Ứng dụng năng lượng mặt trời trong hệ thống chiếu sáng sử dụng led

Đồng thời luận văn cũng nghiên cứu giải pháp tiết kiệm năng lượng tiêu thụ cho bộ đèn Led được sử dụng với việc điều khiển chế độ sáng nhiều cấp của bộ đèn ứng với từng thời gian chiếu s

-o0o -

HÀ QUANG ĐIỆN

ỨNG DỤNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI

TRONG HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG SỬ DỤNG LED

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

MÃ SỐ CHUYÊN NGÀNH: 60 52 02 02

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP Hồ Chí Minh, năm 201 8

TP HCMBK

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Quang Nam Ký tên……… Cán bộ phản biện 1: PGS TS Nguyễn Văn Nhờ Ký tên………… ……… Cán bộ phản biện 2: PGS TS Trương Việt Anh Ký tên………… ……… Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày 06 tháng 01 năm 2018

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 Chủ tịch hội đồng: PGS TS Phan Quốc Dũng Ký tên………… ………

2 Cán bộ phản biện 1: PGS TS Nguyễn Văn Nhờ Ký tên………… ………

3 Cán bộ phản biện 2: PGS TS Trương Việt Anh Ký tên………… ………

Xác nhận của Chủ tịch hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

TS Đỗ Hồng Tuấn

-o0o -

-o0o -NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SỸ

Ngày, tháng, năm sinh : 06/04/1980 Nơi sinh : Bắc Ninh

Chuyên ngành : Kỹ thuật điện Mã số : 60 52 02 02

I TÊN ĐỀ TÀI:

ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TRONG HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG SỬ DỤNG LED

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Tìm hiểu phân tích và nghiên cứu mô hình ứng dụng năng lượng mặt trời sạcacquy vào ban ngày và sử dụng năng lượng acquy để cấp nguồn cho đèn Ledvào ban đêm

- Tìm hiểu các thuật toán MPPT từ truyền thống đến nay từ đó làm cơ sở cải tiếnthuật toán MPPT để thu được kết quả tốt hơn cho hệ thống Mô phỏng các thuậttoán trên nền MATLAB/Simulink hoặc tương đương sau đó so sánh kết quả vớinhau và với các nghiên cứu trước đó

- Tìm hiểu, mô phỏng bộ biến đổi DC/DC sạc acquy từ pin mặt trời và DC/DCcho bộ LED’s driver với tính năng có thể điều khiển nhiều mức công suất củaLed

- Viết code và làm mô hình thực nghiệm để kiểm chứng MPPT cải tiến

- Kết luận và rút ra bài học kinh nghiệm

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 04/09/2017

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 08/12/2017

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Nguyễn Quang Nam

Tp.HCM, ngày…….tháng……năm 2017

TS Nguyễn Quang Nam TS Võ Ngọc Điều

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

Trong thời gian học tập và nghiên cứu hoàn thành luận văn tốt nghiệp,

em đã nhận được rất nhiều sự động viên và giúp đỡ

Trước hết, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và chân thành đến thầy

TS Nguyễn Quang Nam – người đã tận tình hướng dẫn, truyền thụ những kinh nghiệm chuyên môn với tất cả niềm đam mê nghiên cứu khoa học trong suốt thời gian em thực hiện luận văn

Xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG Tp.HCM cùng Quý Thầy Cô Khoa Điện – Điện Tử, Bộ môn Thiết

bị, mạng và nhà máy điện đã tạo rất nhiều điều kiện để em học tập và hoàn thành tốt khóa học

Em xin chân thành cảm ơn gia đình và những người thân yêu đã luôn động viên giúp đỡ, động viên và là chỗ dựa tinh thần vững chắc để em có thể vượt qua những khó khăn trong thời gian học tập và nghiên cứu

Sau cùng tôi luôn cảm ơn những người bạn đã giúp đỡ chia sẻ kinh nghiệm học tập và nghiên cứu trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Mặc dù tôi đã có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn bằng tất cả sự nhiệt tình và năng lực của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những đóng góp quý báu của quý thầy cô và các bạn Xin kính chúc sức khỏe và chân thành cảm ơn!

TP HCM, ngày tháng 12 năm 2017

Học viên thực hiện

Hà Quang Điện

chung vào thực tiễn cuộc sống ngày càng phát triển mạnh mẽ và là một xu hướng tất yếu của xã hội Từ việc khai thác các nguồn năng lượng tái tạo tập trung (như cánh động điện gió, cánh đồng điện mặt trời…) cho đến việc khai thác các nguồn năng lượng này một cách phân tán tới từng hộ gia đình hay từng cơ sở sản xuất, sinh hoạt

Một trong những ứng dụng của việc khai thác năng lượng mặt trời dưới mô hình phân tán đó là việc sử dụng năng lượng mặt trời lưu trữ vào acquy vào ban ngày và sử dụng năng lượng này chiếu sáng đường phố vào ban đêm bằng đèn LED hiệu suất cao Trên cơ sở yêu cầu với đầu bài đặt ra là bộ đèn Led chiếu sáng có thể hoạt động được (trong điều kiện thời tiết xấu) tối thiểu từ 2 – 3 ngày khi mà không cần tới ánh sáng mặt trời Với yêu cầu trên luận văn đã nghiên cứu trình bày những giải thuật MPPT cải tiến trên nền fuzzy để thu được hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao nhất từ PV sử dụng nạp vào acquy Hiệu quả của giải thuật đề xuất được kiểm chứng bằng mô phỏng, tuy nhiên trong quá trình kiểm chứng bằng thực nghiệm, vì nhiều lý do khách quan, kết quả thực nghiệm với tải acquy không đạt như mong muốn Vì vậy kết quả thực nghiệm chỉ được kiểm chứng trên tải điện trở Đồng thời luận văn cũng nghiên cứu giải pháp tiết kiệm năng lượng tiêu thụ cho bộ đèn Led được sử dụng với việc điều khiển chế độ sáng nhiều cấp của bộ đèn ứng với từng thời gian chiếu sáng phù hợp với mật độ lưu thông trên đường

Nội dung và kết quả thu đạt được trong quá trình thực hiện luận văn được trình bày tóm tắt trong các chương như sau:

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về mục đích, liệt kê từng nhiệm vụ và phương pháp nghiên cứu cho luận văn, đặt vấn đề chọn đề tài “Ứng dụng năng lượng mặt trời trong hệ thống chiếu sáng sử dụng Led”

Chương 2: Luận văn trình giới thiệu về tiềm năng và tình hình sử dụng năng lượng mặt trời ở Việt Nam và trên thế giới, đặc biệt là việc ứng dụng năng lượng mặt trời trong chiếu sáng công cộng Đồng thời tìm hiểu những nghiên cứu trước đây nêu ra những vấn đề còn hạn chế và hướng giải quyết của luận văn

hệ thống pin mặt trời, các sơ đồ mạch điện thay thế, các đường đặc tính quan hệ của pin mặt trời Đề xuất và xây dựng bộ thu PV dùng cho mô phỏng gần giống với mô hình thực nghiệm, sau đó mô phỏng và thu giá trị áp và công suất ở các điều kiện khác nhau, dữ liệu thu được này được dùng để đánh giá kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm

Chương 4: Tìm hiểu thuật thuật toán MPPT truyền thống đến thông minh, tìm hiểu chi tiết thuật toán MPPT P&O làm cơ sở cho MPPT cải tiến sau này

Chương 5: Giới thiệu về Logic mờ, các khái niệm về tập mờ, các phép toán học cơ bản trên tập mờ Tìm hiểu về cấu trúc và phương thức hoạt động của điều khiển fuzzy, sau đó chọn mô hình điều khiển fuzzy Mamdani cho giải thuật MPPT cải tiến, được dùng trong mô phỏng và thực nghiệm

Chương 6: Giới thiệu về ứng dụng năng lượng mặt trời trong hệ thống chiếu sáng

sử dụng đèn Led Từ mô hình sơ đồ khối tổng quan đến các cơ sở lý thuyết liên quan đến các giải thuật MPPT cải tiến để thu được công suất của PV được tốt hơn Ngoài ra còn giới thiệu về chế độ điều khiển (dimming) các cấp chiếu sáng cho đèn Led

Chương 7: Trình bày và kiểm chứng hiệu quả của các giải thuật bằng phương pháp

mô phỏng và thực nghiệm Từ đó rút ra những nhận xét giữa các kết quả thu được của các giải thuật khác nhau và rút ra những bài học kinh nghiệm

Chương 8: Kết luận về kết quả thu được của thuật toán MPPT cải tiến trên và hướng phá triển tiếp theo cho đề tài

to the life of the age of the year Finding the resources of create a redirection file (such as field win electric, field solar electric ) for the job to source of a power up

to depression to a family of manufacturing, living life

One in the applications of the solar exploited with a model dispersal that are

a use the solar electric for lighting with the Led source With requirement is the Led lamp can work (in the bad weather) from 2 - 3 days when the needless to solar With a request for the research of the referenced the MPPT base on fuzzy make to recover the maximum performance of the PV, algorithm of the MPPT improve simulation on MATLAB software and experiment After simulation to comparing results of the improved MPPT algorithm with MPPT P&O and MPPT Modifiedd P

& O algorithms in the same condition This theme is an bad researched the definition of the energy consumption for the led has been used with the mode dimming control of the Led lamp

The content and results achieved during the implementation of the document are summarized in the following programs:

Chapter 1: Introduce the total number of target points, list the research topics and discuss thematic topics for the topic, setting up the project "Led Solar Applications in Led Lighting."

Chapter 2: Thesis introduces the capacity and situation of using solar energy

in Vietnam and in the world, especially solar energy application in the lighting company community The time is found for the research before the issue of the issues of the text of the discussion text

Chapter 3: The main content of Chapter 3 is the presentation of theoretical backgrounds related to solar cell systems, alternative circuit diagrams, and solar cell related characteristics Proposing and constructing a PV collector for simulations is very similar to the empirical model, then simulating and collecting the voltage and

simulation results and experimental results

Chapter 4: Learn the traditional MPPT algorithm to learn more about the MPPT P & O algorithm, which will be used as a basis for MPPT improvement later

Chapter 5: Introduction to fuzzy logic, concepts of fuzzy sets, basic mathematical operations on fuzzy sets Learn about the structure and mode of operation of fuzzy control, then select the Mamdani fuzzy control model for the improved MPPT algorithm, used in simulation and experimentation

Chapter 6: Introduction to the application of solar energy in lighting systems using Led lights From the overall block diagram model to the theoretical bases related to improved MPPT algorithms to obtain better PV power There is also an introduction to dimming the lighting levels for the LEDs

Chapter 7: Present and verify the effectiveness of algorithms by simulation and experiment Then draw the comments between the results of different algorithms and draw lessons

Chapter 8: Conclusion on the results of the improved MPPT algorithm and subsequent development direction for the subject

Tôi xin cam đoan Luận văn là kết quả nghiên cứu của riêng tôi không sao chép của ai, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của Tiến sĩ Nguyễn Quang Nam Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Nội dung luận văn có tham khảo và sử dụng các tài liệu, thông tin được đăng tải trên các tác phẩm, tạp chí và các trang web có nguồn gốc rõ ràng theo danh mục tài liệu tham khảo của luận văn

Học viên thực hiện luận văn

Hà Quang Điện

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Giới thiệu chung 1

1.2 Mục đích của đề tài 3

1.3 Nhiệm vụ của đề tài 3

1.4 Phạm vi nghiên cứu 3

1.5 Nội dung đề tài 4

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN 5

2.1 Giới thiệu năng lượng mặt trời 5

2.2 Tình hình sử dụng năng lượng mặt trời trên thế giới 6

2.3 Tình hình năng lượng mặt trời tại Việt Nam 7

2.3.1 Tiềm năng năng lượng mặt trời 7

2.3.2 Triển vọng năng lượng mặt trời tại Việt Nam 9

2.4 Các nghiên cứu liên quan và điểm mới của đề tài 13

CHƯƠNG 3 HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI 16

3.1 Mô hình pin mặt trời [2] 16

3.2 Bộ biến đổi công suất DC/DC sử dụng trong hệ thống điện mặt trời 29

3.2.2 Bộ biến đổi giảm áp Buck [16] 30

3.2.2 Bộ chuyển đổi Boost (Bộ biến đổi tăng áp): 31

3.2.3 Bộ biến đổi buck-boost [18] 35

CHƯƠNG 4 THUẬT TOÁN MPPT 37

4.1 Phương pháp điện áp hằng số 37

4.2 Phương pháp độ dẫn INC (Incremental Conductance) 38

4.3 Phương pháp Hill climbing và P&O 40

4.4 Phương pháp fuzzy 43

5.1.1 Giới thiệu 46

5.1.2 Khái niệm về tập mờ 46

5.1.3 Toán học cơ bản trên tập mờ 47

5.2 Cấu trúc điều khiển mờ và điều khiển mờ (FLC) 51

5.1.1 Khâu mờ hóa 52

5.1.2 Cơ sở tri thức 52

5.1.3 Suy diễn mờ 54

5.3 Mô hình Mamdani 55

CHƯƠNG 6 ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TRONG HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG SỬ DỤNG ĐÈN LED 60

6.1 Sơ đồ khối tổng quan 60

6.2 Giải thuật MPPT cải tiến 61

6.2.1 Giải thuật P&O Modify: 61

6.2.2 Thuật toán Fuzzy P&O MPPT 63

6.3 Điều khiển đèn Led: 67

CHƯƠNG 7 KIỂM CHỨNG HIỆU QUẢ CỦA GIẢI THUẬT BẰNG MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 70

7.1 Xây dựng sơ đồ mô phỏng và kết quả 70

7.1.1 Giải thuật MPPT 70

7.1.2 LED Driver 85

7.2 Thiết kế thực nghiệm và kết quả 91

CHƯƠNG 8 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 102

8.1 Kết luận 102

8.2 Hướng phát triển đề tài 102

PV : Photovotaic

MPPT : Maximum power point tracking

DC/DC : DC power converter

CSP : Concentrating solar power

P&O : Pertub & Observe

IncCond : Thuật toán độ dẫn

FLC : Fuzzy logic controller

DC : Điện một chiều

AC : Điện xoay chiều

Pin MT : Pin mặt trời

NLMT : Năng lƣợng mặt trời

NOCT : Nhiệt độ làm việc danh định của cell

SCT : Điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn

COG : Center of Gravity

SEPIC : Single-ended primary inductor converter STC : Standard test condition,

VOC_STC : Open circuit voltage in standard test condition LCD : Liquid crystall display

CCS : Code composer studio

Tên hình Trang Hình 2.1: Bộ thu PV được sử dụng cấp điện cho chiếu sáng 6 Hình 2.2: Sự tăng trưởng tổng điện năng mặt trời theo các năm 6 Hình 2.3: Tình hình xây dựng các nhà máy điện mặt trời trong từ năm

Hình 2.5: Hình ảnh trụ đèn chiếu sáng sử dụng năng lượng mặt trời 10

Hình 3.3: Dòng điện hở mạch và điện áp ngắn mạch của pin quang điện 17 Hình 3.4: Mô hình thực tế của pin PV (khi có xét đến các tổn hao) 17 Hình 3.5: Đường đặc tính của P-V, khi chỉ xét ảnh hưởng bởi RS 18 Hình 3.6: Đường đặc tính của P-V, khi xét cả ảnh hưởng bởi RP và RS 19

Hình 3.12: Đặc tính của pin MT phụ thuộc vào bức xạ và nhiệt độ 22

Hình 3.16: Bảo vệ pin MT khi bị bóng râm bằng PP sử dụng diode phân

Hình 3.17: Đặc tuyến I - V, P -

Hình 3.18 Các điểm MPP dưới các điều kiện môi trường thay đổi 25

Hình 3.21: Cấu trúc mạch Buck 29

Hình 3.24: Dạng sóng điện áp và dòng điện trên cuộn dây L khi S đóng 32

Hình 3.26: Dạng sóng điện áp và dòng điện trên cuộn dây L khi S mở 33

Hình 4.1: Lưu đồ giải thuật MPPT dựa trên các điện áp hằng số 37

Hình 4.5: Đồ thị PV khi bức xạ thay đổi và quá trình tìm điểm cực đại

của phương pháp P&O

40

Hình 4.8: Hình dạng hàm liên thuộc ngõ vào của fuzzy MPPT 43

Hình 5.10: Mô tả lưu đồ suy diễn mờ Mamdani và kết quả giải mờ 56

Hình 6.1: Mô hình hệ thống đèn chiếu sáng Led sử dụng năng lượng mặt 58

Hình 6.3: Cấu trúc biến đầu vào và đầu ra điều khiển Fuzzy Logic 61

Hình 7.2: Thông số tấm pin được sử dụng trong mô phỏng 69

Hình 7.7: Đáp ứng P, V, D và V-I tải trong giải thuật P&O 71-72 Hình 7.8: Đáp ứng P, V, D và V-I tải trong giải thuật MP&O 73-74

Hình 7.10: Đáp ứng P, V, D và V-I tải trong giải thuật FP&O 77 Hình 7.11: So sánh đáp ứng P, V, D giữa 3 giải thuật 78-80

Hình 7.14: Đường đặc tính công suất của đèn Led ở chế độ Dimming 85

Hình 7.18: Đường đặc tính dòng điện của đèn Led ở chế độ Dimming 88 Hình 7.19: Tấm pin mặt trời và thông số sử dụng trong mạch thực

nghiệm

90

Hình 7.20: Sơ đồ nguyên lý và mạch layout mạch công suất 91

Hình 7.23: Vpv (màu xanh) IPV (màu đỏ) 95 Hình 7.24: Kết quả đo lường dòng điện và điện áp đầu ra từ tấm pin 96 Hình 7.25: Kết quả đo lường dòng điện và điện áp đầu ra từ tấm pin 98 Hình 7.26: Kết quả đo lường dòng điện và điện áp đầu ra từ tấm pin 99

DANH MỤC CÁC BẢNG TRONG LUẬN VĂN

Bảng 3.1: Tiềm năng mật độ NLMT trung bình năm và số giờ nắng theo

Bảng 4.1 Bảng cơ sở luật mờ của phương pháp fuzzy truyền thống 43

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

Trong chương “Mở đầu”, luận văn trình bày vì sao chọn và thực hiện đề tài, mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài Chương 1 cũng trình bày phạm vi và phương pháp nghiên cứu, nội dung và bố cục trình bày của luận văn

1.1 Giới thiệu chung

Với sự phát triển của xã hội, tốc độ đô thị hóa ngày càng cao, các hạng mục

hạ tầng kỹ thuật phục vụ cho sự phát triển của đô thị ngày càng lớn về cả số lượng cũng như quy mô công trình Trong các hạng mục hạ tầng kỹ thuật, chiếu sáng - đặc biệt là chiếu sáng công cộng - là một hạng mục không thể thiếu trong tổng thể các hạng mục hạ tầng đô thị Chiếu sáng công cộng, chiếu sáng giao thông đảm bảo an toàn cho các phương tiện, con người tham gia giao thông khi về đêm đồng thời cũng tăng cường trật tự an ninh xã hội khu vực dân cư dọc hai bên tuyến đường và

cư dân trong khu vực

Hiện nay, hầu hết các nguồn điện cấp cho hệ thống chiếu sáng đều được lấy

từ các nguồn năng lượng truyền thống như nhiệt điện, thủy điện Trong khi đó, với sự phát triển của xã hội dẫn đến nhu cầu sử dụng năng lượng ngày một tăng, nhưng nguồn năng lượng hóa thạch có hạn và ngày càng cạn kiệt, dẫn đến việc tìm nguồn năng lượng mới để thay thế là vấn đề cấp bách Vì vậy việc giải quyết bài toán về năng lượng cấp nguồn riêng cho hệ thống chiếu sáng cũng là một giải pháp góp phần giải quyết bài toán chung cho hệ thống năng lượng trên thế giới

Từ nhu cầu thực tiễn trên việc nghiên cứu ứng dụng hệ thống độc lập bao gồm: một nguồn năng lượng mới (năng lượng mặt trời) cấp nguồn trong hệ thống chiếu sáng công cộng là hết sức cần thiết, đặc biệt đối với những khu vực vùng sâu, vùng xa, những khu vực mang tính chất an ninh, quốc phòng khi mà phương án kéo lưới điện quốc gia tới gặp khó khăn thì phạm vi ứng dụng của nghiên cứu lại càng được đánh giá cao

Năng lượng mặt trời thu được thông qua bộ thu PV (Photovoltaic) còn thấp, phần lớn năng lượng bị phản chiếu ra ngoài hoặc trở thành nhiệt làm nóng bộ thu

dẫn đến công suất phát ra từ bộ thu PV càng bị suy giảm Đặc biệt, do đường đặc tính V-I của bộ thu PV là phi tuyến tính và luôn thay đổi khi có sự thay đổi lượng bức xạ nhận được từ mặt trời và nhiệt độ của bộ thu PV, dẫn đến việc xác định và khai thác công suất cực đại (MPP) từ bộ thu PV gặp khá nhiều khó khăn Mặt khác, chi phí đầu tư cho thiết bị chuyển đổi từ năng lượng này vẫn còn khá cao, và hiệu suất chuyển đổi vẫn còn thấp nên việc khai thác tối đa công suất mà bộ thu PV có thể cung cấp được đóng vai trò vô cùng quan trọng

Đối với đèn Led chiếu sáng, việc không khai thác được công suất tối đa bộ

PV thu được mà vẫn phải đảm bảo thời gian và cường độ chiếu sáng theo yêu cầu sẽ dẫn đến việc phải tăng kích thước của tấm PV để thu được công suất lớn hơn Điều này sẽ làm tăng giá thành của hệ thống và gây lãng phí

Hiện nay, có nhiều thuật toán MPPT thực hiện chức năng tìm điểm MPP từ

cổ điển cho đến thông minh, trong đó thuật toán MPPT trên nền fuzzy (MPPT_fuzzy) được nhiều chú ý vì khả năng đáp ứng khi điều kiện môi trường thay đổi và hiệu suất ở trạng thái xác lập tốt hơn so với những thuật toán MPPT cổ điển nên việc nghiên cứu cải tiến cho thuật toán này là rất quan trọng

Ngoài ra theo tính đặc thù chung và cũng như thực tế vận hành hiện nay của

hệ thống chiếu sáng công cộng, khi mà đêm về khuya mật độ giao thông giảm, cường độ chiếu sáng không cần phải cao như buổi tối Vì vậy việc nghiên cứu điều chỉnh chế độ sáng của đèn Led ứng với các thời điểm khác nhau cũng là cần thiết góp phần tiết kiệm điện năng, nâng cao tuổi thọ cho hệ thống

Từ nhu cầu trên, việc thiết kế thuật toán MPPT cải tiến và nghiên cứu chế độ điều khiển nhiều cấp chiếu sáng của đèn Led là rất cấp thiết, đề tài này cải tiến thuật toán MPPT trên nền fuzzy giúp hệ thống PV có thể thu được năng lượng cực đại và đáp ứng tốt hơn khi có sự thay đổi điều kiện của môi trường xung quanh đồng thời nghiên cứu chế độ điều khiển nhiều cấp chiếu sáng của đèn Led được đề xuất

Hiện nay phần mềm MATLAB là một công cụ rất mạnh trong việc mô phỏng, tính toán, do đó luận văn đề xuất sử dụng phần mềm MATLAB để hỗ trợ

thực hiện đề tài dựa trên thuật toán điều khiển MPPT như P&O, fuzzy MPPT, Modified P&O MPPT và điều khiển nhiều cấp chiếu sáng của đèn Led

1.2 Mục đích của đề tài

Từ một mô hình ứng dụng thực tế của năng lượng mặt trời trong hệ thống chiếu sáng sử dụng Led Tìm hiểu thuật toán MPPT từ truyền thống đến thông minh, bộ biến đổi công suất, bộ thu PV làm cơ sở để cải tiến thuật toán MPPT như Modified P&O MPPT, Fuzzy P&O MPPT để thu được công suất tốt hơn Sau đó so sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm của thuật toán MPPT cải tiến với các thuật toán MPPT truyền thống trước đó Tìm hiểu nghiên cứu chế độ điều khiển nhiều cấp chiếu sáng của đèn Led

1.3 Nhiệm vụ của đề tài

- Tìm hiểu phân tích và nghiên cứu mô hình ứng dụng năng lượng mặt trời trong chiếu sáng sử dụng đèn Led

- Tìm hiểu, mô phỏng bộ thu PV trên nền MATLAB/Simulink

- Tìm hiểu các thuật toán MPPT từ truyền thống đến nay từ đó làm cơ sở cải tiến thuật toán MPPT để thu được kết quả tốt hơn cho hệ thống Mô phỏng các thuật toán trên nền MATLAB/Simulink hoặc tương đương sau đó so sánh kết quả với nhau và với các nghiên cứu trước đó

- Tìm hiểu, mô phỏng bộ biến đổi DC/DC cho bộ LED’s driver với tính năng có thể điều khiển nhiều mức công suất của Led

- Viết code và làm mô hình thực nghiệm để kiểm chứng MPPT cải tiến

- Kết luận và rút ra bài học kinh nghiệm

1.4 Phạm vi nghiên cứu

Với mục đích cải tiến thuật toán MPPT để tăng khả năng đáp ứng và cho thời gian ổn định sau khi điều kiện môi trường thay đổi là ngắn nhất để thu được lượng công suất là nhiều nhất Đồng thời nghiên cứu chế độ sáng nhiều cấp của đèn Led

Từ đó làm cơ sở ứng dụng vào thực tế cho việc lựa chọn kích thước, công suất của

bộ PV được phù hợp hơn, tiết kiệm hơn

Do kiến thức và thời gian thực hiện còn hiều hạn chế nên nội dung nghiên cứu chỉ tập trung vào phần cải tiến thuật toán MPPT và chế độ điều khiển nhiều cấp chiếu sáng của đèn Led, chưa xem xét đến hiệu suất của bộ biến đổi công suất DC/DC và đặc tính nạp của Accu

1.5 Nội dung đề tài

Trên cơ sở những mục tiêu và nhiệm vụ đề tài đề ra, đề tài “Ứng dụng năng lượng mặt trời trong hệ thống chiếu sáng sử dụng Led” gồm các nội dung chính như sau:

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Giới thiệu về năng lượng mặt trời và các nghiên cứu liên quan

Chương 3: Hệ thống Pin mặt trời

Chương 4: Thuật toán MPPT

Chương 5: Giới thiệu về Fuzzy Logic

Chương 6: Ứng dụng năng lượng mặt trời trong chiếu sáng sử dụng Led

Chương 7: Kiểm chứng hiệu quả của giải thuật bằng mô phỏng và thực nghiệm

Chương 8: Kết luận

Chương 1 đã giới thiệu tổng quan về mục đích, nhiệm vụ của luận văn cũng như phương pháp nghiên cứu và giới hạn Với nhiệm vụ chính là cải tiến thuật toán MPPT để thu được công suất tốt hơn so với các thuật toán truyền thống và tìm hiểu chế độ điều khiển chiếu sáng nhiều cấp

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ

CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN

Nội dung chính chương 2 của luận văn là giới thiệu về năng lượng mặt trời cũng như tiềm năng và tình hình sử dụng năng lượng mặt trời ở Việt Nam và trên thế giới, đặc biệt là việc ứng dụng năng lượng mặt trời trong chiếu sáng công cộng Đồng thời tìm hiểu những nghiên cứu trước đây nêu ra những vấn đề còn hạn chế

và hướng giải quyết của luận văn

2.1 Giới thiệu năng lượng mặt trời

Năng lượng tái tạo là năng lượng từ các nguồn tài nguyên được bổ sung liên tục và không bị cạn kiệt, như năng lượng mặt trời, thủy điện, gió, địa nhiệt, đại dương và sinh học Đây là một nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm không khí, và không “đóng góp” vào sự nóng lên của khí hậu toàn cầu cũng như hiệu ứng nhà kính

Năng lượng tái tạo chính là các nguồn năng lượng tự nhiên nên chi phí nhiên liệu và bảo dưỡng thấp Tuy nhiên, một hạn chế chung cho tất cả các nguồn NLTT

là rất khó khăn để sản xuất ra một sản lượng điện lớn, đồng thời chi phí đầu tư ban đầu cho hệ thống thường rất lớn do công nghệ của chúng hiện nay còn khá mới

Có thể thấy, mặt trời là nguồn năng lượng phong phú, xanh, sạch, thân thiện với môi trường Hiện nay nguồn năng lượng này đang được áp dụng nhiều và ngày càng phát triển nhưng vẫn chỉ ở quy mô nhỏ do vẫn còn một số hạn chế như đã phân tích ở trên Tuy nhiên chi phí đầu tư ban đầu cho hệ thống nguồn năng lượng này đang được giảm nhanh chóng do công nghệ ngày càng phát triển, hiện đại

Lượng bức xạ mặt trời nhận được phụ thuộc vào vị trí địa lý, càng gần xích đạo lượng bức xạ nhận được lớn hơn Hệ thống bám theo giúp khai thác năng lượng mặt trời nơi có vị trí địa lý xa đường xích đạo

Năng lượng thu được từ mặt trời có thể là nhiệt năng hoặc điện năng Chuyển đổi trực tiếp ánh sáng mặt trời sang điện năng bằng bộ thu PV Năng lượng nhiệt thu được bằng hệ thống tập trung năng lượng mặt trời

Bộ thu PV là thiết bị chuyển đổi ánh sáng sang dòng điện nhờ vào hiệu ứng quang điện Minh họa sơ đồ cấp điện cho đèn chiếu sáng sử dụng bộ thu PV nhƣ hình 2.1

Hình 2.1: Bộ thu PV được sử dụng cấp điện cho chiếu sáng

2.2 Tình hình sử dụng năng lƣợng mặt trời trên thế giới

Số lƣợng PV lắp đặt trên toàn cầu không ngừng tăng lên mỗ năm từ 1990 đến 2016 Trong 2015, dung lƣợng dự án lắp đặt 55,000MW Dữ liệu từ EPIA (European Photovoltaic Industry Association)

Hình 2.2: Sự tăng trưởng tổng điện năng mặt trời theo các năm

Hình 2.3: Tình hình xây dựng các nhà máy điện mặt trời trong từ năm 2001-2015

Như hình 2.2 và hình 2.3, tổng dung lượng năng lượng đang được sử dụng trên toàn cầu tăng lên mỗi năm gần như là hàm mũ

2.3 Tình hình năng lượng mặt trời tại Việt Nam

2.3.1 Tiềm năng năng lượng mặt trời

Việt Nam nằm trong vành đai nhiệt đới có vĩ độ từ 8 đến 23 độ Bắc nên có năng lượng bức xạ mặt trời (NLMT) khá lớn Tuy nhiên tuỳ thuộc vào điều kiện tự nhiên mà NLMT có sự biến đổi từ vùng này sang vùng khác

Vùng Đông Bắc là khu vực chịu ảnh hưởng mạnh nhất của gió mùa Đông Bắc lạnh và ẩm nên NLMT thấp nhất cả nước Mật độ NLMT biến đổi trong khoảng từ

250 đến 400 cal/cm2 ngày Số giờ nắng trung bình cả năm trong khoảng 1600 đến

1900 giờ

Vùng Tây Bắc gồm các tỉnh Lai Châu, Sơn La, Lào Cai, và vùng Bắc Trung

Bộ có NLMT khá lớn Mật độ NLMT biến đổi trong khoảng từ 300 đến 500 cal/cm2.ngày Số giờ nắng trung bình cả năm khoảng 1800 đến 2100 giờ

Đặc điểm chung của bức xạ mặt trời ở miền Bắc là có sự thay đổi rất rõ rệt giữa mùa Đông (tháng 12, 1, 2) và mùa Hè (tháng 5, 6, 7, 8) NLMT về mùa hè nói chung lớn gấp 1,5 đến 2 lần so với mùa Đông

Từ Đà nẵng trở vào NLMT rất tốt và phân bố tương đối điều hoà trong suốt cả năm Mật độ NLMT biến đổi trong khoảng từ 350 đến 500 cal/cm2.ngày Số giờ nắng trung bình cả năm trong khoảng 2000 đến 2600 giờ Đây là khu vực ứng dụng NLMT rất hiệu quả [5]

Bảng 3.1: Tiềm năng mật độ NLMT trung bình năm và số giờ nắng theo tiểu

khu vực (Nguồn VNL)

NLMT trung bình

năm (kcal/cm2.năm)

Số giờ nắng trung bình năm (giờ/năm)

những quốc gia như Ý, Tây Ban Nha, và California hay Trung Quốc hoặc Thái Lan

Hình 2.4: Bản đồ mức bức xạ trung bình/ngày

2.3.2 Triển vọng năng lượng mặt trời tại Việt Nam

Ở Việt Nam, với sự hỗ trợ của nhà nước (các bộ, ngành) và một số tổ chức quốc tế đã thực hiện thành công việc xây dựng các trạm pin mặt trời có công suất khác nhau phục vụ nhu cầu sinh hoạt và văn hóa của các địa phương vùng sâu, vùng

xa, các công trình nằm trong khu vực không có lưới điện Tuy nhiên hiện nay pin mặt trời vẫn đang còn là món hàng xa xỉ đối với các nước còn đang gặp nhiều khó khăn như nước ta

Đi đầu trong việc phát triển ứng dụng này là ngành bưu chính viễn thông Các trạm pin mặt trời phát điện sử dụng làm nguồn cấp điện cho các thiết bị thu phát sóng của các bưu điện lớn, trạm thu phát truyền hình thông qua vệ tinh Ở ngành bảo đảm hàng hải, các trạm pin mặt trời phát điện sử dụng làm nguồn cấp

điện cho các thiết bị chiếu sáng, cột hải đăng, đèn báo sông Trong ngành công nghiệp, các trạm pin mặt trời phát điện sử dụng làm nguồn cấp điện dự phòng cho các thiết bị điều khiển trạm biến áp 500kV, thiết bị máy tính và sử dụng làm nguồn cấp điện nối với điện lưới quốc gia Trong sinh hoạt của các hộ gia đình vùng sâu, vùng xa, các trạm pin mặt trời phát điện sử dụng để thắp sáng, nghe đài, xem vô tuyến Trong ngành giao thông đường bộ, các trạm pin mặt trời phát điện dần được

sử dụng làm nguồn cấp điện cho các cột đèn đường chiếu sáng

Cuối 2014, ở Việt Nam có khoảng 15,000 ứng dụng PV không nối lưới với tổng dung lượng 3,600kWp, hầu hết lớn hơn 200Wp và vài trong số đó lớn hơn 1kWp Trong đó có 5000 hệ thống nhà mặt trời (SHS) với dung lượng 200Wp, 2.100 hệ thống thông tin liên lạc và BTS (300~400Wp), lớn hơn 1000 là hệ thống

PV loại nhỏ (20~100Wp), và 2000 ứng dụng cho hệ thống đèn công cộng (50~250Wp) được lắp đặt dọc theo đường và đường cao tốc

Hệ thống PV với dung lượng lớn như: dự án làng Bài Hương ở Cù Lao Chàm (28kWp +20kW DG), và các dự án khác là ở Mang Yang Tây Nguyên tỉnh Gia Lai (100kWp PV + 24kWp thủy điện) Có khoảng 50 dự án kết hợp trên các đảo và đồn hải quân Tất cả dự án này được vận hành chung với EVN và hải quân Việt Nam là nhà đầu tư chính và người sử dụng năng lượng từ hệ thống này

Với hệ thống kết nối lưới có dung lượng nhỏ hơn, như hệ thống PV Intel Corporation (220kWp), BigC (200kWp), hội trường quốc gia ở Hà nội (154kWp), tòa nhà UBND ở Hà Nội (119kWp) hay Quốc hội ở Hà nội (50kWp) Không có hệ thống PV nào có dung lượng lớn ở dưới đất Tuy nhiên có những thông báo gần đây

về việc lắp đặt nhà máy điện PV Theo báo cáo phương tiện truyền thông từ 01/2015, nhà máy PV 30MWp với khối lượng đầu tư 60 triệu USD và nối lưới ở Quảng Ngãi Viêt Nam Theo báo cáo truyền thông 03/2015, công ty năng lượng Nga vơi sự đầu tư của Việt Nam và Singapo 140 triệu USD

Một số công trình điện mặt trời đã được ứng dụng cho hệ thống đèn công cộng được lắp đặt dọc theo đường và đường cao tốc ở nước ta trong giai đoạn vừa qua và cũng trong những giai đoạn tới, có thể được kể đến như sau [5]:

+ Hệ thống chiếu sáng công cộng "chiếu sáng xanh" cho các xã nghèo (xã Hồng Sơn, xã Hàm Phú, xã Hàm Chính) miền núi tỉnh Bình Thuận với tổng

300 trụ

+ Hệ thống đèn chiếu sáng sử dụng năng lượng mặt trời các tuyến đường tại Vùng 4 Hải Quân, Cam Ranh với tổng số lượng khoảng 1.600 bộ với yêu cầu mỗi trụ đèn có thể thắp sáng 2 đến 3 ngày trong điều kiện mưa bão không có năng lượng mặt trời

Hình 2.5: Hình ảnh trụ đèn chiếu sáng sử dụng năng lượng mặt trời

Về cơ chế, chính sách:

Ngày 21 tháng 7 năm 2011 thủ tướng chính phủ đã thông qua và ra Quyết định

số 1208/QĐ-TTg về việc phê duyệt “Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011-2020 có xét đến năm 2030”, trong đó, NLTT lần đầu tiên có vị trí chính

thức trong thị trường điện Việt nam, với các điểm trọng tâm liên quan đến ứng dụng NLTT và NLMT:

+ Nhu cầu điện các năm 2015, 2020 và 2030 được dự báo lần lượtlà 194-210 tỷ kWh, 330-362 tỷ kWh và 695-834 tỷ kWh

+ Ưu tiên NLTT trong sản xuất điện, đưa thị phần điện từ NLTT từ 3.5% năm

2010 lên 4.5% năm 2020 và 6.0% vào năm 2030

+ Đẩy nhanh tiến độ chương trình điện khí hoá nông thôn nhằm đạtmục tiêu gần 100% hộc gia đình nông thôn có điện vào năm 2020

Từ các điểm trên, ta thấy được sản lượng điện yêu cầu cần có được từ các nguồn NLTT vào năm 2020 khoảng 16 tỷ kWh và vào năm 2030 khoảng 50 tỷ kWh

+ Cơ chế hạn ngạch: Chính phủ qui định bắt buộc các đơn vị sản xuất (hoặc tiêu thụ) phải đảm bảo một phần lượng điện sản xuất/tiêu thụ từ nguồn NLTT, nếu không sẽ phải chịu phạt hoặc có chế tài hợp lý Cơ chế này có ưu điểm là sẽ tạo ra một thị trường cạnh tranh giữa các công nghệ NLTT, nhờ

đó làm giảm giá thành sản xuất NLTT

+ Cơ chế giá cố định: Chính phủ định mức giá cho mỗi kWh sản xuất ra từ NLTT, định mức giá có thể khác nhau cho từng công nghệ NLTT khác nhau Thông thường là định mức giá này cao hơn giá điện sản xuất từ các dạng NL hoá thạch, do đó sẽ khuyến khích và đảm bảo lợi ích kinh tế cho NLTT Chính phủ tài trợ cho cơ chế giá cố định từ nguồn vốn nhà nước hoặc buộc các đơn vị sản xuất, truyền tải phải mua hết điện từ nguồn NLTT Cơ chế này giảm thiểu những rủi ro cho các nhà đầu tư vào NLTT Với giá cố định

đặt ra khác nhau cho các dạng NLTT, Chính phủ có thể khuyến khích đầu tư vào các công nghệ NLTT cần phát triển với các mục tiêu khác nhau

+ Cơ chế đấu thầu: Chính phủ sẽ đề ra các tiêu chí đấu thầu cạnh tranh, có thể riêng cho từng loại công nghệ NLTT Danh sách các dự án NLTT sẽ được lựa chọn từ thấp đến cao cho đến khi thoả mãn mục tiêu phát triển đặt ra cho từng loại NLTT và được công bố Sau đó Chính phủ, hoặc cơ quan quản lý được uỷ quyền sẽ buộc các đơn vị sản xuất điện bao tiêu sản lượng từ các dự

án trúng thầu (có hỗ trợ bù giá)

+ Cơ chế cấp chứng chỉ: Với cơ chế này có thể là chứng chỉ sản xuất, hoặc chứng chỉ đầu tư, hoạt động theo nguyên tắc cho phép các đơn vị đầu tư vào NLTT được miễn thuế sản xuất cho mỗi kWh, hoặc khấu trừ vào các dự án đầu tư khác

Tuy hiện nay ở nước ta chưa có cơ chế, chế độ chính sách rõ ràng cho phát triển hệ thống NLTT Tuy nhiên, theo Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011-2020 có xét đến năm 2030 đã được chính phủ ban hành cùng với các cơ chế chính sách đang được các bộ ban ngành, các cơ quan chuyên môn soạn thảo đề xuất với chính phủ đối với các nguồn NLTT nói chung và NLMT nói riêng, thì triển vọng phát triển NLMT ở Việt Nam là đầy tiềm năng và cũng chiếm một tỷ trọng đáng kể trong tổng các nguồn năng lượng trong tương lai

2.4 Các nghiên cứu liên quan và điểm mới của đề tài

Việc sử dụng năng lượng tái sinh, năng lượng mặt trời phục vụ cấp điện cho cuộc sống của con người ngày càng trở thành một xu hướng và cần thiết Trong đó việc ứng dụng năng lượng pin mặt trời để phục vụ cho chiếu sáng giao thông là một giải pháp hữu hiệu trong việc ứng dụng năng lượng mặt trời vào cuộc sống của chúng ta Đặc biệt là với một số khu vực, công trình đặc thù việc sử dụng pin năng lượng mặt trời còn đòi hỏi phải đảm bảo thắp sáng cho đèn được từ 2 đến 3 ngày trong các điều kiện thời tiết xấu không có năng lượng mặt trời Do vậy việc cải

thiện hiệu suất của bộ pin mặt trời để đáp ứng được các yêu cầu trên là hết sức cần thiết

Để đánh giá hiệu suất năng lượng thu được từ mặt trời, ta cần xem xét hai vấn đề Một là, do sự tác động của thời tiết, tức là bức xạ và nhiệt độ của môi trường Hai là mức độ hiệu quả của bộ chuyển đổi công suất DC/DC Điều hiển nhiên, ta không thể điều khiển được thời tiết và môi trường Do đó, bộ chuyển đổi DC/DC phải được điều khiển một cách hiệu quả để năng lượng thu được là nhiều nhất Hiện nay, có nhiều thuật toán MPPT từ cổ điển đến thông minh để thu được tối ưu công suất cho hệ thống PV

Phương pháp cổ điển P&O (Pertub & Observe) là giải thuật cơ bản và khá phổ biến, hoạt động bằng cách so sánh công suất P(k) chu kỳ này với công suất P(k-1) ở chu kỳ trước, và sau đó quyết định giá trị ± ∆Vref(k), tính toán áp điều khiển tham chiếu Vref(k) = Vref(k-1) ± ∆Vref(k) để điều khiển bộ biến đổi công suất, nhưng phương pháp này hiệu quả không cao đo đáp ứng chậm và luôn dao động xung quanh điểm MPP do ∆Vref(k) có giá trị không đổi, dẫn đến lãng phí năng lượng mà bộ thu PV có thể cung cấp, khắc phục hạn chế của P&O cổ điển là điều chỉnh giá trị ∆Vref(k) phù hợp để tiến đến MPP nhanh chóng và đủ nhỏ để giảm dao động xung quanh MPP

Ngoài ra còn có rất nhiều thuật toán khác như Isc, Voc, INC để khai thác được điểm tối ưu MPP của pin mặt trời Tuy nhiên, mỗi giải pháp đều có những ưu nhược điểm khác nhau và độ chính xác hay tính đáp ứng cũng khác nhau

Logic mờ (fuzzy logic) hoặc Modified P&O cũng có thể điều khiển tốt đặc tính phi tuyến P-V của bộ thu PV cho thấy rằng thuật toán fuzzy P&O MPPT hay Modified P&O MPPT đáp ứng và dạng sóng ngõ ra tốt hơn, khắc phục những hạn chế của phương pháp cổ điển trước đó nhưng đáp ứng ngõ ra trễ so với độ sự thay đổi của điều kiện môi trường xung quanh

Để cải thiện hạn chế trên, luận văn đề xuất thuật toán Modified P&O MPPT

và fuzzy P&O MPPT sẽ cho đáp ứng tốt hơn thuật toán P&O MPPT

Trong chương 2, luận văn đã giới thiệu về năng lượng mặt trời, tiềm năng và tình hình sử dụng năng lượng mặt trời ở Việt Nam và trên thế giới Kế đó là những nghiên cứu liên quan và hạn chế và cách khắc phục.

CHƯƠNG 3 HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI

Nội dung chính chương 3 của luận văn là trình bày các cơ sở lý thuyết liên quan đến hệ thống pin mặt trời Đó là mô hình pin mặt trời, các sơ đồ mạch điện thay thế, các đường đặc tính quan hệ của pin MT

3.1 Mô hình pin mặt trời

Pin quang điện sử dụng chất bán dẫn để biến đổi ánh sáng thành điện năng

Kỹ thuật chế tạo pin MT rất giống với kỹ thuật tạo ra các linh kiện bán dẫn như transistor, diode … Nguyên liệu dùng làm pin MT cũng giống như các linh kiện bán dẫn khác thông thường là tinh thể silicon thuộc nhóm IV

Có thể nói pin MT là sự ngược lại của diode quang Diode quang nhận điện năng tạo thành ánh sáng, thì ngược lại pin MT nhận ánh sáng tạo thành điện năng

Mô hình đơn giản hóa của pin MT hình 3.1

Hình 3.1: Nguyên lý hoạt động pin quang điện

3.1.1 Sơ đồ mạch điện thay thế của pin PV

a.1 Sơ đồ mạch điện đơn giản hóa

Mạch điện

Lớp phủ chống phản xạ

Điện cực n-Si p-Si

Điện cực

Hình 3.2: Sơ đồ mạch điện đơn giản hóa của pin MT

Đối với pin quang điện hai thông số quan trọng của PV đó là dòng điện ngắn mạch ISC và điện áp hở mạch VOC

(a) Dòng điện ngắn mạch (b) Điện áp hở mạch

Hình 3.3: Dòng điện hở mạch và điện áp ngắn mạch của pin quang điện

Từ hình 3.3, sử dụng định luật Kirchhoff, ta đƣợc:

IPV = IGC - IDhay:

và:

Với:

A/cm2 q: Điện tích electron = 1,602 x 10-19 C

I

I q

kT

k: hằng số Boltzmann’s = 1,381 x 10-13 J/K

T: Nhiệt độ tuyệt đối (K)

Nếu xét ở điều kiện tiêu chuẩn 25oC, ta sẽ có công thức:

I = ISC – IO x (e38,9V – 1)

a.2 Sơ đồ mạch điện khi có xét đến các tổn hao

Cũng như diode, pin PV trong thực tế luôn có tổn hao, đặc trưng cho sự tổn hao này là các thông số RS và RP

Hình 3.4: Mô hình thực tế của pin PV (khi có xét đến các tổn hao)

Với:

RS: Là điện trở series của PV

Các đường đặc tính cơ bản của pin PV:

I

I V

Hình 3.5: Đường đặc tính của P-V, khi chỉ xét ảnh hưởng bởi R S

Các công thức của pin PV khi xét ảnh hưởng của cả RS và RP:

P

d kFT

eV O GC PV

R

V e

I I

Trong đó dòng điện IGC của hệ thống PV phụ thuộc vào cường độ bức xạ mặt trời và nhiệt độ của cell, được thể hiện qua công thức:

IGC = [µSCx(Tc - Tr) + ISC]xG Với:

µSC: Hệ số nhiệt độ của cell tương ứng với dòng ngắn mạch

Tr: Nhiệt độ tương ứng của cell (ở điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn)

ISC: Dòng điện ngắn mạch của cell tại điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn (ở 250C và 1kW/m2)

G: Cường độ bức xạ của mặt trời (kW/m2

)

Dòng điện bão hòa của cell phụ thuộc vào nhiệt độ được thể hiện:

Với:

chiếu sáng và nhiệt độ đang xét

VOC: Điện áp hở mạch của cell

b Module PV

Một trở ngại của pin MT là điện áp và dòng điện làm việc rất nhỏ Một pin

MT có điện áp làm việc khoảng 0,6V Do đó muốn có điện áp làm việc cao đòi hỏi phải mắc nối tiếp các pin PV lại, muốn có dòng điện làm việc lớn phải mắc song song Một mô hình thông thường để có điện áp 12Vdc, ta phải mắc nối tiếp 36 pin

r

c O

T

T I I

1 1 3

SC O

PV Ngoài ra có một số mô hình 12Vdc chỉ cần 33 pin PV

Hình 3.7: Module PV

Đường đặc tính của Module PV:

Hình 3.8: Đường đặc tính của Module PV

Điện áp của module PV: VModule = nVd – IRS

Với n: Số pin mắc nối tiếp

4 pin mắc nối tiếp

36 pin

36 pin x 0,6V = 21,6V

21,6V

(3.9)

ỨNG DỤNG NLMT TRONG HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG SỬ DỤNG LED Trang 22

yêu cầu sử dụng mà có thể kết hợp các Module PV theo nhiều cách khác nhau

c.1 Nối tiếp nhiều Module PV để tăng điện áp

Hình 3.9: Nối nối tiếp nhiều module PV để tăng điện áp

c.2 Nối song song nhiều module PV để tăng dòng điện

Hình 3.10: Nối song song nhiều module PV để tăng dòng điện

ỨNG DỤNG NLMT TRONG HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG SỬ DỤNG LED Trang 23

Hình 3.11: Kết nối hỗn hợp để tăng áp và dòng

c.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ và bức xạ

Ngoài ra đặc tính của pin MT còn bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như cường

độ chiếu sáng, nhiệt độ, hiện tượng bóng râm …Cường độ chiếu sáng càng lớn, thì công suất thu được của pin MT càng lớn (dòng Isc càng lớn), nhiệt độ càng cao thì

VOC càng thấp Như hình minh họa 3.12

Hình 3.12: Đặc tính của pin MT phụ thuộc vào bức xạ và nhiệt độ

c.5 Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm

Hiện tượng bóng râm (pin MT bi che phủ một phần) gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu suất của pin MT Giả sử một pin MT trong một Array bị che

I

RS

RP

V +

Id1pin đầu bị

bóng râm

Hình 3.13: Hiện tượng một pin MT bị bóng râm

Đặc tính của toàn bộ Array (PV) sẽ bị thay đổi nghiêm trọng khi chỉ cần 1 pin bị bóng râm che nếu không có biện pháp bảo vệ Khi đó các đặc tính quan hệ đƣợc thể hiện trên hình 3-21

Hình 3.14: Đặc tính pin MT khi một pin bị bóng râm

Với:

P

IR n

I-V khi tất cả các pin đƣợc chiếu sáng

I-V khi 1 pin