thực hiện trong luận văn này cho thấy rằng đề xuất có đáp ứng thời gian tốt hơn và ổn định hơn với các thay đổi khác nhau của bức xạ năng lượng mặt trời [13]

Bên cạnh đó, dựa vào thuật toán P&O, tác giả Trầm Minh Tuấn cũng đã cải tiến thuật toán này trên cơ sở khắc phục các khuyết điểm đang tồn tại của thuật toán P&O, đặc biệt trong các điều kiện bức xạ thay đổi đột ngột thông qua bước xác định dòng điện ngắn mạch của hệ pin quang điện trong Luận văn Thạc Sĩ Cải tiến này đã giúp cho thuật toán P&O đạt được giá trị và tốc độ hội

tụ được tốt hơn [14]

Theo một cách giải khác của bài toán tối ưu hóa, tác giả Nguyễn Mạnh Tường đã đề xuất thuật toán tối ưu hóa bầy đàn (Thuật toán PSO) cho việc tìm điểm công suất cực đại trong Luận văn Thạc Sĩ Đặc biệt, tác giả đã xét bài toán trong trường hợp có ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm Khi ấy, hệ thống

sẽ tồn tại nhiều điểm công suất cực đại cục bộ và nhiệm vụ của thuật toán PSO

đề xuất là xác định điểm công suất cực đại toàn cục Các kết quả mô phỏng cho thấy rằng, thuật toán PSO đã chứng tỏ được hiệu quả của nó trong việc tìm điểm công suất cực đại toàn cục của hệ pin quang điện trong điều kiện vận hành có xét đến hiện tượng bóng râm [15]

1.8 Bố cục của luận văn

Bố cục của luận văn gồm 5 chương:

+ Chương 1: Giới thiệu

+ Chương 2: Hệ thống pin quang điện

+ Chương 3: Điều khiển tối ưu công suất của hệ thống pin quang điện + Chương 4: Mô phỏng điều khiển tối ưu công suất của hệ thống pin quang điện

+ Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai

Chương 2

Hệ thống pin quang điện

2.1 Giới thiệu về mặt trời

Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1.390106 km (lớn hơn

110 lần đường kính trái đất), cách xa trái đất 150106 km (bằng một đơn vị thiên văn, AU) và ánh sáng mặt trời cần khoảng 8 phút để vượt qua khoảng trên

và đến trái đất [1]-[2]

Khối lượng và nhiệt độ của mặt trời là như sau:

+ Khối lượng mặt trời, M0 = 21030 kg

+ Nhiệt độ trung tâm mặt trời, T0 thay đổi trong khoảng từ 10106 0K đến 20106 0K và trung bình khoảng 15,6106 0K

Như vậy, ở nhiệt độ vật chất không thể giữ được cấu trúc trật tự thông thường với các nguyên tử và phân tử mà nó sẽ trở thành plasma Trong đó, các hạt nhân của nguyên tử sẽ chuyển động tách biệt với các electron Khi các hạt nhân tự do có va chạm với nhau sẽ xuất hiện những vụ nổ nhiệt hạch Khi quan sát tính chất của vật chất nguội hơn trên bề mặt nhìn thấy được của mặt trời, các nhà khoa học đã kết luận rằng có phản ứng nhiệt hạch xảy ra ở trong lòng mặt trời

Hình 2.1 Cấu trúc của mặt trời

Về cấu trúc, mặt trời có thể được chia làm 4 vùng mà sẽ hợp thành một khối cầu khí khổng lồ, Hình 2.1

+ Vùng giữa được gọi là nhân hay “lõi” mà sẽ có những chuyển động đối lưu mà cũng chính là nơi xảy ra những phản ứng nhiệt hạt nhân để có tạo nên nguồn năng lượng mặt trời Vùng này có bán kính khoảng 175.000 km, khối lượng riêng 160 kg/dm3, nhiệt độ ước tính từ 14 đến 20106 0K, áp suất khoảng hàng trăm tỷ atmotphe

+ Vùng kế tiếp là vùng trung gian, còn được gọi là vùng “đổi ngược”

mà qua đó năng lượng truyền từ trong ra ngoài Vật chất ở vùng này bao gồm sắt (Fe), canxi (Ca), natri (Na), stronti (Sr), crôm (Cr), niken (Ni), cacbon ( C), silic (Si) và các khí như hiđrô (H2), hêli (He) Vùng này có bề dày khoảng 400.000 km

+ Vùng kế tiếp là vùng “đối lưu” có bề dày khoảng 125.000 km và vùng

“quang cầu” có bề dày khoảng 1.000 km với nhiệt độ khoảng 6.000 0K Vùng này gồm các bọt khí sôi sục, có chỗ tạo ra các vết đen Thực chất, vùng này là các hố xoáy có nhiệt độ thấp khoảng 4.500 0K và các tai lửa có nhiệt độ từ 7.000 0K - 10.000 0K

+ Vùng ngoài cùng là vùng bất định Vùng này chính là “khí quyển” của mặt trời Nhiệt độ bề mặt của mặt trời là 5.762 0K Nhiệt độ này là đủ lớn để các nguyên tử tồn tại trong trạng thái kích thích và đồng thời đủ nhỏ để xuất hiện những nguyên tử bình thường và cấu trúc phân tử

Dựa trên cơ sở phân tích các phổ bức xạ và hấp thụ của mặt trời, xác định được rằng mặt trời có ít nhất 2/3 số nguyên tố tìm thấy trên trái đất Nguyên tố phổ biến nhất trên mặt trời là nguyên tố nhẹ nhất, Hydrogen

Vật chất của mặt trời bao gồm:

+ Neon: khoảng 0,12%;

+ Nitrogen: khoảng 0,09%;

+ Silicon: khoảng 0,07%;

+ Magnesium: khoảng 0,05%; và + Sulphur: khoảng 0,04%

Nguồn năng lượng bức xạ chủ yếu của mặt trời là do phản ứng nhiệt hạch tổng hợp hạt nhân Hydro mà sản phẩm là sự hình thành Heli Hạt nhân của Hydro có một hạt mang điện dương là proton Thông thường, những hạt mang điện cùng dấu đẩy nhau Nhưng ở nhiệt độ đủ cao, chuyển động của chúng sẽ nhanh tới mức chúng có thể tiến gần đến nhau ở một khoảng cách mà

ở đó có thể kết hợp với nhau dưới tác dụng của các lực hút

Khi đó, cứ 4 hạt nhân Hydro lại tạo ra 01 hạt nhân Heli, 02 Neutrino và

01 lượng bức xạ như phương trình phản ứng (2.1)

Trong quá trình diễn biến của phản ứng, có một lượng vật chất của mặt trời bị mất đi Do đó, khối lượng của mặt trời mỗi giây giảm chừng 4106 tấn Tuy nhiên, theo các nhà nghiên cứu, trạng thái của mặt trời vẫn không thay đổi trong thời gian hàng tỷ năm nữa Mỗi ngày, mặt trời sản xuất một nguồn năng lượng qua phản ứng nhiệt hạch lên đến 91024 kWh, tức là chưa đầy một phần triệu giây, mặt trời đã giải phóng ra một lượng năng lượng tương đương với tổng số điện năng được sản xuất trong một năm trên trái đất

2.2 Quỹ đạo của trái đất quanh mặt trời [1]-[2]

Trái đất quay quanh mặt trời theo quỹ đạo hình elip, một vòng của trái đất quay quanh mặt trời là 365,25 ngày

Điểm mà tại đó trái đất gần mặt trời nhất được gọi là điểm cận nhật Điểm này xảy ra vào ngày 2 tháng 1 Vào lúc này, trái đất cách mặt trời khoảng 147106 km

Điểm mà tại đó trái đất xa mặt trời nhất xảy ra vào ngày 3 tháng 7 Vào lúc này, trái đất cách mặt trời khoảng 152106 km

Bảng 2.1 Ngày số n của ngày đầu tiên của mỗi tháng

một

Mười hai

2.3 Góc cao độ của mặt trời vào buổi trưa

Mặt trời mọc ở hướng đông và lặn ở hướng tây Mặt trời đạt điểm cao nhất vào thời điểm giữa trong ngày Trái đất quay quanh mặt trời và khó có thể xác định được góc của mặt trời so với mặt phẳng trái đất, Hình 2.2

Hình 2.2 Quỹ đạo trái đất quay quanh mặt trời

Mặt khác, để thuận tiện cho việc xác định được góc của mặt trời Trái đất được giả sử là cố định quay quanh trục Bắc - Nam và mặt trời nằm ở một số

nơi trong không gian từ từ di chuyển lên xuống như tiến độ mùa Vào ngày 21 tháng 6 (hạ chí), mặt trời đạt đến điểm cao nhất và một tia kẻ từ trung tâm của trái đất đến trung tâm của mặt trời mà hình thành với mặt phẳng xích đạo một góc bằng 23,450 Khi trái đất di chuyển, góc này thay đổi và được gọi là góc thiên độ, ký hiệu là δ Góc này nằm trong khoảng -23,450 đến 23,450

Một cách tính xấp xỉ gần đúng cho rằng một năm có 365 ngày và đặt xuân phân vào ngày n = 81 Khi ấy, góc δ được biểu diễn như sau:

Hình 2.3 Hướng nhìn quỹ đạo trái đất

Từ (2.3), góc δ có thể được xác định thông qua Bảng 2.2 như sau:

Bảng 2.2 Thống kê góc δ của ngày 21 mỗi tháng

một

Mười hai

Hình 2.3 không thể hiện được quỹ đạo quay của trái đất quanh mặt trời nhưng lại thích hợp cho việc hiển thị các vĩ độ khác nhau và góc để tính toán thu nhận năng lượng mặt trời, cụ thể đó là góc cao độ βN của mặt trời vào buổi trưa Góc cao độ là góc giữa tia sáng mặt trời và đường chân trời

và sẽ tương ứng với bức xạ có bước sóng dài Như vậy, bức xạ chuyển thành bức xạ Rơngen có bước sóng dài hơn Gần đến bề mặt mặt trời nơi có nhiệt độ

đủ thấp để có thể tồn tại vật chất trong trạng thái nguyên tử và các cơ chế khác bắt đầu xảy ra

Đặc trưng của bức xạ mặt trời truyền trong không gian bên ngoài mặt trời là một phổ rộng Trong đó, cực đại của cường độ bức xạ nằm trong dải

10-1-10µm và hầu như, một nửa tổng năng lượng mặt trời tập trung trong khoảng bước sóng 0,38 - 0,78μm mà được gọi là vùng nhìn thấy của phổ

Hình 2.5 Dải bức xạ điện từ

Chùm tia truyền thẳng từ mặt trời gọi là bức xạ trực xạ Tổng hợp các tia trực xạ và tán xạ gọi là tổng xạ Mật độ dòng bức xạ trực xạ ở ngoài lớp khí quyển, tính đối với với 1m2bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ mà được xác định theo biểu thức:

4 0

: Góc nhìn mặt trời;

C0=5,67 W/m2K4: Hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối;

T=57620K: Nhiệt độ bề mặt (xem giống như vật đen tuyệt đối)

Hình 2.6 Góc nhìn mặt trời

Như vậy:

2 4

2

/ 1353 100

5762 67 , 5 4

60

360

32 14

,

3

2

m W

Khi truyền qua lớp khí quyển bao bọc quanh trái đất, các chùm tia bức

xạ bị hấp thụ và tán xạ bởi tầng ôzôn, hơi nước và bụi trong khí quyển, chỉ một phần năng lượng được truyền trực tiếp đến trái đất Đầu tiên, ôxy phân tử bình thường phân ly thành ôxy nguyên tử và để phá vỡ liên kết phân tử đó cần phải

có các photon bước sóng ngắn hơn 0,18μm Do đó, các photon (xem bức xạ như các hạt rời rạc - photon) có năng lượng như vậy sẽ bị hấp thụ hoàn toàn Chỉ một phần các nguyên tử ôxy kết hợp thành các phân tử, còn đại đa số các nguyên tử tương tác với các phân tử ôxy khác để tạo thành phân tử ôzôn, ôzôn cũng hấp thụ bức xạ tử ngoại nhưng với mức độ thấp hơn so với ôxy Dưới tác dụng của các photon với bước sóng ngắn hơn 0,32μm, sự phân tách O3thành

O2và O xảy ra Như vậy, hầu như toàn bộ năng lượng của bức xạ tử ngoại được

sử dụng để duy trì quá trình phân ly và hợp nhất của O2 và O3, đó là một quá trình ổn định Do quá trình này, khi đi qua khí quyển, bức xạ tử ngoại biến đổi thành bức xạ với năng lượng nhỏ hơn

Các bức xạ với bước sóng ứng với các vùng nhìn thấy và vùng hồng ngoại của phổ tương tác với các phân tử khí và các hạt bụi của không khí nhưng không phá vỡ các liên kết của chúng Khi đó, các photon bị tán xạ khá đều theo mọi hướng và một số photon quay trở lại không gian vũ trụ Bức xạ chịu dạng tán xạ đó chủ yếu là bức xạ có bước sóng ngắn nhất Sau khi phản xạ

từ các phần khác nhau của khí quyển bức xạ tán xạ đi đến chúng ta mang theo màu xanh lam của bầu trời trong sáng và có thể quan sát được ở những độ cao không lớn Các giọt nước cũng tán xạ rất mạnh bức xạ mặt trời Bức xạ mặt trời khi đi qua khí quyển còn gặp một trở ngại đáng kể nữa đó là do sự hấp thụ của các phần tử hơi nước, khí cácbônic và các hợp chất khác, mức độ của sự hấp thụ này phụ thuộc vào bước sóng, mạnh nhất ở khoảng giữa vùng hồng ngoại của phổ Phần năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới bề mặt trái đất trong những ngày quang đãng (không có mây) ở thời điểm cao nhất vào khoảng 1000W/m2, Hình 2.7

Hình 2.7 Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển của

trái đất

Yếu tố cơ bản xác định cường độ của bức xạ mặt trời ở một điểm nào đó trên trái đất là quãng đường nó đi qua Sự mất mát năng lượng trên quãng đường đó gắn liền với sự tán xạ, hấp thụ bức xạ và phụ thuộc vào thời gian trong ngày, mùa và vị trí địa lý Các mùa hình thành là do sự nghiêng của trục

trái đất đối với mặt phẳng quỹ đạo của nó quanh mặt trời gây ra Góc nghiêng vào khoảng 66,50 và thực tế xem như không đổi trong không gian Sự định hướng như vậy của trục quay trái đất trong chuyển động của nó đối với mặt trời gây ra những sự dao động quan trọng về độ dài ngày và đêm trong năm

2.5 Pin quang điện

2.5.1 Giới thiệu

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng mà con người biết sử dụng từ rất sớm, nhưng ứng dụng năng lượng mặt trời vào các công nghệ sản xuất và trên quy mô rộng thì mới chỉ thực sự vào cuối thế kỷ 18 và cũng chủ yếu ở các quốc gia có tiềm năng lớn về năng lượng mặt trời Từ sau các cuộc khủng hoảng năng lượng thế giới năm 1968 và 1973, năng lượng mặt trời càng được đặc biệt quan tâm Các nước công nghiệp phát triển đã đi tiên phong trong việc nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời Các ứng dụng năng lượng mặt trời phổ biến hiện nay bao gồm 2 lĩnh vực chủ yếu:

Thứ nhất là biến đổi trực tiếp năng lượng mặt trời thành năng lượng điện nhờ vào các tế bào quang điện hay còn được gọi là pin quang điện Pin quang điện sản xuất ra điện năng một cách liên tục khi có bức xạ mặt trời chiếu tới

Thứ hai là sử dụng năng lượng mặt trời dưới dạng nhiệt năng Các thiết

bị thu bức xạ nhiệt mặt trời và tích trữ nó dưới dạng nhiệt năng để dùng vào các mục đích khác nhau

Việt Nam là quốc gia có tiềm năng về năng lượng mặt trời, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao, trải dài từ vĩ độ 80 Bắc đến

230 Bắc, với trị số tổng xạ khá lớn từ 100 - 175 kcal/cm2năm Do đó, việc sử dụng năng lượng mặt trời ở nước ta sẽ mang lại hiệu quả kinh tế lớn

Hiện nay, Việt Nam sử dụng năng lượng mặt trời chủ yếu dưới các dạng khác nhau như là hệ thống cung cấp điện dùng pin quang điện, bếp nấu có gương phản xạ, hệ thống cung cấp nước nóng, chưng cất nước, chạy các động

cơ nhiệt (động cơ Stirling) và làm lạnh

Trong phạm vi của luận văn này, ứng dụng pin quang điện cho việc sản xuất năng lượng điện được lựa chọn nghiên cứu và phát triển vì quy mô và tính phổ biến của pin quang điện tại thời điểm hiện tại

Pin quang điện là phương pháp sản xuất năng lượng điện trực tiếp từ năng lượng mặt trời thông qua thiết bị biến đổi quang điện Pin quang điện có

ưu điểm là gọn nhẹ và có thể lắp đặt bất kỳ ở vị trí nào có ánh sáng mặt trời

Hình 2.8 Cấu tạo pin quang điện

a)

b) Hình 2.9 Pin quang điện

Mặc dù, pin quang điện đã được đưa vào các ứng dụng khác nhau trong nông nghiệp, công nghiệp, đời sống sinh hoạt, nhưng nó vẫn còn bị hạn chế bởi giá thành của pin quang điện vẫn còn khá cao, trung bình khoảng 5 USD/Wp Vì vậy, tại các nước đang phát triển, pin quang điện mới chỉ được sử dụng để cung cấp năng lượng điện cho các vùng sâu và xa, nơi mà lưới điện quốc gia chưa có Tại Việt Nam, dưới sự hỗ trợ của một số tổ chức quốc tế, pin quang điện đã được triển khai sử dụng nhằm mục đích cung cấp năng lượng điện phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt và văn hoá của các địa phương vùng sâu và

xa, chẳng hạn như các vùng đồng bằng sông Cửu Long và Tây Nguyên

2.5.2 Phân loại pin quang điện

Pin quang điện có thể được phân thành 3 loại như sau:

+ Pin quang điện phổ biến nhất là từ tinh thể Silic dưới các dạng đơn tinh thể

và đa tinh thể

+ Pin quang điện phổ biến thứ hai là pin màng mỏng với 3 vật liệu phổ biến là:

Cu (In, Ga)Se2, CdTe và Silic vô định hình

+ Pin quang điện kém phổ biến hơn bao gồm: pin đa tầng (GaInP/GaAs hoặc GaInNAs), pin hữu cơ,

a) b) c) d)

a) Đơn tinh thể b) Đa tinh thể c) Màng mỏng d) Đa tầng Hình 2.10 Các loại pin quang điện

Xu hướng công nghệ điện mặt trời của thế giới được thể hiện như sau: + Màng mỏng: chiếm 7%

+ Silic đơn tinh thể: chiếm 25%

+ Silic đa tinh thể: chiếm 68%

Năm 2015, tổng công suất sản xuất pin quang điện đạt khoảng 57 GW

Hình 2.11 Xu hướng công nghệ điện mặt trời của thế giới

2.5.3 Mô hình toán pin quang điện

Mô hình toán của pin quang điện được xây dựng trên cơ sở sơ đồ thay thế đơn giản của pin quang điện mà được biểu diễn như sau [16]

Hình 2.12 Sơ đồ thay thế đơn giản của pin quang điện

Trong pin quang điện, hai tham số quan trọng của nó là dòng điện ngắn

mạch, Isc và điện áp hở mạch, Voc

I: Cường độ dòng điện của pin quang điện (A);

V: Điện áp của pin quang điện (V);

I sc: Cường độ dòng điện ngắn mạch của pin quang điện (A);

V oc: Điện áp hở mạch của pin quang điện (V);

I 0: Dòng điện ngược của diode, có giá trị rất nhỏ (khoảng 10-12A/cm2);

q: Điện tích electron, q = 1,602.10-19(C);

k: Hằng số Boltzman, k = 1,381 x 10-23(J/K);

T: Nhiệt độ tuyệt đối (0K)

Trong điều kiện 250C, ta có:

Trong thực tế, pin quang điện luôn có tổn hao, đặc trưng cho các tổn hao

này là các thông số Rs và Rp Khi ấy, mô hình pin quang điện được mô tả như

sau:

Hình 2.14 Mô hình thay thế của pin quang điện có xét đến các tổn hao

Mô hình toán của pin quang điện có xét đến các ảnh hưởng của Rs và Rp

được biểu diễn như sau:

sc

R

IR V kT

IR V q I

I

Các đặc tính của pin quang điện có xét đến các ảnh hưởng của Rs và Rp

Hình 2.15 Đặc tính của pin quang điện có xét đến các ảnh hưởng của R s và R p

2.6 Module pin quang điện

Một khuyết điểm của pin quang điện là điện áp và dòng điện làm việc của nó rất nhỏ Một pin quang điện có điện áp làm việc khoảng 0,5 V

Hình 2.16 Module pin quang điện

Khi ấy, điện áp của module pin quang điện có thể được xác định như sau:

ule n V IR

Trong đó:

V module: Điện áp của module pin quang điện (V);

n: Số pin quang điện của module pin quang điện;

V d: Điện áp của diode (V);

R s: Giá trị điện trở nối tiếp ()

Cell

Module

Các đường đặc tính của một module pin quang điện được mô tả như sau:

Hình 2.17 Đặc tính của module pin quang điện

2.7 Mảng pin quang điện

Mảng pin quang điện được định nghĩa là việc kết nối nhiều module pin quang điện

Có 3 hình thức kết nối các module pin quang điện là:

+ Nối tiếp,

+ Song song, và

+ Hỗn hợp

a Kết hợp nối tiếp nhiều module pin quang điện

Hình thức kết hợp nối tiếp nhiều module pin quang điện được sử dụng

để nâng điện áp của hệ thống pin quang điện