Nghiên cứu hiện tượng bóng che trong biến đổi năng lượng mặt trời

Trong dự án này, gần 1.300.000 tấm pin năng lượng mặt trời với công nghệ quang điện loại silic đa tinh thể có hiệu suất cao đã được lựa chọn để lắp đặt.. Tuy nhiên, MPPT có thể rất khó đ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

PHẠM MINH HOÀNG

NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG BÓNG CHE TRONG

BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện

Mã số: 8520201

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 02 NĂM 2020

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc, người đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện quyển luận văn này

Xin cám ơn các Thầy Cô đã cho em nền tảng kiến thức – tri thức quí báu

Xin cám ơn trường quý Thầy Cô trường Đại Học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh, Khoa Điện-Điện Tử, Phòng Đào Tạo Sau đại học, và các bạn cùng lớp đã tạo

cơ hội cho em thực hiện Luận văn này

Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn cha mẹ và người thân đã luôn ở bên tôi và động viên tôi rất nhiều để tôi hoàn thành khóa học này

TÓM TẮT

Nhu cầu về năng lượng tái tạo đang tăng lên từng ngày bởi sự khủng hoảng năng lượng hiện nay trên phạm vi toàn cầu Các nguồn năng lượng tái tạo đóng vai trò quan trọng trong việc phát điện Một số nguồn năng lượng tái tạo (như NLMT, gió, địa nhiệt và sinh khối) có thể được sử dụng để tạo ra điện và đáp ứng nhu cầu năng lượng hàng ngày của chúng ta NLMT là lựa chọn khả thi nhất cho sản xuất điện vì nó có ở mọi nơi và được sử dụng miễn phí Các tấm pin NLMT quang điện (PV) chuyển NLMT thành năng lượng điện Với sự tập trung hiện tại vào các nguồn năng lượng xanh hơn và sạch hơn, PV được sử dụng như một nguồn năng lượng quan trọng trong nhiều ứng dụng

Một trong những nguyên nhân chính làm giảm sản lượng năng lượng của nhiều

hệ thống PV là hiện tượng bóng che một phần các tấm PV Hiện tượng bóng che một phần là phổ biến ở tất cả các loại hệ thống quang điện Trước đây, với các hệ thống pin NLMT công suất nhỏ, hiện tượng này không được quan tâm đúng mức bởi chi phí lớn trong khi khả năng tiết kiệm không cao Tuy nhiên, các hệ thống NLMT hiện nay

có công suất ngày càng cao thì vấn đề này là một trở ngại cần phải giải quyết để nâng cao hiệu quả vận hành

Luận văn đề xuất một phương pháp nhận dạng và giải quyết vấn đề bị bóng che trong một các cấu hình các tấm pin quang điện Luận văn nhằm kiểm tra một sơ đồ để thu hút NLMT tối đa có thể đạt được từ một bảng PV để sử dụng trong các ứng dụng

DC

ABSTRACT

The need for renewable energy sources is growing day by day because of the severe energy crisis in the world today Renewable energy sources play a significant role in electricity generation Several renewable energy sources (like solar, wind, geothermal, and biomass) can be used for generation of electricity and for meeting our daily energy demands Solar energy is the most viable option for electricity generation because it is available everywhere and is free to utilize Solar Photovoltaic (PV) arrays convert the solar energy into electrical energy With the current concentration on greener and cleaner sources of power, PV arrays are being used as an important source

of power in many applications

One of the main causes for the reduced energy yield of many PV systems is a partial shading of PV arrays The phenomenon of partially shaded conditions is widespread in all kinds of photovoltaic systems Previously, with low capacity photovoltaic cell systems, this phenomenon was not paid due attention due to the high cost while the saving small capacity However, solar cell power systems, whose size increasing more and more rapidly, are problems that needs to be addressed in order to improve efficiency of solar systems

This thesis proposes an effect of partial shading on photovoltaic array configurations This thesis intended to investigate a schematic to draw out maximum attainable solar power from a PV panel for use in a DC application

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

LỜI CAM ĐOAN 2

TÓM TẮT 3

ABSTRACT 4

MỤC LỤC 5

MỤC LỤC CÁC HÌNH 8

Chương 1: TỔNG QUAN 12

1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu 12

1.2 Tiềm năng năng lượng mặt trời ở thế giới và Việt Nam 12

1.2.1 Tình hình sử dụng pin NLMT ngoài nước 15

1.2.1.1 Dự án Tengger Desert 1547 MW, Trung Quốc 15

1.2.1.2 Dự án Solar Star 579MW, California 16

1.2.1.3 Desert Sunlight Solar Farm 550MW, California 16

1.2.1.4 Topaz Solar Farms 550 MW, California 17

1.2.2 Tình hình sử dụng pin NLMT ở trong nước 18

1.2.2.1 Nhà máy điện mặt trời Dầu Tiếng 18

1.2.2.2 Nhà máy quang năng BIM – Ninh Thuận 19

1.2.2.3 Dự án NLMT trên đảo Trường Sa 20

1.2.3 Nhận xét chung 20

1.3 Điểm công suất cực đại và tác động do bóng che của Pin NLMT 21

1.4 Mục tiêu luận văn 26

1.5 Nhiệm vụ luận văn 26

1.6 Phạm vi luận văn 27

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 28

2.1 Tế bào quang điện 28

2.1.1 Đặc tính của tế bào quang điện 29

2.1.2 Các tấm pin quang điện và các dãy pin quang điện 29

2.1.3 Các loại tế bào quang điện 30

2.2 Các ứng dụng chủ yếu của PV 32

2.3 Pin NLMT và phương trình toán của pin NLMT 32

2.3.1 Phương trình tương đương của pin NLMT 32

2.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến pin NLMT 33

2.3.3 Phương trình tương đương của bộ pin NLMT 34

2.4 Các thuật toán phổ biến xác định điểm công suất cực đại của pin mặt trời 37

2.4.1 Thuật toán nhiễu loạn và quan sát P&O 37

2.4.2 Thuật toán điện dẫn gia tăng INC 39

2.5 Hiện tượng bóng che một phần và các ảnh hưởng 41

Chương 3: THUẬT TOÁN CẢI TIẾN ĐÁP ỨNG CÁC ĐIỀU KIỆN THAY ĐỔI 48

3.1 Phân tích các đường cong đặc trưng trong điều kiện PSC 48

3.2 Giải thuật cải tiến tìm điểm MPPT khi các dãy pin bị bóng che một phần (Mức bức xạ trên các PV bị che là đồng đều) 50

3.3 Giải thuật cải tiến tìm điểm MPPT khi bị bóng che một phần (Mức bức xạ trên các PV bị che là không đồng đều) 54

Chương 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 57

4.1 Mô hình hóa mô phỏng 57

4.1.1 Khối pin NLMT 57

4.1.2 Khối mạch DC/DC và bus DC 60

4.1.3 Khối điều khiển 63

4.1.4 Mô hình mô phỏng của hệ thống pin NLMT 64

4.1.5 Mô hình kiểm tra công suất các dãy pin NLMT bị bóng che một phần 65

4.2 Kết quả mô phỏng 67

4.2.1 Khi BXMT trên các dãy pin lần lượt là 1000, 1000, 800, 500 W/m2 68

4.2.2 Khi BXMT trên các dãy pin lần lượt là 1000, 800, 600, 400 W/m2 70

4.2.3 Khi BXMT trên các dãy pin lần lượt là 1000, 900, 800, 600 W/m2 73

4.3 Mô phỏng hệ thống 6 dãy pin NLMT 76

4.3.1 Mô hình mô phỏng 76

4.3.2 Kết quả mô phỏng 78

4.4 Mô phỏng hệ thống 20 dãy pin NLMT 81

4.4.1 Mô hình mô phỏng 82

4.4.2 Kết quả mô phỏng 84

4.5 Nhận xét 87

Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 89

5.1 Kết luận 89

5.2 Hướng phát triển 89

MỤC LỤC CÁC HÌNH

Hình 1 1 Hệ thống pin mặt trời vận hành độc lập 13

Hình 1 2 Trang trại gió kết nối lưới điện 13

Hình 1 3 Tổng sản lượng PV toàn cầu 14

Hình 1 4 Top 10 nước phát triển pin PV nhất thế giới đến 2018 14

Hình 1 5 Dự án Tengger 1547MW, China 15

Hình 1 6 Dự án Solar Star 579MW, California 16

Hình 1 7 Desert Sunlight Solar Farm 550MW, California 17

Hình 1 8 Topaz Solar Farms 550 MW, California 17

Hình 1 9 Nhà máy điện mặt trời Dầu Tiếng 420MW-Tây Ninh 18

Hình 1 10 Pin NLMT tại Nháy máy điện mặt trời BIM 330MW -Ninh Thuận 19

Hình 1 11 Năng lượng gió và mặt trời trên đảo Phan Vinh, Trường Sa 20

Hình 1 12 Đường cong P-V trong tấm PV trong điều kiện bóng che một phần 21

Hình 2 1 Cấu trúc cơ bản của tế bào quang điện 28

Hình 2 2 Các đường đặc tuyến cơ bản trong một PV 29

Hình 2 3 Tế bào, tấm và dãy pin PV 30

Hình 2 4 Hiệu suất hoạt động của các loại nguyên liệu PV khác nhau 31

Hình 2 5 Mạch điện tương đương của pin mặt trời 32

Hình 2 6 Mô hình pin mặt trời lý tưởng 34

Hình 2 7 Mô đun pin mặt trời 34

Hình 2 8 Đặc tuyến I-V với các bức xạ khác nhau 35

Hình 2 9 Đặc tuyến P-V với các bức xạ khác nhau 35

Hình 2 10 Đường đặc tuyến I-V tại S=1000W/m2 khi nhiệt độ pin thay đổi 36

Hình 2 11 Đường đặc tuyến P-V tại S=1000W/m2 khi nhiệt độ pin thay đổi 36

Hình 2 12 Cấu trúc điều khiển MPPT của dàn PV 37

Hình 2 13 Đường đặc tính P-V và thuật toán P&O 38

Hình 2 14 Lưu đồ thuật toán P&O 39

Hình 2 15 Đường đặc tính P-V và thuật toán INC 40

Hình 2 16 Lưu đồ thuật toán INC 41

Hình 2 17 Minh họa hiện tượng bóng che một phần 42

Hình 2 18 Vai trò Diode bảo vệ trong dãy PV 43

Hình 2 19 Đồ thị mối tương quan P-V khi có hiện tượng bóng che 44

Hình 2 20 Đặc tính I-V và P-V của ba tấm pin PV trong môi trường đồng nhất 45

Hình 2 21 Đặc tính bóng che một phần với bức xạ 1000-700W-300 (W/m2) 46

Hình 3 1 Cấu hình pin NLMT với hai mức bức xạ khác nhau 48

Hình 3 2 Các đường đặc tính PV và IV trong các điều kiện bóng che khác nhau 48

Hình 3 3 Điện áp ngõ ra mỗi mô đun với công suất ngõ ra 49

Hình 3 4 Công suất đầu ra của module PV với điện áp đầu ra mô đun không bị che và điện áp đầu ra module bị che 49

Hình 3 5 Các dãy pin màu đen có mức bức xạ (Ir=300W/m2) với dãy pin màu trắng có mức bức xạ (Ir=1000W/m2) trên một mảng PV 50

Hình 3 6 Lưu đồ tìm MPPT cải tiến cho dãy pin bị bóng che một phần 53

Hình 3 7 Đặc điểm của mảng PV trong điều kiện bóng mờ từng phần 55

Hình 3 8 Lưu đồ chương trình con sửa đổi tìm MPPT mới với số bức xạ mặt trời nhiều hơn hai (các mức bức xạ khác nhau) 56

Hình 4 1 Sơ đồ khối hệ thống pin NLMT nối bus DC 57

Hình 4 2 Thông số được nhập vào cho mỗi tấm PV 58

Hình 4 3 Mô hình pin NLMT 59

Hình 4 4 Mô hình dãy pin NLMT mắc nối tiếp 59

Hình 4 5 Sơ đồ nguyên lý bộ giảm áp Buck 60

Hình 4 6 Dạng sóng điện áp và dòng điện của mạch Buck 61

Hình 4 7 Sơ đồ khối chuyển đổi DC/DC Buck trong matlab simulink 63

Hình 4 8 Sơ đồ khối điều khiển trong mô hình 64

Hình 4 9 Mô hình hóa mô phỏng hệ thống pin NLMT 65

Hình 4 10 Mô hình hóa mô phỏng hệ thống pin NLMT kiểm chứng 66

Hình 4 11 Tương quan điện áp – dòng điện trong mô hình kiểm chứng 66

Hình 4 12 Tương quan công suất - điện áp trong mô hình kiểm chứng 67

Hình 4 13 Mối tương quan P-V của hệ thống PV khi tại các mức bức xạ mặt trời lần lượt là 1000, 1000, 800, 500 W/m2 68Hình 4 14 Công suất và điện áp ngõ ra hệ thống pin NLMT trong thời gian mô phỏng với chương trình tìm điểm GMPP ở mức BXMT từ 1000W/m2 sang 1000, 1000, 800,

500 W/m2 69Hình 4 15 Phân bố điện áp trên các dãy pin NLMT trong thời gian mô phỏng với mức BXMT từ 1000W/m2 sang 1000, 1000, 800, 500 W/m2 70Hình 4 16 Mối tương quan P-V của hệ thống PV khi tại các mức bức xạ mặt trời lần lượt là 1000, 800, 600, 400 W/m2 70Hình 4 17 Công suất và điện áp ngõ ra hệ thống pin NLMT trong thời gian mô phỏng với mức BXMT từ 1000W/m2 sang 1000, 800, 600, 400 W/m2 71Hình 4 18 Phân bố điện áp trên các dãy pin NLMT trong thời gian mô phỏng với mức BXMT từ 1000W/m2 sang 1000, 800, 600, 400 W/m2 72Hình 4 19 Công suất và điện áp ngõ ra hệ thống pin NLMT trong thời gian mô phỏng với mức BXMT từ 500W/m2 sang 1000, 800, 600, 400 W/m2 73Hình 4 20 Mối tương quan P-V của hệ thống PV khi tại các mức bức xạ mặt trời lần lượt là 1000, 900, 800, 600 W/m2 74Hình 4 21 Công suất và điện áp ngõ ra hệ thống pin NLMT trong thời gian mô phỏng với mức BXMT từ 1000W/m2 sang 1000, 900, 800, 600 W/m2 75Hình 4 22 Phân bố điện áp trên các dãy pin NLMT trong thời gian mô phỏng với mức BXMT từ 1000W/m2 sang 1000, 900, 800, 600 W/m2 76Hình 4 23 Mô hình hóa mô phỏng hệ thống 6 dãy pin NLMT 77Hình 4 24 Mô hình hóa mô phỏng hệ thống 6 dãy pin NLMT kiểm chứng 78Hình 4 25 Mối tương quan P-V của hệ thống PV khi tại các mức bức xạ mặt trời trên các dãy pin lần lượt là 1000, 900, 800, 700, 400, 350 W/m2 79Hình 4 26 Công suất và điện áp ngõ ra hệ thống pin NLMT trong thời gian mô phỏng với mức BXMT từ 1000W/m2 sang 1000, 900, 800, 700, 400, 350W/m2 80Hình 4 27 Phân bố điện áp trên các dãy pin NLMT trong thời gian mô phỏng với mức BXMT từ 1000W/m2 sang 1000, 900, 800, 700, 400, 350W/m2 81Hình 4 28 Mô hình hóa mô phỏng hệ thống 20 dãy pin NLMT 83Hình 4 29 Mô hình hóa mô phỏng hệ thống 20 dãy pin NLMT kiểm chứng 84

Hình 4 30 Mối tương quan P-V của hệ thống PV khi tại các mức bức xạ mặt trời trên các dãy pin lần lượt là 1000, 900, 800, 700, 400 W/m2 84Hình 4 31 Công suất và điện áp ngõ ra hệ thống pin NLMT trong thời gian mô phỏng với mức BXMT từ 1000W/m2 sang 1000, 900, 800, 700, 400 W/m2 85Hình 4 32 Phân bố điện áp trên các dãy pin NLMT trong thời gian mô phỏng với mức BXMT từ 1000W/m2 sang 1000, 900, 800, 700, 400 W/m2 86

Chương 1: TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu

Nhu cầu năng lượng gia tăng từng ngày cùng sự tăng sự gia tăng của dân số thế giới Khi sự gia tăng nhu cầu năng lượng cùng với việc các nguồn năng lượng thông thường đang phải đối mặt với tình trạng thiếu hụt và tác động môi trường, thì việc sử dụng năng lượng tái tạo đã trở nên quan trọng hơn NLMT đã được chọn là nguồn năng lượng dồi dào nhất cho năng lượng trong tương lai và đang trở thành một đối thủ cạnh tranh mạnh mẽ với nhiên liệu hóa thạch NLMT là một phương pháp quan trọng

để tạo ra năng lượng sạch vì NLMT là tự do, phong phú, khả thi và thân thiện với môi trường Ngoài ra, nhiên liệu hoá thạch có rất nhiều nhược điểm, như giảm trữ lượng và

ô nhiễm Ngược lại, các nguồn năng lượng tái tạo được công nhận là năng lượng sạch hơn và sản xuất năng lượng mà không gây ô nhiễm

Các nhà máy điện truyền thống là một trong những nguyên nhân hàng đầu gây ô nhiễm môi trường và tác động tiêu cực đến sức khoẻ con người từ phát thải khí nhà kính [8] Đây là một phương pháp thay thế nhằm hỗ trợ các nhà máy điện truyền thống hiện có trong giờ cao điểm Đặc biệt, các công nghệ năng lượng tái tạo đã trở thành một đóng góp quan trọng cho nhu cầu về tương lai năng lượng bền vững Do đó, hoàn toàn là cần thiết để tìm một phương pháp thay thế của thế hệ để bảo vệ môi trường và sức khỏe từ tác động của năng lượng thông thường

1.2 Tiềm năng năng lượng mặt trời ở thế giới và Việt Nam

Việc sử dụng NLMT để tạo ra điện là một hiện tượng gần đây và được biết đến như là NLTT Các nền văn minh trong quá khứ dựa vào mặt trời để tạo ra ánh sáng và nhiệt cho các hoạt động hàng ngày Việc sử dụng phổ biến nhất của ánh sáng này là thông qua các tế bào PV, giúp tạo ra điện khi đặt dưới ánh sáng mặt trời (bức xạ mặt trời) Một tấm PV / dãy PV được tạo thành từ nhiều tế bào PV được lắp đặt trong một

hệ thống riêng lẻ (độc lập) hoặc ở quy mô rất lớn dưới hình thức một trang trại NLMT (nối lưới) Một hệ thống PV bao gồm một tấm hoặc dãy PV, một bộ lưu điện và một

biến tần, hoặc là pin (off-grid) hoặc một kết nối trực tiếp tới lưới điện thông qua một kết nối với các đơn vị tiêu dùng (off-grid / on-grid) Hình 1.1 mô tả một hệ thống PV như một hệ thống độc lập được dùng để cung cấp năng lượng cho các tải độc lập và các hệ thống độc lập này thường có công suất nhỏ Các hệ thống pin NLMT độc lập thường được gắn trên các mái nhà hoặc các tòa nhà dùng trong chiếu sáng các con đường, bãi đậu xe và dùng trong các ứng dụng sinh hoạt trong gia đình

Hình 1 1 Hệ thống pin mặt trời vận hành độc lập Hình 1.2 minh hoạ cho việc thiết lập các tấm PV như một hệ thống kết nối lưới điện được lắp đặt dưới dạng một trang trại NLMT Mục đích của các trang trại NLMT

là để đáp ứng các yêu cầu về tải có công suất lớn và lưới điện cao hơn, cung cấp điện năng ở quy mô lớn hơn

Hình 1 2 Trang trại gió kết nối lưới điện

Việc sử dụng NLMT ngày càng tăng đã làm giảm việc tiêu thụ các nguồn năng lượng không tái tạo và do đó có thể dự đoán được sự gia tăng trong việc lắp đặt hệ thống PV (trang trại NLMT) Vào cuối năm 2018, tổng công suất lắp đặt toàn cầu của sản xuất NLMT đạt 505 GW theo báo cáo Renewables Global Status Report 2019 trong [1] được thể hiện như trong Hình 1.3

Hình 1 3 Tổng sản lượng PV toàn cầu

Hình 1 4 Top 10 nước phát triển pin PV nhất thế giới đến 2018

Nhiều quốc gia đã xây dựng các trang trại NLMT để tạo ra điện năng rẻ và thay thế các nguồn không tái tạo

Cho đến gần đây, nhu cầu tập trung ở các nước giàu Hiện nay, các thị trường mới nổi trên tất cả các châu lục đã bắt đầu đóng góp đáng kể vào tăng trưởng toàn cầu,

với việc NLMT thường được lắp đặt tại các nơi mà điện cần thiết nhất: ở các nước đang phát triển Đồng thời, nhiều thị trường có công suất lớn truyền thống trước đây ở châu Âu đã lắp đặt ít công suất vào năm 2018 Sự mở rộng thị trường ở hầu hết các nước trên thế giới là do sự cạnh tranh ngày càng tăng của các nhà sản xuất tấm pin NLMT cũng như các chương trình kích thích sử dụng năng lượng tái tạo của chính phủ Nhu cầu về điện và nâng cao nhận thức về tiềm năng PV của NLMT khi các quốc gia tìm cách làm giảm ô nhiễm và lượng phát thải CO2

1.2.1 Tình hình sử dụng pin NLMT ngoài nước

Trên thế giới hiện đã xây dựng được các nhà máy NLMT công suất lớn Tiêu biểu có thể kể đến các dự án NLMT như sau:

1.2.1.1 Dự án Tengger Desert 1547 MW, Trung Quốc

Hình 1 5 Dự án Tengger 1547MW, China Đây là nhà máy NLMT lớn nhất thế giới thời điểm hiện nay, nhà máy tọa lạc tại Zhongwei, Ningxia – Trung Quốc Với công suất 1547MW, nhà máy Tengger có khả năng phục vụ nhu cầu cho 600.000 hộ dân xung quanh Với thời điểm hoàn thành thành việc xây dựng nhà máy vào năm 2015, đây được xem là tổ hợp nhà máy điện mặt trời lớn nhất thế giới về quy mô xây dựng (43 km) và sản lượng điện khi kết nối với 25 nhà máy điện trong khu vực này Trong thời gian ¼ thế kỷ, Trung Quốc đã dẫn đầu toàn cầu về điện năng lượng mặt trời

1.2.1.2 Dự án Solar Star 579MW, California

Hình 1 6 Dự án Solar Star 579MW, California Đây là nhà máy NLMT lớn nhất thế giới thời điểm hiện nay, nhà máy tọa lạc tại Kern và Los Angeles ở California Với công suất 579MW, nhà máy Solar Star có khả năng phục vụ nhu cầu cho 255.000 hộ dân xung quanh Công việc xây dựng nhà máy được bắt đầu năm 2013 và hoàn thành đưa vào sử dụng tháng 6 năm 2015 Nhà máy được xây dựng trên diện tích 13 km vuông gần Rosamond, California Để có được công suất lớn như vậy, nhà máy đã sử dụng hết 1.7 triệu module pin NLMT được làm

từ bán dẫn đơn tinh thể

Với công nghệ pin mặt trời, Solar Star ước tính đã tiết giảm được 570,000 tấn khí thải CO2 ra môi trường mỗi năng, lượng khí thải này tương đương với việc vận hành 108.000 chiếc xe hơi trên các đường phố mỗi năm Nhà máy đã sử dụng công nghệ Oasis Power Plant được phát triển bởi Sun Power cho phép các tấm pin NLMT bám theo ánh sáng mặt trời trong suốt một ngày làm việc Điều này cho phép nhà máy nâng hiệu suất thu NLMT đạt đến 25% Công ty BHE là chủ sở hữu nhà máy điện mặt trời này và bán lượng điện năng thu được cho Southern California Edison với một hợp đồng dài hạn

1.2.1.3 Desert Sunlight Solar Farm 550MW, California

Hình 1 7 Desert Sunlight Solar Farm 550MW, California Trang trại Desert Sunlight Solar được đặt tại Riverside County và Carrizo Plain

ở California Nhà máy là sản phẩm hợp tác giữa tập đoàn GE và tập đoàn Sumitomo Với công suất 550 MW, nhà máy có khả năng đáp ứng nhu cầu năng lượng của 160.000 hộ dân quanh vùng Việc xây dựng nhà máy đã giúp tiết giảm gần 300.000 tấn khí CO2 thải ra môi trường mỗi năm, nó tương đương với khí thải của 60.000 xe hơi hằng năm

Dự án được xây dựng và vận hành bởi First Solar Đây cũng là nhà cung cấp 8 triệu module pin NLMT có công nghệ cadmium telluride Nhà máy được xây dựng trên diện tích 15.4 km vuông Giai đoạn 1 được khởi công vào tháng 9 năm 2011 có công suất 300 MW Giai đoạn 2 hoàn thành năm 2015 với công suất 250 MW

1.2.1.4 Topaz Solar Farms 550 MW, California

Hình 1 8 Topaz Solar Farms 550 MW, California

Topaz Solar Farms là nhà máy điện NLMT có công suất 550 MW đặt tại vùng San Luis Obispo County, California Nhà máy có khả năng cung cấp năng lượng cho

160.000 căn hộ trong vùng Dự án trị giá 2.5 tỉ USD được sở hữu bởi công ty BHE Renewables Năng lượng thu được của dự án có thể giảm thiểu 377.000 tấn CO2 mỗi năm Nó tương đương với khí thải của 73.000 chiếc xe hơi Dự án tiêu tốn 9 triệu panel pin mặt trời, chúng được đặt nghiên 250 để tối ưu NLMT

Nhà máy được bắt đầu xây dựng năm 2011 và hoàn thành năm 2014 trên diện tích 24.6 km vuông Điện năng được bán cho công ty Pacific Gas and Electric bằng một hợp đồng có thời hạn 25 năm

1.2.2 Tình hình sử dụng pin NLMT ở trong nước

Cùng với sự phát triển nhanh chóng của việc sử dụng NLMT trên thế giới, tại nước ta hiện nay việc sử dụng điện NLMT cũng được phát triển nhanh dưới sự hỗ trợ

về giá cũng như cơ chế của nhà nước về phát triển năng lượng tái tạo

Theo thống kê [1], mục tiêu về sản lượng điện NLMT củaViệt Nam trong tương lai là năm 2020 sẽ đạt mức 850MW, năm 2025 đạt mức 4GW và 12GW vào năm

2030

Một số các công trình tiêu biểu được đưa ra như bên dưới

1.2.2.1 Nhà máy điện mặt trời Dầu Tiếng

Hình 1 9 Nhà máy điện mặt trời Dầu Tiếng 420MW-Tây Ninh

Nhà máy Điện Mặt trời Dầu Tiếng là dự án hợp tác đầu tư giữa Công ty TNHH Xuân Cầu (Việt Nam) và Công ty TNHH B Grimm Power Public (Thái Lan) Dự án được khởi công vào cuối tháng 6/2018 Sau gần 1 năm thi công xây dựng và lắp đặt, cụm Nhà máy điện mặt trời Dầu Tiếng: DT 1 và DT2 đã chính thức đưa vào vận hành

thương mại, hòa lưới điện quốc gia trong tháng 6/2019 Nhà máy được xây dựng trên diện tích 504 ha, công suất lắp đặt 420 MW

Cụm Nhà máy DT1 và DT2 đi vào hoạt động sẽ cung cấp lên lưới điện quốc gia khoảng 688 triệu kWh mỗi năm Ước tính, bằng khoảng mức tiêu thụ điện hàng năm của gần 320.000 hộ gia đình Việt Nam Trong dự án này, gần 1.300.000 tấm pin năng lượng mặt trời với công nghệ quang điện loại silic đa tinh thể có hiệu suất cao đã được lựa chọn để lắp đặt Với công suất này, lượng giảm phát thải khí nhà kính mỗi năm của dự án tương đương 595.000 tấn CO2

1.2.2.2 Nhà máy quang năng BIM – Ninh Thuận

Sau hơn 9 tháng thi công, 3 nhà máy điện mặt trời BIM 1, BIM 2 và BIM 3 đã hoàn tất nghi thức đóng điện và hòa lưới điện quốc gia sáng ngày 27/4/2019, với tổng công suất 330MW

Hình 1 10 Pin NLMT tại Nháy máy điện mặt trời BIM 330MW -Ninh Thuận

Dự án do BIM Energy (thương hiệu mảng năng lượng thuộc Tập đoàn BIM Group) và AC Energy (tập đoàn Ayala Philippines)

Ba nhà máy điện mặt trời BIM 1, BIM 2 và BIM 3 khởi công vào tháng 1/2018 Với tổng công suất 330MWp, cụm nhà máy bao gồm: nhà máy điện BIM 1 có công suất 30MW; BIM 2 có công suất 250MW và BIM 3 có công suất 50MW

Cụm 3 nhà máy điện mặt trời được lắp đặt hơn 1 triệu tấm pin năng lượng mặt trời, dự kiến sản xuất khoảng 600 triệu kwh/năm, phục vụ 200 nghìn hộ gia đình mỗi năm và góp phần giảm gần 304.400 tấn CO2 thải ra môi trường mỗi năm

1.2.2.3 Dự án NLMT trên đảo Trường Sa

Dự án là một trong những công trình trọng điểm Quốc gia, được đầu tư bởi Bộ

Tư lệnh Hải quân và Tập đoàn Dầu khí quốc gia Việt Nam – Petro Vietnam Được thực hiện từ năm 2008 đến năm 2010 và liên tục được bảo trì, nâng cấp định kỳ hàng năm Hệ thống lai ghép năng lượng gió và mặt trời trên quy mô lớn, triển khai trên 48 điểm đảo (đảo, nhà dàn) với hơn 5700 tấm pin NLMT

Hình 1 11 Năng lượng gió và mặt trời trên đảo Phan Vinh, Trường Sa

Đây là công trình rất có ý nghĩa về mặt an ninh quốc phòng và kinh tế khi tiết kiệm được 774.000 lít dầu mỗi năm cho vận hành máy phát điện và giảm 2300 tấn

CO2 phát thải mỗi năm Điều này càng đặc biệt có ý nghĩa khi Trường Xa là nơi cách

xa đất liền và công tác hậu cần gặp nhiều khó khăn

1.3 Điểm công suất cực đại và tác động do bóng che của Pin NLMT

Tế bào NLMT, còn được gọi là tế bào quang điện (PV), là một thiết bị chuyển đổi bức xạ mặt trời thành điện Khi kết nối với nhau các tế bào quang điện tạo thành một mô đun, và kết nối một số mô-đun có thể góp phần hình thành một mảng NLMT [2] Mảng PV chứa một số mô đun được liên kết trong cấu trúc nối tiếp hoặc song song Với mức độ chiếu xạ khác nhau trong ngày, công suất đầu ra mảng PV có thể thay đổi trong một phạm vi rộng [3] Mặc dù có rất nhiều lợi ích đối với NLMT, nhưng có một số thách thức ngăn cản sự phát triển của nó Hai thách thức chính là hiệu suất thấp và các điểm công suất cực đại địa phương Sử dụng kỹ thuật bám theo điểm công suất cực đại (Power Point Tracking - MPPT) là một kỹ thuật tốt để nâng cao hiệu quả của hệ thống PV Hệ thống PV có thể hoạt động với công suất tối đa bằng MPPT Trên thực tế, có thể dễ dàng tìm ra công suất lớn nhất trong đường cong phi tuyến P-V dưới bức xạ liên tục bằng các phương pháp MPPT phổ biến Tuy nhiên, MPPT có thể rất khó để theo dõi MPP thực tế trong điều kiện bóng mờ một phần do

có nhiều các điểm công suất cực đại địa phương, có thể thấy được trên đường cong đặc trưng P-V như thể hiện trong Hình 1.12

Hình 1 12 Đường cong P-V trong tấm PV trong điều kiện bóng che một phần

Mặc dù còn một số hạn chế của việc sử dụng một nguồn PV khi đang giải quyết các đặc tính đầu ra phi tuyến của nó, thay đổi nhiều mức bức xạ khác nhau, bóng che, nhiệt độ, và cấu hình mảng, nguồn quang điện đang được sử dụng ngày càng nhiều trong một số ứng dụng Nếu toàn bộ tấm pin PV không được cùng một mức bức xạ giống nhau, các đặc tính trở nên phức tạp hơn như trong điều kiện bóng che từng phần Do đó, điều này sẽ làm giảm hiệu quả của các chương trình tìm điểm công suất cực đại hiện tại do không có khả năng phân biệt giữa các đỉnh địa phương và đỉnh cao toàn cục [4] Sự chiếu sáng và nhiệt độ khác nhau trong điều kiện bóng che gây ra một đặc tính I-V phi tuyến tính của hệ thống PV; Đặc điểm P-V trở nên phức tạp hơn với nhiều đỉnh công suất cực đại khác nhau

Trên thế giới và trong nước đã có nhiều nghiên cứu về việc tìm điểm GMPPT này như:

 Reset đường cong và quét chu kỳ, quét toàn bộ đường cong P-V

Một sự cải tiến rất đơn giản thường được thực hiện với các kỹ thuật MPPT thông thường liên quan đến việc thiết lập lại các điểm hoạt động định kỳ để cải thiện xác suất mà hệ thống sẽ định vị GMPP Trong [5], một phương pháp P & O tăng thêm ba điểm (3PI-P & O) được đề xuất cải tiến theo kỹ thuật P & O bằng cách so sánh giữa

ba điểm hoạt động chứ không chỉ hai được sử dụng trong kỹ thuật P & O tiêu chuẩn Mặc dù cách tiếp cận này cải thiện hiệu suất theo dõi, thuật toán vẫn có thể bị mắc kẹt tại một địa phương tối đa, đó là lý do tại sao một thiết lập lại định kỳ đến một điểm hoạt động ngẫu nhiên được thực hiện mỗi 5-10 phút Bằng cách áp dụng cách tiếp cận này, khả năng GMPP được theo dõi tăng lên nhưng không được bảo đảm

Một tìm kiếm định kỳ được hoàn thành sau mỗi 1-15 phút trong [6], và sau đó P&O được sử dụng để có được theo dõi MPPT chính xác Phương pháp này hoạt động bằng cách dần dần thu được nhiều công suất từ bộ chuyển đổi DC/DC cho đến khi GMPP đạt được Khi GMPP được đặt, thuật toán sử dụng phương pháp P & O để duy trì tại thời điểm này cho đến khi bắt đầu tìm kiếm điểm GMPP tiếp theo

Một kỹ thuật khác là quét toàn bộ các đặc tính IV để xác định chính xác GMPP Trong [7] một phép đo rất nhanh về đặc tính I-V đã đạt được để định vị GMPP Do tốc độ quét, tổn hao công suất trong thời gian đó là tối thiểu Đường cong P-V được

quét theo định kỳ để tìm điểm GMPP và sử dụng mạch điện chuyển mạch được sử dụng trong [8] để thực hiện đường cong I-V Một bất lợi của việc quét toàn bộ đường cong I-V hoặc P-V là tổn thất năng lượng xảy ra trong quá trình quét và có một số vùng của đường cong nơi MPP có khả năng nó không phải là điểm cực đại Ngoài ra, các thành phần mạch khác như thiết bị chuyển mạch, tụ điện và điện trở thường được yêu cầu trong các hiện thực này làm tổn hao công suất của hệ thống

Các kỹ thuật lấy mẫu định kỳ và quét đường cong nói chung cải thiện hiệu suất của các kỹ thuật MPPT thông thường với sự đơn giản trong việc thực hiện và có chi phí thấp Tuy nhiên, những kỹ thuật này không thể đảm bảo GMPPT vào mọi lúc

 Phương pháp hai giai đoạn

Một loạt các phương pháp hai giai đoạn được đề xuất trong tài liệu để cải thiện hiệu suất của các kỹ thuật MPPT thông thường trong trường hợp PSC [9], [10], [11], [12] Các kỹ thuật này thường sử dụng một số quá trình trong giai đoạn đầu để di chuyển điểm làm việc gần điểm được dự đoán là GMPP và sau đó hội tụ đến điểm này bằng cách sử dụng một kỹ thuật MPPT thông thường (thường là P&O hoặc INC) ở giai đoạn thứ hai Trong [9], một hàm tuyến tính được định nghĩa để di chuyển điểm làm việc khi PSC được phát hiện và sau đó dùng phương pháp INC để theo dõi GMPP một cách chính xác Kỹ thuật này rất đơn giản và có thể dễ dàng triển khai trong các

hệ thống PV hiện tại để tăng cường khả năng theo dõi MPPT dưới các điều kiện không đồng nhất

Một đường cong I-V sử dụng một mạch chuyển mạch, bao gồm một tụ điện song song với một điện trở, được thông qua trong [10] để xác định vị trí GMPP khi PSCs được phát hiện Trong giai đoạn thứ hai, các kỹ thuật thông thường được sử dụng để theo dõi chính xác MPP Một bất lợi của kỹ thuật này là nó đòi hỏi các thành phần mạch bổ sung trong việc thực hiện của nó và công suất sẵn có từ hệ thống bị giảm trong đường cong I-V

Một số tác giả định nghĩa một đường tải dựa trên điện trở tương đương (tỷ lệ với điện áp hở mạch và dòng ngắn mạch) để di chuyển điểm hoạt động ở giai đoạn đầu tiên và sau đó sử dụng kỹ thuật MPPT khác trong giai đoạn thứ hai [10], [11-12] Trong một số điều kiện hoạt động, đường tải có thể bám theo đỉnh địa phương, sau đó

tìm kiếm GMPP xung quanh đỉnh địa phương và cập nhật các hệ số đường tải dựa trên

vị trí GMPP Phương pháp đường tải yêu cầu giám sát trực tuyến cả điện áp mạch hở

và dòng ngắn mạch, nghĩa là sẽ mất công suất định kỳ khi phép đo được thực hiện Các phương pháp hai giai đoạn cải thiện hiệu suất của các phương pháp MPPT thông thường trong khi ít làm tăng chi phí đầu tư và độ phức tạp của hệ thống Tuy nhiên, các phương pháp cũng bị thất bại một số trường hợp và có thể dẫn đến tăng thời gian dò tìm hoặc giảm công suất có sẵn khi xác định đường tải

 Kỹ thuật dựa trên quan sát đặc tuyến P-V

Một số tác giả đã cung cấp một nghiên cứu toàn diện về các đặc tính I-V và P-V trong PSC và đưa ra những quan sát này để tìm điểm GMPPT [13] Kỹ thuật dựa trên các quan sát sử dụng MPPT thông thường để theo dõi MPP và sử dụng một quá trình tìm kiếm đỉnh cao toàn cục để tìm kiếm các khu vực liên quan của đường cong P-V để xác định tất cả các MPP cho đến khi GMPP được phát hiện Bằng cách thực hiện tìm kiếm theo cách này, toàn bộ đường cong P-V không cần phải được xem xét làm giảm thời gian tìm kiếm yêu cầu

Trong [13], một cách tiếp cận tương tự quét các đường cong P-V dựa trên các đặc điểm chính được xây dựng Bằng cách thực hiện việc quét bằng các đặc điểm chính, phần đường cong P-V cần được tìm kiếm giảm sẽ cải thiện hiệu suất theo dõi Các đường cong phụ được xác định trong [13] dựa trên thực tế là sự thay đổi điện áp hoặc dòng điện dọc theo các đường cong này nhanh hơn nhiều so với sự thay đổi xảy

ra dọc theo đường cong I-V Những đường cong này cho phép tìm kiếm MPP có hiệu quả

Các kỹ thuật dựa trên các quan sát đặc tính I-V và P-V của các hệ thống PV khi

có bóng che một phần có thể mang lại hiệu suất theo dõi được cải thiện khi phạm vi tìm kiếm được rút gọn Tuy nhiên, những kỹ thuật này làm tăng chi phí và sự phức tạp của MPPT thông thường, và trong một số trường hợp nhất định có thể dẫn đến việc bám theo các MPP địa phương thay vì GMPP

 Tìm kiếm theo đường

Một số phương pháp tìm kiếm MPPT theo đường đã được đề xuất để giải quyết vấn đề PSC bao gồm phương pháp tìm kiếm Fibonacci [14], [16] và chia hình chữ

nhật (dividing rectangles – DIRECT) [15] Thuật toán tìm kiếm theo đường hoạt động bằng cách hạn chế và dịch chuyển một khoảng thời gian để định vị khoảng cách tối ưu trong đó điểm có chứa điểm GMPP tối ưu và sau đó hội tụ đến điểm này [14]

Phương pháp DIRECT dựa trên việc dần dần làm cho khoảng tìm kiếm nhỏ hơn dựa trên các giá trị của các dữ liệu mẫu thu được trong khoảng thời gian và một điều kiện được sử dụng để xác định khoảng thời gian nào là tối ưu nhất để có được công suất thu được là lớn nhất [15] Vì đặc tính P-V của mô đun PV có thể được xác minh

là một hàm Lipschitz, phương pháp DIRECT có thể được sử dụng và trong nhiều trường hợp sẽ dẫn đến GMPPT

Đối với phương pháp tìm kiếm Fibonacci, chiều dài của khoảng xem xét được xác định dựa trên số trong dãy Fibonacci [14], [16] Nói chung, để làm cho cách tiếp cận này phù hợp với PSC, cần xác định một điều kiện phát hiện khi nào PSC đã xảy ra [14] để cho phép phương thức này được khởi động lại

Phương pháp tìm kiếm theo đường có thể cho phép tìm GMPPT trong hầu hết các điều kiện với điều kiện kiểm tra tương đối đơn giản Tuy nhiên, trong một số trường hợp các kỹ thuật sẽ hội tụ với một MPP địa phương và các kỹ thuật thường phụ thuộc vào việc sử dụng các điều kiện đặc biệt để phát hiện khi PSC đã xảy ra Tùy thuộc vào các tham số ban đầu được sử dụng, phương pháp này có thể không hội tụ với GMPP

 Trí tuệ nhân tạo

Cách tiếp cận trí tuệ nhân tạo đã được phát biểu trong tài liệu để giải quyết vấn

đề PSC là PSO [17], [18] Các phương pháp PSO được mô phỏng lại dựa trên cơ sở hành động kiếm mồi của các cá thể chim và cá, sử dụng kết quả của các cá thể để cùng nhau giải quyết vấn đề Mỗi vị trí cá thể được cập nhật dựa trên vị trí tốt nhất và

vị trí tổng thể tốt nhất cho phép các cá thể này hội tụ với một giải pháp toàn cục Thông thường, PSO được áp dụng cho các vấn đề bất biến theo thời gian, vì vậy các

cơ chế để phát hiện sự thay đổi các điều kiện môi trường và khởi tạo lại việc theo dõi toàn cục là rất cần thiết đối với các hệ thống PV Tìm kiếm PSO đòi hỏi một số tham

số được xác định bao gồm yếu tố quán tính, tốc độ xác định hằng số và số lượng các

cá thể Trong [202] sự ngẫu nhiên trong phương pháp được giảm bằng cách loại bỏ các tham số ngẫu nhiên dẫn đến ít các tham số lựa chọn hơn và cải thiện hiệu suất PSO nói chung có hiệu suất tốt trong việc theo dõi GMPP trong điều kiện PSC Tuy nhiên, trong một số trường hợp nếu vị trí ban đầu không được chọn một cách thích hợp, phương pháp này có thể hội tụ đến một kết quả cục bộ [19] Ngoài ra, hiệu suất liên quan chặt chẽ đến các giá trị được chọn cho hằng số hệ thống

Trong luận văn này, một phương pháp mới đã được trình bày để theo dõi điểm công suất cực đại toàn cục (Global Maximum Power Point – GMPP) của PV So với các kỹ thuật tìm MPPT phổ biến đã được đề xuất trước đây, phương pháp được đề xuất trong luận văn này có thêm những ưu điểm đó là khi nào có xuất hiện hiện tượng bóng che từng phần, phương pháp này sẽ dự đoán vị trí của GMPP và LMPP trên đường cong P-V Phương pháp mới có thể nhanh chóng xác định GMPP và tránh mất năng lượng do quét mù Các kết quả thử nghiệm xác minh rằng phương pháp được đề xuất đảm bảo sự hội tụ với MPP toàn cục trong điều kiện bóng che từng phần

1.4 Mục tiêu luận văn

Qua phân tích tổng quan vấn đề bóng che một phần trong phần trên, luận văn đặt

1.5 Nhiệm vụ luận văn

Dựa vào mục tiêu trong phần 1.4, để đạt được các yêu cầu này, luận văn đề ra các nhiệm cụ thể như sau:

− Nghiên cứu các tài liêu liên quan đến nguyên liệu, cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các PV thông dụng hiện nay

− Thực hiện tìm kiếm tài liệu rộng rãi về mô hình hóa các tế bào PV

− Nghiên cứu tính phù hợp của một bộ mô hình PV được lựa chọn sử dụng các nghiên cứu mô phỏng (MATLAB)

− Xem xét các kỹ thuật hiện tại để điều tra hiệu ứng bóng che một phần

− Nghiên cứu các phương pháp xác định điểm MPP trong trường hợp dãy PV bị bóng che một phần Xác định các ưu nhược điểm của từng phương pháp

1.6 Phạm vi luận văn

Vấn đề giải quyết bài toán bóng che trong dãy pin PV tuy là một phần của vấn

đề điều khiển các hệ thống pin NLMT nhưng chúng bao gồm nhiều vấn đề bên trong

và liên quan rất nhiều các lĩnh vực khác nhau Để đảm bảo luận văn đi đúng hướng và bám sát mục tiêu đề ra, luận văn được thực hiện trong các phạm vi như sau:

− Nghiên cứu cấu trúc các pin NLMT thông dụng

− Nghiên cứu các phương trình toán về pin mặt trời thông dụng hiện nay

- Nghiên cứu các phương pháp xác định điểm GMPP đã được đề xuất hiện nay

- Xây dựng mô hình MatLab để ghi nhận kết quả và đánh giá hiệu quả giải thuật được đề xuất dựa trên các mô hình, công cụ được hỗ trợ trong MatLab

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Tế bào quang điện

PV hoặc pin mặt trời là thiết bị bán dẫn chuyển đổi năng lượng từ ánh sáng (ánh sáng mặt trời hoặc bức xạ mặt trời) thành năng lượng điện thông qua hiệu ứng quang điện Thành phần chính của một hệ thống pin NLMT là một tế bào PV, được làm từ một số loại chất bán dẫn và trải qua các quy trình sản xuất khác nhau Vật liệu bán dẫn phổ biến nhất là Silicon (Si), do đó thường một tế bào đơn bao gồm một màng mỏng của Si kết nối với các đầu cuối điện, pha tạp để tạo thành một đường nối PN và phủ một lưới kim loại đối mặt với ánh sáng mặt trời

Cấu trúc vật lý của một tế bào PV có thể thấy trong Hình 2.1 được mô tả như trong [19]

Hình 2 1 Cấu trúc cơ bản của tế bào quang điện Bức xạ mặt trời từ ánh sáng mặt trời bao gồm các photon có mức năng lượng khác nhau và tỷ lệ xuất hiện của ánh sáng rơi vào tế bào PV tạo ra các sóng mang điện tích, từ đó tạo ra một dòng điện như được đề xuất trong [19] Nếu các photon này ở mức năng lượng cao hơn, năng lượng của của chúng sau khi va đập vào chất bán dẫn

sẽ làm bật ra các điện tích âm và các điện tích này vượt qua khe hở của các chất bán dẫn và tiến về phía bên kia Lúc này sẽ tạo ra hai lớp vật chất tích điện trái dấu Như vậy một nguồn điện DC đã được tạo ra Còn ngược lại, các photon ở mức năng lượng thấp hơn thì không tạo được ảnh hưởng và không tạo ra dòng điện nào cả Do đó, tốc

độ phát điện của các tấm bán dẫn phụ thuộc vào tần số ánh sáng tới và khả năng của chất bán dẫn để hấp thụ ánh sáng tới Khả năng của chất bán dẫn phụ thuộc vào các yếu tố như năng lượng ngưỡng, nồng độ nội tại các hạt mang điện và tốc độ kết hợp của chất bán dẫn

2.1.1 Đặc tính của tế bào quang điện

Một tế bào PV, khi tại cường độ ánh sáng nhất định, đưa ra một đầu ra ở dạng điện áp V (V), dòng điện I (A), và công suất P (W) Các giá trị của V, I và P hiển thị hiệu suất và giúp xác định các đặc tính của một tế bào PV đó là mối tương quan giữa I-V (điện áp - dòng điện) và P-V (công suất - điện áp) Tế bào PV cho các đặc tính phi tuyến tính cần được nghiên cứu và phân tích trong khi vẫn lưu ý đến các yếu tố ảnh hưởng đến chúng như trình bày trong các nghiên cứu [20] Theo nghiên cứu này, qua hình 2.2 cho thấy các đặc tính của một tế bào PV tiêu chuẩn Ở đây I SClà dòng ngắn mạch, VOC là điện áp hở, MPP là công suất cực đại, I MPvà V MPlà dòng điện và điện áp tương ứng tại MPP

Hình 2 2 Các đường đặc tuyến cơ bản trong một PV Một điểm quan trọng cần lưu ý là tại VOC giá trị của ISC bằng không và tương

tự tại điểm của I SCgiá trị của VOCbằng không như trong phân tích trong nghiên cứu [19, 21]

Hiệu suất của tế bào PV phụ thuộc vào các yếu tố như vật liệu tế bào, nhiệt độ không khí và không khí, cường độ ánh sáng mặt trời, góc nghiêng đối với mặt trời và

sự khác nhau của chiếu xạ giữa các tế bào Các yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến

tế bào PV là: sự chiếu nắng và nhiệt độ, nơi mà sự chiếu nắng càng lớn thì đầu ra càng lớn (I & V), nhưng mặt khác, nhiệt độ của tế bào càng cao, điện áp đầu ra càng thấp Thời tiết mùa đông và độ cao cũng có thể dẫn đến các giá trị chiếu sáng thấp và như bất kỳ thiết bị điện tử nào khác, pin mặt trời hoạt động tốt hơn khi giữ mát

2.1.2 Các tấm pin quang điện và các dãy pin quang điện

Các tấm PV được phát triển từ các tế bào PV bằng cách kết nối chúng theo kiểu nối tiếp và/hoặc song song Một tế bào đơn giản, một tấm pin và một dãy pin có thể được nhìn thấy như trong Hình 2.3

Hình minh hoạ cho thấy rằng tấm PV đã được lắp ráp bằng cách sử dụng một vài

tế bào với cách đấu nối tiếp và song song Các dãy PV trong trường hợp này được lắp ráp bằng cách sử dụng 6 tấm PV, cũng trong cách đấu nối tiếp và song song Trong cả hai trường hợp này, các cấu hình được thực hiện để có được điện áp và công suất ra phù hợp nhu cầu sử dụng

Hình 2 3 Tế bào, tấm và dãy pin PV Khi các tế bào được kết nối theo kiểu nối tiếp, tổng điện áp là tổng của điện áp

từ mỗi tế bào riêng lẻ do đó tăng điện áp đầu ra Dòng điện đầu ra vẫn không đổi và bằng với dòng điện của một tế bào đơn lẻ Ngược lại, khi các tế bào được kết nối song song, tổng dòng điện là tổng các dòng từ các tế bào riêng lẻ do đó làm tăng dòng điện

ra và điện áp đầu ra vẫn không đổi và bằng điện thế của một tế bào đơn lẻ

2.1.3 Các loại tế bào quang điện

Có rất nhiều loại tế bào PV hiện nay và sự khác biệt phổ biến nhất giữa chúng là vật liệu của chúng Hiệu suất của pin mặt trời thường dựa trên vật liệu được sử dụng

để sản xuất tế bào Như đã đề cập, vật liệu thông dụng nhất là Si Hiện tại có bốn loại

tế bào PV dựa trên Si có sẵn trong thương mại và có thể được sử dụng cho nhiều ứng dụng bao gồm:

− PV Si đơn tinh thể: Để tạo ra Si đơn tinh thể, tinh thể Si được trồng từ tinh thể lỏng tinh khiết Các tế bào này có hiệu suất 13-17% và được phân loại là hiệu quả nhất trong số ba loại chính các tế bào tinh thể Đây cũng là một trong những tế bào đắt tiền nhất hiện nay

− PV Si đa tinh thể: Chúng cũng được sản xuất theo cách tương tự như các tế bào mono-tinh thể nhưng một quá trình đúc được sử dụng Khi làm mát, những tế bào này được đặt trong một dạng đa tinh thể Các tế bào có hiệu quả 11-15% và sự xuất hiện màu xanh là do việc áp dụng một lớp chống phản xạ

− PV Silicon vô định hình: Loại tế bào này là một tế bào gốc không có tinh thể

Si và ít nguyên liệu được yêu cầu trong sản xuất của chúng Các tế bào được

sử dụng cho các mục đích nhỏ và có hiệu quả rất thấp, dao động từ 6-8%

− Hybrid PV: Loại tế bào PV này sử dụng hai kỹ thuật khác nhau và được tạo thành từ các tế bào đơn tinh thể bao phủ bởi lớp Si PV vô định hình, vô định hình do đó làm chúng trở nên rất tốn kém Điều này giúp tế bào hoạt động ở nhiệt độ cao và mang lại hiệu suất 18+%

Hình 2.4 được nghiên cứu theo [22], cho thấy một số vật liệu và các loại tế bào khác nhau được sử dụng trong ngành công nghiệp PV hiện đại cùng với hiệu suất đầu

ra của chúng Biểu đồ này cũng cho thấy mức tăng hiệu quả dự kiến sẽ tăng lên đến năm 2020

Hình 2 4 Hiệu suất hoạt động của các loại nguyên liệu PV khác nhau

2.2 Các ứng dụng chủ yếu của PV

Việc sử dụng pin NLMT đã được thực hiện trong nhiều năm qua, các tiến bộ mới trong sản xuất pin đã được ứng dụng vào chế tạo các thiết bị tương thích với hầu hết các hệ thống được lắp đặt tại nhiều nơi trên thế giới

Vật liệu mới của tế bào PV gần đây đã được giới thiệu và các kỹ thuật mới đã được phát triển để nâng cao hiệu quả của một hệ thống dựa trên PV Các hệ thống PV hiện tại được sử dụng trên mái nhà, các tòa nhà nhỏ hoặc lớn, trong các trang trại NLMT kết nối lưới, trong các hệ thống độc lập như đèn chiếu sáng đường phố, nhà ở, buồng điện thoại, trạm sạc điện thoại di động, dùng các đoàn lữ hành, vệ tinh trong không gian, máy bơm nước / nồi hơi và các thiết bị nhỏ như quạt NLMT nhỏ, đèn pin mặt trời, sạc pin và máy tính Với những cải tiến dự kiến về công nghệ PV, những ứng dụng trong tương lai của các hệ thống PV có thể bao gồm các trang trại pin mặt trời trên mặt nước, xe không gian, ô tô, máy bay không người lái…

Trong chương này sẽ trình bày chi tiết các phương trình toán của các thành phần một hệ thống NLMT Ngoài ra các lưu đồ và thuật toán tính toán được dừng trong luận văn cũng được thảo luận trong phần này Các nội dung cụ thể sẽ được trình bày chi tiết như bên dưới

2.3 Pin NLMT và phương trình toán của pin NLMT

Ngày nay, loại pin NLMT được dùng chủ yếu là loại bán dẫn Silic với tiếp xúc p-n Với loại pin NLMT này, để thuận tiện trong việc tính toán, thiết kế, một mạch điện tương đương được đưa ra để thay thế pin mặt trời

Hình 2 5 Mạch điện tương đương của pin mặt trời Mạch điện gồm có dòng quang điện Iph, điot, điện trở dòng rò Rsh và điện trở nối tiếp Rs, dòng điện ngõ ra I và điện áp ngõ ra V

2.3.1 Phương trình tương đương của pin NLMT

Dựa trên mạch điện tương đương của pin NLMT được đưa ra trong Hình 2.5,

một phương trình toán học được đưa ra để thể hiện mối tương quan giữa dòng điện và

điện áp ngõ ra của pin NLMT

(

1

S c

IPH: dòng quang điện (A)

Is: dòng bão hòa (A)

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

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

TC: nhiệt độ vận hành của pin (K)

A: hệ số lý tưởng phụ thuộc vào công nghệ chế tạo pin, ví dụ công nghệ Si-mono

A=1.2, Si-Poly A = 1.3…

2.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến pin NLMT

Dòng quang điện IPH phụ thuộc trực tiếp vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ của pin:

I =I +K T −T λ

Trong đó:

Isc: dòng ngắn mạch tại nhiệt độ tiêu chuẩn 250C (A) và bức xạ 1kW/m2

K1: hệ số dòng điện phụ thuộc vào nhiệt độ (A/0C)

Tc: Nhiệt độ vận hành của pin mặt trời (K)

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

λ: Bức xạ mặt trời (kW/m2)

Mặt khác, dòng bão hòa Is là dòng các hạt tải điện không cơ bản được tạo ra do

kích thích nhiệt Khi nhiệt độ của pin mặt trời tăng dòng bão hòa cũng tăng theo hàm

EG: Năng lượng lỗ trống của chất bán dẫn

Đối với pin mặt trời lý tưởng, điện trở dòng rò Rsh = ∞, Rs = 0 Khi đó mạch điện tương đương của pin mặt trời được cho bởi hình 2.6:

Hình 2 6 Mô hình pin mặt trời lý tưởng Khi đó, biểu thức (2.1) có thể được mô tả như sau:

SC

kAT

I I

2.3.3 Phương trình tương đương của bộ pin NLMT

Thông thường, công suất của pin mặt trời khoảng 2 W và điện áp khoảng 0.5 V

Vì vậy, các pin mặt trời được ghép nối với nhau theo dạng nối tiếp - song song để sinh

ra lượng công suất và điện áp đủ lớn Mạch điện tương đương của mô đun pin mặt trời gồm có Np nhánh song song và Ns pin nối tiếp được mô tả như Hình 2.7:

Hình 2 7 Mô đun pin mặt trời Mạch điện Hình 2.7 được miêu tả bởi biểu thức sau:

S C PH

Đặc tuyến I-V tương ứng với từng bức xạ nhất định được mô tả như sau:

Hình 2 8 Đặc tuyến I-V với các bức xạ khác nhau

Hình 2 9 Đặc tuyến P-V với các bức xạ khác nhau

Qua phương trình (2.6) nhận thấy rằng ngoài việc thay đổi đường đặc tuyến I-V

và P-V theo cường độ bức xạ thì đường đặc tuyến này cũng thay đổi theo sự thay đổi của nhiệt độ của pin Mối tương quan giữa nhiệt độ và đường đặc tuyến I-V và P-V được thể hiện lần lượt qua các Hình 2.10 và 2.11

Hình 2 10 Đường đặc tuyến I-V tại S=1000W/m2 khi nhiệt độ pin thay đổi

Hình 2 11 Đường đặc tuyến P-V tại S=1000W/m2 khi nhiệt độ pin thay đổi

Như vậy, vị trí của điểm MPP trên đường đặc tính là không biết trước và nó luôn thay đổi phụ thuộc vào điều kiện bức xạ và nhiệt độ Do đó, cần có một thuật toán để theo dõi điểm MPP, thuật toán này chính là trái tim của bộ điều khiển MPPT

2.4 Các thuật toán phổ biến xác định điểm công suất cực đại của pin mặt trời

Cấu trúc của hệ thống MPPT điều khiển theo điện áp tham chiếu được trình bày như Hình 2.12

Hình 2 12 Cấu trúc điều khiển MPPT của dàn PV

2.4.1 Thuật toán nhiễu loạn và quan sát P&O

Trong thuật toán này điện áp hoạt động của pin mặt trời (PMT) bị nhiễu bởi một gia số nhỏ ΔV và kết quả làm thay đổi công suất, ΔP được quan sát như trình bày trong [16, 17] lần lượt bởi Sivagamasundari và Chaudhari

Hình 2.13 mô tả nguyên lý hoạt động của thuật toán P&O, từ đó có thể suy ra cách thức hoạt động của thuật toán như sau:

− Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang di chuyển theo hướng 1 (ΔP < 0 và

ΔV < 0) thì cần tăng điện áp hoạt động lên để di chuyển điểm hoạt động tới điểm MPP

− Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang di chuyển theo hướng 2 (ΔP > 0 và

ΔV > 0) thì cần tăng điện áp hoạt động lên để di chuyển điểm hoạt động tới điểm MPP