Mô phỏng giải thuật tìm điểm công suất cực đại của hệ thống pin quang điện có xét đến hiệu ứng bóng râm

--- TRẦN VĂN THỪA MÔ PHỎNG GIẢI THUẬT TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CỦA HỆ THỐNG PIN QUANG ĐIỆN CÓ XÉT ĐẾN HIỆU ỨNG BÓNG RÂM LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số ngành: 60

Trang 1

-

TRẦN VĂN THỪA

MÔ PHỎNG GIẢI THUẬT TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CỦA HỆ THỐNG PIN QUANG ĐIỆN CÓ XÉT ĐẾN HIỆU ỨNG BÓNG RÂM

LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số ngành: 60520202

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018

Trang 2

-

TRẦN VĂN THỪA

MÔ PHỎNG GIẢI THUẬT TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CỦA HỆ THỐNG PIN QUANG ĐIỆN CÓ XÉT ĐẾN HIỆU ỨNG BÓNG RÂM

LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số ngành: 60520202 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS HUỲNH CHÂU DUY

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018

Trang 3

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)

Trang 4

Tp HCM, ngày tháng năm 2018

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Trần Văn Thừa Giới tính: Nam

I- Tên đề tài:

Mô phỏng giải thuật tìm điểm công suất cực đại của hệ thống pin quang điện

có xét đến hiệu ứng bóng râm

II- Nhiệm vụ và nội dung:

- Nghiên cứu các đặc tính của pin quang điện

- Nghiên cứu, xây dựng và mô hình một hệ thống pin quang điện

- Nghiên cứu hiệu ứng bóng râm trong hệ thống pin quang điện

- Nghiên cứu và đề xuất giải thuật tìm điểm công suất cực đại của hệ thống pin quang điện có xét đến hiệu ứng bóng râm

- Mô phỏng hệ thống pin quang điện

- Mô phỏng giải thuật đề xuất giải thuật tìm điểm công suất cực đại của hệ thống pin quang điện có xét đến hiệu ứng bóng râm

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)

Trang 5

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

Trần Văn Thừa

Trang 6

Đầu tiên, Em xin chân thành cám ơn Trường Đại học Công nghệ TP HCM, Viện đào tạo sau đại học, Viện Kỹ thuật HUTECH 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 giúp đỡ, đóng góp những ý kiến quý báo và hướng dẫn em thực hiện hoàn thiện luận văn này

Cuối cùng, xin cảm ơn tập thể lớp 16SMĐ12, đồng nghiệp và gia đình đã tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn

Trần Văn Thừa

Trang 7

Hiệu suất của một mảng pin quang điện mặt trời (PV - photovoltaic) bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, độ bức xạ, bóng râm, và cấu hình mảng PV Thông thường, các mảng PV nhận được bao trùm trong bóng tối hoàn toàn hoặc một phần, bởi những đám mây trôi qua, các tòa nhà lân cận, cây cối, cột điện Trong điều kiện bóng râm, đặc tính P-V phức tạp hơn, với nhiều điểm cực trị Điều này làm cho việc theo dõi các điểm công suất cực đại (MPP - maximum power point) thực tế là một nhiệm vụ khó khăn

Những hạn chế cố hữu chung của các hệ thống gió và quang điện là tính chất không liên tục của chúng mà làm cho chúng có hiệu suất thấp Để nâng cao hiệu suất và độ tin cậy cho hệ PV, nhiều kỹ thuật MPPT được nhiều người nghiên cứu và phổ biến nhất là thuật toán P&O (Perturb and Observe)

Luận văn này thực hiện nghiên cứu hệ PV dưới các điều kiện không đồng nhất của các tế bào pin mặt trời hay khi điều kiện môi trường thay đổi như tấm PV bị che một phần

Thuật toán P&O được đề xuất áp dụng cho việc tìm điểm công suất cực đại của hệ PV này

Đề tài luận văn “Mô phỏng giải thuật tìm điểm công suất cực đại của

hệ thống pin quang điện có xét đến hiệu ứng bóng râm” được lựa chọn thực

hiện mà bao gồm các nội dung như sau:

+ Chương 1: Giới thiệu chung

+ Chương 2: Cơ sở lý thuyết pin quang điện

+ Chương 3: Nghiên cứu giải thuật tìm điểm công suất cực đại của hệ thống pin quang điện có xét đến hiệu ứng bóng râm

+ Chương 4: Mô phỏng giải thuật tìm điểm công suất cực đại của hệ thống pin quang điện có xét đến hiệu ứng bóng râm

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

Trang 8

The performance of a photovoltaic (PV) array is affected by temperature, irradiation, shading and configuration Normally, the PV array gets covered in full or partial shadows, by passing clouds, neighboring buildings, trees, poles, etc In shaded conditions, the P-V characteristics are more complex, with many extreme points

This makes the monitoring of the maximum power point (MPP) to become a difficult task

The inherent limitations of wind and solar systems are their intermittent nature that makes them inefficient To improve the efficiency and reliability of

PV systems, there are many MPPT algorithm proposed Among them, the P &

O (Perturb and Observe) algorithm is the most popular MPPT technique

This thesis studies the PV system under heterogeneous conditions of solar cell

or changed environmental conditions such as PV partially shading

The P & O algorithm is also proposed to apply for finding the MPP of this PV system under shading conditions

The topic thesis, "Simulation on a maximum power point searching algorithm considering partial shading conditions" is selected to implement

which includes the following contents:

+ Chapter 1: Introduction

+ Chapter 2: Background to photovoltaic systems

+ Chapter 3: Proposal a maximum power point searching algorithm considering partial shading

+ Chapter 4: Simulation results

+ Chapter 5: Conclusions and future works

Trang 9

MỤC LỤC

Mục lục i

Danh sách hình vẽ iii

Chương 1 - Giới thiệu chung 1

1.1 Giới thiệu 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 1

1.3 Phạm vi nghiên cứu 2

1.4 Nội dung nghiên cứu 2

1.5 Ý nghĩa của đề tài 3

1.6 Tổng quan tình hình nghiên cứu 3

1.7 Bố cục của luận văn 5

Chương 2 - Cơ sở lý thuyết pin quang điện 6

2.2 Hệ thống pin quang điện 7

2.2.1 Nguyên lý hoạt động của tế báo quang điện 11

2.2.2 Ảnh hưởng của độ bức xạ và nhiệt độ lên tấm quang điện 12

2.2.3 Phân loại hệ thống PV 14

2.2.4 Ưu và khuyết điểm của năng lượng mặt trời 16

2.2.5 Hiệu chỉnh cơ khí 17

2.3 Hiệu chỉnh bám điểm công suất cực đại 17

2.3.1 Khảo sát hệ PV trong điều kiện không bị che 19

2.3.2 Khảo sát hệ PV trong điều kiện có bóng râm 22

Chương 3 - Nghiên cứu giải thuật tìm điểm công suất cực đại hệ thống pin quang điện có xét đến hiệu ứng bóng râm 26

3.2 Bộ biến đổi DC/DC 28

Trang 10

3.2.1 Bộ biến đổi Buck 28

3.2.2 Bộ biến đổi Boost 31

3.2.3 Bộ biến đổi Buck - Boost 32

3.3 Điều khiển bộ biến đổi DC/DC 33

3.3.1 Điều khiển điện áp hồi tiếp 34

3.3.2 Điều khiển dòng điện hồi tiếp 34

3.4 Thuật toán xác định điểm công suất cực đại 35

3.4.1 Thuật toán Perturbation & Observation (P&O) 35

3.4.2 Thuật toán Incremental Conductance (IC) 38

3.4.3 Thuật toán điện áp không đổi 41

3.4.4 Thuật toán dòng điện ngắn mạch 42

Chương 4 - Mô phỏng giải thuật tìm điểm công suất cực đại của hệ thống pin quang điện có xét đến hiệu ứng bóng râm 44

4.2 Xây dựng mô hình và mô phỏng hệ thống pin quang điện 44

4.3 Kết quả mô phỏng cho một array pin quang điện 49

4.3.1 Trường hợp không bị bóng râm 49

4.3.2 Trường hợp bị bóng râm 52

4.4 Kết luận 64

Chương 5 - Kết luận và hướng phát triển tương lai 65

5.1 Kết luận 65

5.2 Hướng phát triển tương lai 65

Tài liệu tham khảo 67

Trang 11

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 2.1 Cấu trúc một mảng PV 7

Hình 2.2 Bản đồ bức xạ mặt trời trung bình toàn cầu 8

Hình 2.3 Bản đồ nhiệt độ trung bình toàn cầu 8

Hình 2.4 Số giờ nắng trung bình tại các một vài thành phố của Việt Nam 9

Hình 2.5 Tỉ lệ tổn thất công suất theo góc lệch 9

Hình 2.6 Phổ bức xạ của mặt trời đến trái đất 10

Hình 2.7 Nguyên lý hoạt động của tế bào quang điện 11

Hình 2.8 Ảnh hưởng của điện áp và dòng điện theo độ bức xạ 12

Hình 2.9 Ảnh hưởng của công suất điện theo độ bức xạ 13

Hình 2.10 Ảnh hưởng của điện áp và dòng điện theo nhiệt độ 14

Hình 2.11 Ảnh hưởng của công suất điện theo nhiệt độ 14

Hình 2.12 Hệ thống PV kết nối lưới điện 15

Hình 2.13 Hệ thống PV độc lập 16

Hình 2.14 Hệ thống PV độc lập trực tiếp 16

Hình 2.15 Hiệu chỉnh cơ khí trục đơn ở California 18

Hình 2.16 Hiệu chỉnh bám điểm công suất cực đại 18

Hình 2.17 Mạch điện tương đương của một tế bào quang điện lý tưởng 20 Hình 2.18 Mạch điện tương đương của một tế bào quang điện thực tế 21

Hình 2.19 Điểm MPP trên đường đặc tính I-V và P-V 21

Hình 2.20 Các đặc tính của một mảng PV khi không có bóng râm 23

Hình 2.21 Các đặc tính của một mảng PV trong điều kiện có bóng râm 24

Hình 2.22 Tỉ lệ bóng râm và tỉ lệ tổn thất công suất tương ứng 25

Hình 3.1 Các đặc tính phi tuyến của PV 27

Hình 3.2 Đặc tính V-I của PV với các cường độ bức xạ khác nhau 27

Hình 3.3 Hệ thống bám điểm công suất cực đại 28

Hình 3.4 Bộ giảm áp Buck 29

Trang 12

Hình 3.5 Bộ tăng áp Boost 31

Hình 3.6 Bộ biến đổi Buck – Boost 32

Hình 3.7 Sơ đồ điều khiển điện áp hồi tiếp 34

Hình 3.8 Sơ đồ điều khiển dòng điện hồi tiếp 35

Hình 3.9 Lưu đồ thuật toán P&O 36

Hình 3.10 Sự phân kỳ của thuật toán P&O khi cường độ bức xạ thay đổi 38

Hình 3.11 Thuật toán IC 39

Hình 3.12 Lưu đồ thuật toán IC 41

Hình 4.1 Cấu hình của mảng PV cần mô phỏng 44

Hình 4.2 Một module gồm 4  6 cell 45

Hình 4.3 Đặc tính V-I của module RTL-CS 90 46

Hình 4.4 Đặc tính V-P của module RTL-CS 90 46

Hình 4.5 Sơ đồ mô phỏng cho một array pin quang điện 47

Hình 4.6 Array pin quang điện có xét đến hiệu ứng bóng râm 48

Hình 4.7 Đặc tuyến V-I của array pin quang điện trong trường hợp không bị bóng râm 49

Hình 4.8 Đặc tuyến V-P của array pin quang điện trong trường hợp không bị bóng râm 50

Hình 4.9 Công suất thu được của hệ pin quang điện trong trường hợp bỏ qua hiện tượng bóng râm 50

Hình 4.10 Điện áp ngõ ra của hệ pin quang điện trong trường hợp bỏ qua hiện tượng bóng râm 51

Hình 4.11 Cường độ dòng điện ngõ ra của hệ pin quang điện trong trường hợp bỏ qua hiện tượng bóng râm 51

Hình 4.12 Array pin quang điện bị bóng râm tại Module 19 52

Hình 4.13 Đặc tuyến V-I xét đến hiệu ứng bóng râm, trường hợp 1 52

Hình 4.14 Đặc tuyến V-P xét đến hiệu ứng bóng râm, trường hợp 1 53

Hình 4.15 Công suất thu được của hệ pin quang điện, trường hợp 1 53

Hình 4.16 Điện áp ngõ ra của hệ pin quang điện, trường hợp 1 54

Trang 13

Hình 4.17 Cường độ dòng điện của hệ pin quang điện, trường hợp 1 54

Hình 4.18 Array pin quang điện bị bóng râm tại Module 13, 19 và 20 55

Hình 4.23 Cường độ dòng điện ngõ ra của hệ pin quang điện, trường hợp 2 57

Hình 4.24 Array pin quang điện bị bóng râm tại Module 7, 13, 14, 19, 20 và 21 58

Hình 4.30 Array pin quang điện bị bóng râm tại Module 1, 7, 8, 13, 14, 15, 19, 20, 21 và 22 61

Trang 14

Với vị trí địa lý ở gần xích đạo, Việt Nam có số giờ có nắng trung bình 2.000 giờ/năm ở hầu hết các tỉnh Tại các khu vực đô thị lớn, tiềm năng năng lượng tái tạo có thể đạt 4,08-5,15 kWh/m2/ngày Điều đó chứng tỏ điều kiện tự nhiên của Việt Nam rất thuận lợi cho sự phát triển và sử dụng năng lượng tái tạo nói chung và năng lượng mặt trời nói riêng Bên cạnh đó, năng lượng mặt trời là loại năng lượng có độ tin cậy cao, có thể dự đoán được và đặc biệt là có năng suất rất cao vào những giờ cao điểm về tiêu thụ điện

Các nguồn năng lượng tái tạo nói chung và năng lượng mặt trời nói riêng ngày càng có tầm quan trọng hơn Tuy nhiên, do đặc thù riêng trong việc

áp dụng nên phần lớn các công nghệ năng lượng mặt trời vẫn còn có giá khá cao và vẫn cần các biện pháp trợ giá để thúc đẩy phát triển trong tương lai Điều này thôi thúc các nhà nghiên cứu không ngừng tìm tòi để nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn năng lượng này Giải pháp “Điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ pin quang điện mặt trời có xét đến hiệu ứng bóng râm” cũng không nằm ngoài mục tiêu chung đó, nhằm cung cấp công suất điện tối đa trong mọi điều kiện môi trường

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Hiệu suất của một mảng pin quang điện mặt trời (PV - photovoltaic) bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, độ bức xạ, bóng râm, và cấu hình mảng PV Thông thường, các mảng PV nhận được bao trùm trong bóng tối hoàn toàn hoặc một

Trang 15

phần, bởi những đám mây trôi qua, các tòa nhà lân cận, cây cối, cột điện Trong điều kiện bóng râm, đường đặc tính P-V có được phức tạp hơn với nhiều đỉnh Điều này làm cho việc theo dõi các điểm công suất cực đại (MPP - maximum power point) thực tế là một nhiệm vụ khó khăn

Những hạn chế cố hữu chung của các hệ thống gió và quang điện là tính chất không liên tục của chúng mà làm cho chúng có hiệu suất thấp Để nâng cao hiệu suất và độ tin cậy cho hệ PV, nhiều kỹ thuật MPPT (Maximum Power Point Tracking) được nhiều người nghiên cứu, phổ biến nhất là thuật toán P&O (perturb and observe) Tuy nhiên, thuật toán này vẫn còn nhiều hạn chế như tốc

độ xử lý chậm và thiếu chính xác khi có hiệu ứng bóng râm

Luận văn này giới thiệu thuật toán PSO như là một kỹ thuật MPPT tiên tiến để khắc phục các hạn chế của thuật toán P&O Đây là một hệ thống điều khiển để bám điểm cực đại công suất toàn cục, ngay cả dưới điều kiện không đồng nhất của các tế bào pin mặt trời hay khi điều kiện môi trường thay đổi như tấm PV bị che một phần

1.3 Phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu của đề tài là một hệ thống pin quang điện mặt trời, một mảng gồm nhiều mô-đun với mỗi mô-đun có nhiều tế bào pin mặt trời kết nối với nhau theo một cấu hình cụ thể

- Phạm vi nghiên cứu của đề tài là tìm điểm công suất cực đại toàn cục (GMPP) của hệ thống quang điện này bằng kỹ thuật MPPT dựa trên thuật toán PSO

1.4 Nội dung nghiên cứu

- Trong điều kiện module quang điện không có bóng râm, khảo sát đường cong đặc tính I-V, tìm công suất cực đại của hệ PV

- Trong điều kiện module quang điện bị che một phần, khảo sát ảnh hưởng hiệu ứng bóng râm đến đặc tính I-V và điểm công suất cực đại toàn cục của hệ thống PV

Trang 16

- Trình bày kỹ thuật MPPT dựa trên thuật toán PSO và so sánh với thuật toán P&O cổ điển trong trường hợp có hiệu ứng bóng râm

- Dựa trên giá trị GMPP vừa tìm được, khảo sát hệ thống PV làm việc với giá trị này để cung cấp nguồn cho một tải DC

1.5 Ý nghĩa của đề tài

Hiện nay có nhiều đề tại nghiên cứu về kỹ thuật MPPT cho hệ thống pin quang điện mặt trời Thuật toán PSO gần đây được một số học giả nghiên cứu với nhiều cách tiếp cận khác nhau Đề tài này cũng nghiên cứu kỹ thuật MPPT dựa trên thuật toán PSO nhưng theo một cách tiếp cận riêng nhằm cải thiện kỹ thuật MPPT hiện đang sử dụng Nói cách khác, đề tài được nghiên cứu nhằm đem lại sự tối ưu trong hướng giải quyết vấn đề về hệ thống quang điện nói riêng và các bài toán tối ưu nói chung

Giải quyết bài toán năng lượng và bài toán môi trường hiện nay càng lúc càng cấp bách mà trong đó năng lượng mặt trời (năng lượng tái tạo nói chung)

là hướng đi đúng đắn Hơn nữa, công việc luôn đòi chúng ta phải hiệu quả trong cách khai thác và sử dụng năng lượng mặt trời Đề tài được nghiên cứu nhằm mục đích đem đến sự hiệu quả cao nhất trong cách khai thác và sử dụng nhằm góp phần thúc đẩy sự phát triển của công nghệ xanh này

1.6 Tổng quan tình hình nghiên cứu

Bài toán điều khiển bám điểm công suất cực đại đã được giới thiệu và các kỹ thuật bám điểm công suất cực đại đã được đề xuất và giới thiệu, chẳng hạn như thuật toán xáo trộn và giám sát (Pertuation & Observation algorithm, P&O) [1] - [4], thuật toán gia tăng độ dẫn (Incremental Conductance algorithm, IC) [1] - [5], mạng nơ-rôn nhân tạo [6], logic mờ [7], v v Các kỹ thuật này khác nhau ở một vài khía cạnh và quan điểm bao gồm: tính chất đơn giản của thuật toán, tốc độ hội tụ của thuật toán, tính chất phức tạp của việc thực hiện các phần ứng thực nghiệm, cũng như chi phí thực hiện cho mỗi giải pháp

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

Trang 17

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 mạnh 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, ảnh hưởng đến hiệu quả của thuật toán [8]

Tương tự, 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 [9]

M A Younis, T Khatib, M Najeeb và A M Ariffin [10] 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

Trang 18

P&O và đồng thời, hiệu suất bám trung bình cũng được cải tiến hơn thuật toán P&O một cách đáng kể

B Das, A Jamatia, A Chakraborti, P R Kasari và M Bhowmik [11]

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

Với mục tiêu xét các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của pin quang điện như sự thay đổi của các điều kiện nhiệt độ, bức xạ mặt trời hoặc đặc biệt

là hiện tưởng bóng râm Một hiện tượng mà pin quang điện bị che khuất bởi một đám mây thoáng qua, một tòa nhà cao tầng, , các mô phỏng và thực nghiệm cho hệ thống pin quang điện dưới điều kiện bóng râm đã được thực hiện [12]-[14]

1.7 Bố cục của luận văn

Bố cục của luận văn gồm 5 chương:

+ Chương 1: Giới thiệu chung

+ Chương 2: Cơ sở lý thuyết pin quang điện

+ Chương 3: Nghiên cứu giải thuật tìm điểm công suất cực đại của hệ thống pin quang điện có xét đến hiệu ứng bóng râm

+ Chương 4: Mô phỏng giải thuật tìm điểm công suất cực đại của hệ thống pin quang điện có xét đến hiệu ứng bóng râm

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

Trang 19

- Các tế bào pin quang điện đầu tiên đã được sản xuất trong những năm

1950, và trong suốt những năm 1960, chủ yếu được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các vệ tinh xoay quanh trái đất Trong những năm 1970, cuộc khủng hoảng năng lượng đã thúc đẩy những cải tiến trong sản xuất, hiệu quả và chất lượng của các module PV đã giúp giảm đáng kể chi phí Ngày nay, sản xuất của ngành công nghiệp của các module PV đang tăng trưởng khoảng 25% mỗi năm Các chương trình lớn ở Mỹ, Nhật Bản và châu Âu đang nhanh chóng đẩy nhanh tiến độ thực hiện của các hệ thống PV trên các tòa nhà và kết nối với lưới điện quốc gia

- Vào đầu những năm 2000, người ta xây dựng thành công mô hình động, trong đó có xét đến nhiều ảnh hưởng của các yếu tố môi trường cho hệ thống năng lượng mặt trời Người ta bắt đầu mô phỏng dựa trên các mô hình và không ngừng hoàn thiện nó Ví dụ, trong Matlab Simulnik, người ta thành lập các mô hình từ các bộ blockset toán học Đến năm 2009, lần đầu tiên các mô hình này được Matlab tích hợp vào bộ blockset Simscape làm cho việc mô phỏng dễ dàng hơn

- Vào năm 2005, người ta phát triển thuật toán P&O, nhằm tối ưu hóa công suất của hệ PV dưới tác động của môi trường Sau đó, các kỹ thuật MPPT

Trang 20

khác ra đời nhằm cải thiện thuật toán này như P&O hai bước, P&O hai bước cải tiến kết nối lưới điện vào năm 2009

- Những năm sau đó với sự pháp triển của trí tuệ nhân tạo, người ta phát triển các kỹ thuật MPPT dựa trên lý thuyết mờ, thuật toán di truyền, Một số tác giả đã tổng hợp và so sánh các kỹ thuật MPPT

- Gần đây, thuật toán tối ưu hóa PSO phát triển, người ta đang có xu hướng phát triển kỹ thuật MPPT dựa trên thuật toán này

2.2 Hệ thống pin quang điện

Hình 2.1 cho thấy sự khác biệt giữa một tế bào năng lượng mặt trời (cell), mô-đun (module) và mảng (array) Hình này cho thấy một mô-đun được tạo thành từ một số tế bào và một mảng được tạo thành từ một số mô-đun

Hình 2.1 Cấu trúc một mảng PV

- Năng lượng mặt trời đã trở nên quan trọng trên toàn cầu trong những năm gần đây do khủng hoảng năng lượng toàn cầu thế giới phải đối mặt

- Các tấm năng lượng mặt trời sử dụng năng lượng ánh sáng từ mặt trời

để tạo ra điện thông qua hiệu ứng quang điện

- Quang điện là một phương pháp tạo ra điện bằng cách chuyển đổi bức

xạ mặt trời thành điện một chiều (DC), sử dụng chất bán dẫn có biểu hiện hiệu ứng quang điện

Trang 21

- Năng lượng mặt trời được xem là nguồn năng lượng đáng tin cậy vì dễ dàng dự đoán được bao nhiêu năng lượng có thể được sản xuất với các tấm pin mặt trời Các nước gần xích đạo có tiềm năng năng lượng này lớn hơn nhiều do mức nhiệt độ và bức xạ lớn hơn so với các nước xa đường xích đạo Hình 2.2 cho thấy bức xạ mặt trời trung bình toàn cầu và hình 2.3 cho thấy nhiệt độ trung bình toàn cầu Những hình này cho thấy tiềm năng năng lượng mặt trời là lớn nhất ở lân cận của đường xích đạo do mức độ bức xạ mặt trời và nhiệt độ cao nhất trong các khu vực này Hình 2.4 cho thấy lượng ánh sáng mặt trời chiếu trung bình hàng tháng ở mỗi nơi mỗi khác nhau Ví dụ, số giờ nắng tại Tp.Hồ Chí Minh cực đại vào tháng 4 và tháng 9 hàng năm (khoảng 150 giờ/tháng) Trong khi ở Huế, giờ nắng cực đại vào tháng 5 và tháng 7 ( lớn hơn

200 giờ/tháng)

Hình 2.2 Bản đồ bức xạ mặt trời trung bình toàn cầu

Hình 2.3 Bản đồ nhiệt độ trung bình toàn cầu

Trang 22

a) Số giờ nắng trung bình hàng tháng tại Tp Hồ Chí Minh, Việt Nam

b) Số giờ nắng trung bình hàng tháng tại Huế, Việt Nam

Hình 2.4 Số giờ nắng trung bình tại các một vài thành phố của Việt Nam

Hình 2.5 Tỉ lệ tổn thất công suất theo góc lệch

Trang 23

- Năng lượng mặt trời không phát ra bất kỳ khí nhà kính nào khi hoạt động, không giống như các nguồn năng lượng thông thường khác, tức là nhiên liệu hóa thạch

- Các ứng theo dõi và hiệu chỉnh (tracking) năng lượng mặt trời được sử dụng rộng rãi để cực đại hóa góc tới giữa ánh sáng mặt trời và các tấm PV Góc

độ này luôn được giữ như gần như vuông góc Hình 2.5 cho tổn thất công suất theo góc lệch so với phương vuông góc với tia tới

- Với những tiến bộ trong công nghệ và việc mở rộng quy mô sản xuất

đã làm chi phí của năng lượng mặt trời đã giảm dần kể so với khi các tế bào năng lượng mặt trời lần đầu được sản xuất

- Hiệu suất của tế bào năng lượng mặt trời phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt độ của mặt trời, mức độ cách nhiệt, đặc tính phổ của ánh sáng mặt trời, Hình 2.6, bụi nằm trên các module năng lượng mặt trời và các hiệu ứng bóng râm

Hình 2.6 Phổ bức xạ của mặt trời đến trái đất

Trang 24

- Hình 2.6 phần diện tích bên dưới đường cong (màu nhạt) tương ứng đặc tính phổ ở trên đỉnh bầu khí quyển, phần diện tích màu sậm tương ứng đặc tính phổ trên bề mặt trái đất ở độ cao mực nước biển Trái đất được xem như một “backbody” đối với phổ bức xạ mặt trời, phổ ánh sáng chỉ phù thuộc vào nhiệt độ Ta nhận thấy khi ánh sáng mặt trời đi qua bầu khí quyển đến trái đất, vùng ánh sáng tử ngoại bị hấp thu gần hết Khi đến bề mặt trái đất ở độ cao mực nước biển, còn lại 40% năng lượng tập trung ở vùng khả kiến, 50% năng lượng ở vùng hồng ngoại và chỉ 10% năng lượng ở vùng tử ngoại

2.2.1 Nguyên lý hoạt động của tế bào quang điện

Tế bào quang điện hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện do nhà bác học Heinrich Hertz phát hiện vào năm 1887 Hiệu ứng quang điện là một hiện tượng trong đó năng lượng mặt trời được chuyển trực tiếp thành năng lượng điện thông qua việc sử dụng các tế bào năng lượng mặt trời

Một tế bào pin quang điện điển hình (PV) có cấu tạo gồm một tấm bán dẫn mỏng chứa một lớp tạp chất Phốt pho - Silic siêu mỏng (loại N) ở phía trên của một lớp dày của tạp chất Bo – Silic (loại P) Một điện trường được tạo ra gần bề mặt của các tế bào, nơi hai vật liệu này tiếp xúc, được gọi là tiếp giáp P-

N Khi ánh sáng mặt trời chiếu tới bề mặt của một tế bào quang điện, điện trường này cung cấp động lượng và định hướng cho các electron ánh sáng được kích thích, làm sinh ra một dòng điện khi các tế bào năng lượng mặt trời được kết nối với một tải điện

Hình 2.7 Nguyên lý hoạt động của tế bào quang điện

Trang 25

Một tế bào quang điện điển hình tạo ra khoảng 0,5 - 0,6 volt DC dưới điều kiện hở mạch và không tải mà không phụ thuộc vào kích thước (diện tích

bề mặt) của nó Dòng điện (và công suất) đầu ra của một tế bào PV phụ thuộc vào hiệu suất và kích thước của nó, và tỷ lệ thuận với cường độ của ánh sáng mặt trời chiếu trên bề mặt của tế bào Ví dụ, trong điều kiện ánh sáng mặt trời cực đại, một tế bào PV thương mại điển hình với diện tích bề mặt 160 cm2 sẽ sinh ra khoảng 2 watt công suất đỉnh Nếu cường độ ánh sáng mặt trời là 40% cường độ ánh sáng cực đại, tế bào này sẽ sinh ra khoảng 0,8 watt Cả hai dòng điện và điện áp đều phụ thuộc vào điện trở của mạch được kết nối

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

Hình 2.8 và 2.9 mô phỏng cho module BP-MSX-120 [16] cho thấy, với nhiệt độ không đổi (250C), mức độ bức xạ càng lớn thì dòng điện sinh ra càng cao còn điện áp thay đổi không đáng kể, dẫn đến công suất điện thu được càng lớn

Hình 2.8 Ảnh hưởng của điện áp và dòng điện theo độ bức xạ

Trang 26

Hình 2.9 Ảnh hưởng của công suất điện theo độ bức xạ

Hình 2.10 và 2.11 mô phỏng cho module BP-MSX-120 [16] cho thấy, với độ bức xạ không đổi (1000 W/m2), nhiệt độ càng thấp thì điện áp càng cao, trong khi dòng điện thay đổi không đáng kể, dẫn đến công suất điện càng lớn Nhưng mức độ thay đổi công suất là chậm hơn nhiều so với trường hợp thay đổi độ bức xạ

Rõ ràng là nhiệt độ cao không có lợi bằng độ bức xạ lớn Điều kiện lý tưởng sẽ có một mức độ bức xạ rất cao và nhiệt độ thấp, nhưng tiếc là kịch bản như vậy là rất khó khăn để đạt được ở bất cứ nơi nào trên thế giới khi mức độ bức xạ mặt trời và nhiệt độ từ mặt trời là phụ thuộc lẫn nhau Tuy nhiên, hầu hết ở vùng có bức xạ mặt trời cao hơn thì công suất điện thu được lớn hơn do ảnh hưởng của nhiệt độ ít hơn ảnh hưởng của bức xạ mặt trời Ở một số hệ thống, người ta còn trang bị thêm hệ thống làm mát để nâng cao hiệu suất chuyển hóa quang điện

Trang 27

Hình 2.10 Ảnh hưởng của điện áp và dòng điện theo nhiệt độ

Hình 2.11 Ảnh hưởng của công suất điện theo nhiệt độ

2.2.3 Phân loại hệ thống PV

2.2.3.1 Hệ thống PV kết nối lưới điện

Hệ thống này phổ biến ở các nước phát triển như Châu Âu với sự hỗ trợ của nhà nước Đây là một hệ thống mà kết nối các tấm PV trực tiếp đến lưới điện quốc gia như các công suất điện khác Do đó, lưới điện hoạt động như một

hệ thống lưu trữ cho các nhà sản xuất, trong đó điện được các nhà sản xuất bán cho lưới điện quốc gia khi không có nhu cầu và sau đó mua lại từ lưới điện khi

có nhu cầu

Trang 28

Hệ thống này cần một biến tần để truyền tải điện năng từ DC (hệ thống

PV sản xuất) sang AC của lưới điện hoạt động Khi hệ thống PV sản xuất điện năng và nhà sản xuất sử dụng điện năng này cho nhà ở hay doanh nghiệp của

họ, điện được sử dụng trực tiếp từ hệ thống PV Khi hệ thống PV không đáp ứng đủ nhu cầu, điện năng được sử dụng từ lưới điện (hình 2.12) Trường hợp ngược lại, hệ thống PV sản xuất điện năng nhiều hơn nhu cầu, phần dư thừa được bán cho lưới điện quốc gia Khoản tiền người dân nhận được cho cung cấp điện cho lưới điện thường là ít hơn nhiều so với chi phí mua điện từ lưới điện Giá điện cao nhất phải trả khi hệ thống điện quốc gia được sử dụng vào giờ tải đỉnh Các hệ thống PV ít đòi hỏi phải bảo dưỡng và có thể tiết kiệm chi phí lớn nếu các tòa nhà nơi các hệ thống PV được lắp đặt sử dụng điện năng sản xuất trực tiếp Đó là một động lực để kiếm tiền bằng cách bán điện cho lưới điện quốc gia nếu tòa nhà tiêu dùng điện thấp

Hình 2.12 Hệ thống PV kết nối lưới điện

2.2.3.2 Hệ thống PV độc lập

Đây là một hệ thống không kết nối với lưới điện quốc gia nhưng nó cho phép các nhà sản xuất sử dụng năng lượng sản xuất trực tiếp Công suất thường được lưu trữ trong ắc-quy khi mức sản lượng vượt quá mức nhu cầu Đây là loại hệ thống đặc biệt hữu ích trong các khu vực trên thế giới mà không có lưới điện quốc gia chẳng hạn như ở các nước đang phát triển, trường học và bệnh viện, đèn đường,… Hệ thống này thường liên quan đến việc sử dụng các tấm

Trang 29

quang điện nhỏ hơn nhiều so với các tấm được sử dụng trong hệ thống kết nối lưới điện do nhu cầu điện là thấp hơn đáng kể

Hình 2.13 Hệ thống PV độc lập

Dạng đơn giản nhất của hệ thống PV độc lập là hệ thống PV độc lập trực tiếp (direct-coupled stand-alone photovoltaic system) Khi đó ngõ ra DC của tấm PV kết nối trực tiếp tới tải DC Vì vậy, không có bộ phận lưu trữ điện trong hệ thống va tải chỉ hoạt động ban ngày, phù hợp với các ứng dụng như quạt thông gió, bơm nước,…

Hình 2.14 Hệ thống PV độc lập trực tiếp

2.2.4 Ưu và khuyết điểm của năng lượng mặt trời

* Ưu điểm:

- Đây là một nguồn năng lượng tái tạo

- Mức độ năng lượng mặt trời là đủ lớn, khoảng 75-80% khu vực trên thế giới

có thể thực hiện hệ thống này

- Chi phí bảo trì thấp

- Quá trình chuyển đổi năng lượng không gây ô nhiễm môi trường

Trang 30

- Chi phí đầu tư ban đầu cao và có thời gian hoàn vốn dài

- Hiệu suất chuyển đối năng lượng của pin quang điện mặt trời rất thấp (khoảng 9% đến 17%)

Để khắc phục các nhược điểm trên, cần phải cải tiến khâu sản xuất cũng như cải thiện cách tiếp cận để có hiệu quả cao nhất Tuy nhiên, rất khó để cải tiến đáng kể trong khâu sản xuất, cho nên cách tiếp cận để thu được công suất lớn nhất hiện nay vẫn được quan tâm nhiều hơn, bao gồm các hệ thống hiệu chỉnh cơ và điện

2.2.5 Hiệu chỉnh cơ khí

Người ta hiệu chỉnh cơ bằng cách theo dõi vị trí của mặt trời trên bầu trời tương quan với vị trí của tấm PV từ bình minh đến hoàng hôn Một bộ hiệu chỉnh cơ xoay và nghiêng tấm PV sao cho mọi lúc nó đều ở vị trí tốt nhất (góc tới tương đương 900) Điều này làm cho tấm PV có bức xạ năng lượng mặt trời tối đa có thể và tấm PV hoạt động hiệu quả hơn

2.3 Hiệu chỉnh bám điểm công suất cực đại (Maximum Power Point Tracking)

Nếu như phần 2.2.5 là hiệu chỉnh cơ khí thì phần này nói về hiệu chỉnh điện Đây là một phương pháp được sử dụng trong các hệ thống năng lượng mặt trời để được đưa ra trong trường hợp bức xạ mặt trời thu được không đồng nhất và để duy trì công suất điện tối đa cho một khoảng thời gian Trong hình 2.16 công suất đầu ra tối đa có thể được nhìn thấy rõ ràng ở đỉnh của đường cong Đây là vị trí sau khi được tìm kiếm nhiều nhất và đạt được khi điện áp tối

đa và dòng điện tối đa đạt được cùng một lúc

Trang 31

Hình 2.15 Hiệu chỉnh cơ khí trục đơn ở California

Hình 2.16 Hiệu chỉnh bám điểm công suất cực đại

Trang 32

MPPT là một phương pháp để đảm bảo rằng điện áp tối đa và dòng điện tối đa cũng đã đạt được nhiều nhất và toàn diện nhất có thể để tối đa việc sử dụng các module quang điện và tối thiểu tổn thất do điều kiện môi trường Điều này được thực hiện bằng cách theo dõi đường đường đặc tính của tấm PV và mong muốn rằng không có tấm PV nào bị một phần bóng râm gây ra do đám mây, cành cây, bụi bám,… Và nếu trong trường trường hợp hệ thống bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng bóng râm thì hiệu chỉnh hệ thống để nó trở lại sinh ra tối đa dòng điện và điện áp và do đó tối đa công suất ngõ ra

2.3.1 Khảo sát hệ PV trong điều kiện không bị che

2.3.1.1 Điều kiện tiêu chuẩn

Thông thường, người ta chỉ định điều kiện tiêu chuẩn Điều này được thực hiện để so sánh trên cơ sở những biểu hiện giữa các tế bào quang điện khác nhau Các thông số thường được đưa ra trong một bảng datasheet Datasheet cung cấp các thông số đáng chú ý liên quan đến các biểu hiện và đặc điểm của tấm PV liên quan đến những điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn Các điều kiện thử nghiệm danh định (tiêu chuẩn) như sau:

Thông số do Hiệp hội Kiểm nghiệm và Vật liệu Hoa Kỳ đưa ra (ASTM - American Society for Testing and Materials), theo tiêu chuẩn G173-03, có liên quan đến phổ bức xạ của mặt trời qua không khí

2.3.1.2 Mô hình hóa hệ thống PV

Mạch tương đương của tế bào quang điện lý tưởng đã được nhiều tài liệu giới thiệu, mạch rất đơn giản được thể hiện trong Hình 2.17 Phương trình (2.1) là biểu diễn toán học của mạch điện như:

Trang 33

pv ph,n I

n

G T G

(2.2) Trong đó:

G là bức xạ mặt trời thực sự thu được

Gn là bức xạ mặt trời danh định (bức xạ ở điều kiện chuẩn)

Iph dòng điện do tế bào quang điện sinh ra

Iph,n là dòng điện danh định của tế bào quang điện ở điều kiện chuẩn (thường chọn bằng Isc,n , dòng ngắn mạch ở điều kiện chuẩn)

Id là dòng qua diode và I là dòng tải

KI là hệ số dòng điện theo nhiệt độ

∆T = T – Tn, sai lệnh giữa nhiệt độ thực sự và nhiệt độ danh định

Hình 2.17 Mạch điện tương đương của một tế bào quang điện lý tưởng

Dòng qua diode Id có thể được tính từ như sau:

Trang 34

α là hệ số diode lý tưởng, thường bằng 1,3

Các biểu thức và hình biểu diễn ở trên dùng cho mô hình lý tưởng Mô hình thực tế của tế bào quang điện phải được thêm điện trở nối tiếp Rs và song song Rp như Hình 2.18 Mặc dù giá trị của Rs là nhỏ và giá trị của Rp là lớn, nhưng chúng vẫn có một ảnh hưởng nhất định đến đặc tính I-V của mô hình

PV Khi đó, phương trình (2.1) được biến đổi thành phương trình (2.5), có tính đến ảnh hưởng của Rs và Rp

Với Ip là dòng điện qua điện trở Rp

Hình 2.18 Mạch điện tương đương của một tế bào quang điện thực tế

Hình 2.19 Điểm MPP trên đường đặc tính I-V và P-V

Hình 2.19, biểu diễn đặc tính I-V và P-V của một tế bào quang điện thực

tế Đặc tính này cho thấy các điểm hoạt động quan trọng nhất trong đường cong:

(0, Isc) là điểm ngắn mạch,

Trang 35

MPP (Vmpp , Impp) là điểm công suất cực đại,

(Voc , 0) là điểm hở mạch

Một mảng quang điện bao gồm một số tế bào quang điện cấu hình nối tiếp và song song Các tế bào được ghép nối tiếp để tăng hiệu điện thế làm việc

và được kết nối song song để tăng dòng điện làm việc

Từ (2.3), (2.5), kết hợp định luật Kirchhoff cho điện áp, ta được phương trình (2.6) Đây là phương trình chung của một mảng bao gồm Ns x Np Ở đây

Ns là số lượng tế bào ghép kết nối và Np là số lượng tế bào ghép song song của mảng (ký hiệu a thay cho array)

Trước đây, để có thể vẽ đặt tính của hệ PV người ta dùng các công cụ lặp như Matlab hay Excel, trong Matlab Simulink phiên bản trước năm 2009, người ta phải dùng các công cụ toán học để tính và vẽ các đặc tính của hệ PV

Kể từ phiên bản Matlab 2009 trở về sau, Mathworks đã bổ sung khối solar cell trong bộ Simscape, cho phép người dùng mô phỏng trực tiếp

2.3.2 Khảo sát hệ PV trong điều kiện có bóng râm

Bóng râm các tế bào năng lượng mặt trời không chỉ làm giảm công suất của pin quang điện mà còn thay đổi điện áp hở mạch (Voc), dòng ngắn mạch (Isc) và hiệu suất Tình trạng bị che một phần là tình trạng chung do cái bóng của các tòa nhà, cây cối, mây, và bụi bẩn,… Trong điều kiện bóng che một phần, có một phần trong chuỗi các module của mảng PV được chiếu sáng ít hơn và sau đó đã phân tán một số công suất được tạo ra bởi phần còn lại của module Điều đó có nghĩa là dòng có sẵn trong một chuỗi kết nối của module

PV bị hạn chế bởi dòng của các module PV ít được chiếu sáng Ngoài ra, các

Trang 36

module bị che có thể phải chịu điện áp ngược do các module không bị che đặt lên, làm quá nhiệt các module bị che và làm giảm tuổi thọ module này Điều này có thể tránh được bằng cách sử dụng các diode bypass và diode blocking tương ứng ghép song song và nối tiếp với module PV Điều này cho phép dòng điện của dãy đi đúng hướng ngay cả khi một phần của dãy là hoàn toàn tối

Hình 2.20 Các đặc tính của một mảng PV khi không có bóng râm

Hình 2.20 cho thấy các đặc tính của mảng PV bao gồm 2 chuỗi kết nối song song mỗi chuỗi bao gồm bốn module nối tiếp trong điều kiện giống hệt nhau Mặt khác, Hình 2.21 cho thấy các đặc tính của module PV với hai tế bào của một chuỗi bị che một phần, khi đó đường cong P-V đầu ra chứa nhiều đỉnh, nghĩa là có nhiều điểm MPP cục bộ làm ảnh hưởng đến hoạt động của bộ điều

Trang 37

khiển điểm cực đại công suất MPP Công suất ngõ ra cũng giảm do tác động của một phần bóng che Khi số lượng các tế bào bị che càng nhiều, công suất đầu ra càng tồi tệ hơn

Hình 2.21 Các đặc tính của một mảng PV trong điều kiện có bóng râm

Ảnh hưởng của bóng râm lên hiệu suất của một bộ PV phụ thuộc vào các yếu tố như sau:

- Giảm cách nhiệt (giá trị trung bình)

- Phân bố bóng che trên các bộ PV (hình học của bóng)

- Module có hoặc không có các diode bypass

- Dạng thiết kế của module PV (kết nối kiểu nối tiếp, hoặc song song) Theo thí nghiệm của National Semiconductor trong báo cáo “Impact of shading on PV systems” vào năm 2008, áp dụng trên 9 module PhotoWatt PW1650 (4 diode bypass) cấu hình theo kiểu 3x3 kết nối tới 1 bộ nghịch lưu

Trang 38

SMA Sunny Boy SB1100 Hình 2.22 cho thấy tỉ lệ bóng râm và tỉ lệ tổn thất công suất ở một chuỗi và toàn bộ mảng PV

Tóm lại, hiệu ứng bóng râm rất khó tránh khỏi trong quá trình hoạt động của hệ thống PV và tổn thất công suất là rất cao khi có hiệu ứng này dù là chỉ là một phần nhỏ Vì vậy, việc sử dụng kỹ thuật MPPT không những là cần thiết

để giảm tổn thất công suất

Hình 2.22 Tỉ lệ bóng râm và tỉ lệ tổn thất công suất tương ứng

Trang 39

sẽ được hình thành mà phù hợp với lượng điện năng yêu cầu

Trong thời gian gần đây, các ứng dụng của năng lượng mặt trời càng được tăng lên Vì vậy, yêu cầu làm thế nào để cải thiện hiệu quả khai thác nguồn năng lượng mặt trời là thật sự cần thiết Các yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu quả khai thác nguồn năng lượng này bao gồm hiệu suất chuyển đổi năng lượng bức xạ mặt trời thành năng lượng điện của các tế bào quang điện, kỹ thuật lưu trữ và lượng bức xạ mặt trời được hấp thu bởi PV

Trong đó, hiệu suất chuyển đổi thành năng lượng điện của một tế bào quang điện sẽ phụ thuộc chính vào vật liệu để sản xuất nó cũng như kỹ thuật lưu trữ sẽ phụ thuộc chính vào các công nghệ mà phải được nghiên cứu trong thời gian dài

Trên cơ sở các phân tích trên, một trong các phương pháp tiếp cận chính

để tối đa hóa khả năng khai thác nguồn năng lượng mặt trời trong các hệ thống điện năng lượng mặt trời là điều khiển bám điểm công suất cực đại

Có thể nhận thấy rằng, PV là một phần tử phi tuyến với đường đặc tính được biểu diễn như Hình 3.1

Trang 40

Hình 3.1 Các đặc tính phi tuyến của PV

Trên đặc tính, Hình 3.1, ở mỗi điểm làm việc khác nhau sẽ một công suất khác nhau Bài toán là phải xác định vị trí làm việc của PV mà tại đó công suất thu được là lớn nhất Với các cường độ bức xạ của mặt trời khác nhau, một

họ các đường đặc tính V-I của PV được biểu diễn như Hình 3.2 mà sẽ tương ứng với các điểm làm việc khác nhau Ứng với mỗi đường đặc tính sẽ tồn tại một điểm mà tại đó công suất cực đại, điểm này còn có thể gọi là điểm công suất cực đại (Maximum power point, MPP)

Hình 3.2 Đặc tính V-I của PV với các cường độ bức xạ khác nhau

Định dạng
Số trang	81
Dung lượng	1,57 MB