Nâng cao hiệu suất làm việc của hệ thống điện mặt trời dựa trên điều khiển mô hình động

TÊN ĐỀ TÀI: Nâng cao hiệu suất làm việc của hệ thống điện mặt trời dựa trên điều khiển mô hình động NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Giới thiệu tổng quan về năng lượng điện mặt trời, đề xuất gi

Trang 2

Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Công nghiệp TP Hồ Chí Minh

Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Trung Nhân

Người phản biện 1: PGS TS Trương Đình Nhơn

Người phản biện 2: TS Nguyễn Nhật Nam

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh ngày 5 tháng 7 năm 2020

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

1 PGS TS Trương Việt Anh - Chủ tịch Hội đồng

2 PGS TS Trương Đình Nhơn - Phản biện 1

3 TS Nguyễn Nhật Nam - Phản biện 2

4 TS Bạch Thanh Quý - Ủy viên

5 TS Trần Thanh Ngọc - Thư ký

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN

Trang 3

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Hồ Ngọc Linh Sơn MSHV: 16083381

Ngày, tháng, năm sinh: 03/09/1993 Nơi sinh: Ninh Thuận

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Mã chuyên ngành: 60520202

I TÊN ĐỀ TÀI:

Nâng cao hiệu suất làm việc của hệ thống điện mặt trời dựa trên điều khiển mô hình động

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Giới thiệu tổng quan về năng lượng điện mặt trời, đề xuất giải pháp để điều khiển tối

ưu biến tần dùng trong hệ thống điện mặt trời khi các thông số vận hành thay đổi

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 2660/QĐ-ĐHCN ngày 11/12/2018

III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 15/3/2020

IV NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TIẾN SĨ NGUYỄN TRUNG NHÂN

Tp Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 3 năm 2020

Trang 4

i

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, em xin tỏ lòng biết ơn và gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy TS Nguyễn Trung Nhân Người thầy đã trực tiếp hướng dẫn và tận tình chỉ bảo em trong suốt thời gian nghiên cứu, tìm kiếm tài liệu và giải quyết các vấn đề trong qua trình nghiên cứu

đề tài của em, nhờ đó mà em mới có thể hoàn thành được bài luận văn của mình Tiếp theo em cảm ơn các quý thầy, cô trong khoa kỹ thuật điện và sau đại học đã quan tâm, góp ý và hộ trợ em trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành bài luận văn của mình Cuối cùng em xin cảm ơn sâu sắc đến mẹ và các người thân trong gia đình đã tạo điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình em theo học khóa thạc sĩ kỹ thuật điện tại trường

Trang 5

ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Trong bài luận văn này phần đầu sẽ trình bày về tình hình năng lượng của toàn cầu và tình hình sử dụng của năng lượng mặt trời, khái niệm và công nghệ chế tạo của pin quang điện Phần tiếp theo sẽ đưa các mô hình toán của một pin quang điện và khảo sát

sự ảnh hưởng của các mô hình toán này trên phần mềm MATLAB Cuối cùng đưa ra

mô hình tối ưu nhất kết hợp sử dụng phương pháp đề xuất để nâng cao hiệu suất của hệ thống điện mặt trời khi các thông số bên ngoài pin quang điện luôn linh động thay đổi

Trang 6

iii

ABSTRACT

In this essay, the first section will discuss the global energy situation and the situation

of solar power usage, the concept and manufacturing technology of photovoltaic cells The next section will show the mathematical models of a photovoltaic cell and examine the influence of these mathematical models on MATLAB software Finally, the most optimal model combined with the proposed method to improve the efficiency of the solar power system when the parameters outside the photovoltaic cells always changing dynamically

Trang 7

iv

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tôi Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Học viên

Hồ Ngọc Linh Sơn

Trang 8

1.2 Xu hướng và hiện trạng sử dụng năng lượng mặt trời vào hệ thống quang điện 8

Trang 9

vi

1.3.3 Mô hình hóa ánh sáng mặt trời và các tế bào quang điện 14

2.3 Mô hình toán có tính đến điện trở mối nối và điện trở shunt 21

CHƯƠNG 3 KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CẤU TRÚC

3.3 Mô hình có tính đến điện trở mối nối và điện trở shunt 35

4.3 Mô hình điều khiển động cho hệ thống điện mặt trời 57

Trang 11

viii

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Ước tính tỷ lệ năng lượng tái tạo của tổng mức tiêu thụ năng lượng năm 2016

[10] 5

Hình 1.2 Tăng trưởng năng lượng tái tạo toàn cầu so với tổng mức tiêu thụ năng lượng, giai đoạn 2005-2015 [10] 6

Hình 1.3 Công suất pin mặt trời toàn cầu được bổ sung hàng năm, 2007-2017 [10] 9

Hình 1.4 Công suất pin mặt trời toàn cầu PV, theo quốc gia hoặc khu vực, 2007-2017 [10] 10

Hình 1.5 Công suất và công suất bổ sung của điện mặt trời của 10 quốc gia hàng đầu trong năm 2017 [10] 11

Hình 1.6 Bức xạ mặt trời và phơi nắng 12

Hình 1.7 Sơ đồ hiệu suất của silicon đơn tinh thể 13

Hình 2.1 Mạch tương đương lý tưởng của pin mặt trời 16

Hình 2.2 Mạch tương đương của pin mặt trời với 𝑅𝑠 17

Hình 2.3 Mạch tương đương của pin mặt trời với điện trở mối nối 𝑅𝑠 và điện trở shunt 𝑅𝑝 21

Hình 3.1 Đặc tính I-V của mô hình lý tưởng khi G thay đổi 25

Hình 3.2 Đặc tính P-V của mô hình lý tưởng khi G thay đổi 26

Hình 3.3 Đặc tính I-V của mô hình lý tưởng khi T thay đổi 27

Hình 3.4 Đặc tính P-V của mô hình lý tưởng khi T thay đổi 28

Trang 12

ix

Hình 3.5 Đặc tính I-V của mô hình có ảnh hưởng của điện trở mối nối (Rs=Rsmax) khi G

thay đổi 29Hình 3.6 So sánh đặc tính I-V của mô hình có ảnh hưởng điện trở mối nối và lý tưởng

(Rs=0 và Rs=Rsmax) khi G thay đổi 30Hình 3.7 So sánh đặc tính P-V của mô hình có ảnh hưởng của điện trở mối nối và lý

tưởng (Rs=0 và Rs=Rsmax) khi G thay đổi 31Hình 3.8 Đặc tính I-V của mô hình có ảnh hưởng của điện trở mối nối (Rs=Rsmax) khi

thay đổi nhiệt độ 32Hình 3.9 So sánh đặc tính I-V của mô hình có ảnh hưởng của điện trở mối nối và lý

tưởng (Rs=0 và Rs=Rsmax) khi thay đổi nhiệt độ 33Hình 3.10 So sánh đặc tính P-V của mô hình có ảnh hưởng của điện trở mối nối và lý

tưởng (Rs=0 và Rs=Rsmax) khi thay đổi nhiệt độ 34Hình 3.11 Đặc tính I-V của mô hình có ảnh hưởng của điện trở mối nối và điện trở

shunt (Rs=Rsmax, Rshunt=Rshuntmin) khi thay đổi bức xạ 35Hình 3.12 So sánh đặc tính I-V của mô hình có ảnh hưởng điện trở mối nối và điện trở

shunt với mô hình chỉ ảnh hưởng của điện trở mối nối (Rs=Rsmax,

Rshunt=Rshuntmin và Rs=Rsmax) khi G thay đổi 36Hình 3.13 So sánh đặc tính P-V của mô hình có ảnh hưởng điện trở mối nối và điện trở

shunt với chỉ ảnh hưởng của điện trở mối nối (Rs=Rsmax, Rshunt=Rshuntmin và

Rs=Rsmax) khi G thay đổi 37Hình 3.14 Đặc tính I-V của mô hình có ảnh hưởng của điện trở mối nối và điện trở

shunt (Rs=Rsmax, Rshunt=Rshuntmin) khi thay đổi nhiệt độ 38

Trang 13

x

Hình 3.15 So sánh đặc tính I-V của mô hình có ảnh hưởng điện trở mối nối và điện trở

shunt với chỉ ảnh hưởng của điện trở mối nối (Rs=Rsmax, Rshunt=Rshuntmin và

Rs=Rsmax) khi T thay đổi 39

Hình 3.16 So sánh đặc tính P-V của mô hình có ảnh hưởng điện trở mối nối và điện trở shunt với chỉ ảnh hưởng của điện trở mối nối (Rs=Rsmax, Rshunt=Rshuntmin và Rs=Rsmax) khi T thay đổi 40

Hình 4.1 Sơ đồ thuật toán của phương pháp lặp điện trở mối nối Rs và điện trở shunt Rp 43

Hình 4.2 Đường đặc tính I-V 45

Hình 4.3 Đường đặc tính P-V 46

Hình 4.14 Sơ đồ phương pháp điều khiển đề xuất 58

Trang 14

xi

Hình 4.15 Sơ đồ khối mô hình điều khiển động của hệ thống điện mặt trời 59Hình 4.16 Đồ thị so sánh dòng điện khi sử dụng phương pháp đề xuất và không sử

dụng phương pháp đề xuất 60Hình 4.17 Đồ thị so sánh dòng điện khi sử dụng phương pháp đề xuất và không sử

dụng phương pháp đề xuất 65

Trang 16

xiii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

c-Si Monocrystalline silicon

PPAs Power purchase agreements

TFEC Total final energy consumption

TFPV Thin-film photovoltaic cell

TFSC Thin-film solar cell

Trang 17

tố như nhiệt độ, ảnh hưởng khí quyển Nên đa số các nhà nghiên cứu thường hay chú trọng đến sự ảnh hưởng bên trong của tấm quang điện, các nhà nghiên cứu đã đưa ra các giải pháp tương đối hoàn chỉnh với các đại lượng đặc trưng được tất cả các thông

số vật lý của tấm quang điện Trong các thông số vật lý của tấm quang điện thì có thành phần điện trở ký sinh mối nối và điện trở shunt (𝑅𝑠, 𝑅𝑠ℎ) có ảnh hưởng đến đặc tính vận hành của hệ thống điện mặt trời mà ít các nhà nghiên cứu quan tâm, hay thường bỏ qua chúng để đơn giản hóa mô hình Nên các mô hình sẽ không tối ưu công suất so với công suất thực nghiệm trên tấm quang điện do nhà sản xuất cung cấp Điện trở mối nối và điện trở shunt (𝑅𝑠, 𝑅𝑠ℎ) không chỉ phụ thuộc vào công nghệ chế tạo mà còn phụ thuộc vào điều kiện vận hành, nên cần một mô hình linh động để điều chỉnh điện trở mối nối và điện trở shunt (𝑅𝑠, 𝑅𝑠ℎ) để giữ điểm vận hành công suất tối đa nhất

so với công suất tối đa thực nghiệm do nhà sản xuất cung cấp

2 Mục tiêu nghiên cứu

Trong hệ thống điện mặt trời phần quan trọng nhất để nâng cao hiệu suất là tấm pin quang điện, hiệu suất của tấm quang điện phụ thuộc vào nhiều yếu tố để quyết định như: cường độ bức xạ mặt trời tấm quang điện tiếp xúc, công nghệ chế tạo tấm quang điện, cách thức vận hành nó (điểm vận hành trên đặc tính I-V của tấm quang điện) Để xác định cách thức vận hành của tấm quang điện ta xây dựng mô hình toán của tấm quang điện trên các dữ liệu thực tế của tấm quang điện Trong các nghiên cứu trước,

Trang 18

2

mô hình Rs và Rsh thường xuyên bỏ qua hay coi là tham số độc lập, điều này không đúng nếu muốn điều chỉnh chính xác mô hình có công suất tối đa và gần với thực tế Trong bài luận văn này sẽ trình bày phương pháp lặp của 2 điện trở mối nối và điện trở shunt (𝑅𝑠, 𝑅𝑠ℎ) và xây dựng mô hình toán dựa trên các thông số và điều kiện vận hành thực nghiệm Dựa trên mô hình toán lặp 𝑅𝑠 và 𝑅𝑝 ta có thể tìm đươc điểm vận hành công suất tối đa Giải pháp này sẽ được đưa vào mô hình điều khiển động của hệ thống điện mặt trời và mô phỏng bằng phần mềm MATLAB/SIMULINK

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Trong bài luận văn này sẽ nghiên cứu nâng cao hiệu suất của hệ thống pin mặt trời dựa trên nâng cao công suất của pin quang điện Việc nâng cao công suất pin quang điện trong bài luận văn này sẽ sử dụng phương pháp lặp điện trở mối nối Rs và điện trở shunt Rp dựa trên đường đặc tính I-V tại 3 điểm đáng chú ý là tại vị trí điện áp hở mạch, dòng điện ngắn mạch và điểm công suất cực đại

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

Trong nhiều bài báo của các nhà nghiên cứu trước thường bỏ qua 2 điện trở mối nối Rs

và điện trở shunt Rp nên việc mô hình có sự sai số rất lớn so với thực nghiệm và các phương pháp của các bài báo này thường là dự đoán các thông số hay sử dụng phương pháp quá phức tạp như trí thông minh nhân tạo Nên bài luận văn này xin trình bày phương pháp lặp điện trở mối nối Rs và điện trở shunt Rp, phương pháp này vừa đơn giản vừa hiệu quả khi không có sự sai số quá lớn so với thực nghiệm của nhà sản xuất pin quang điện

5 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Trong thời đại hiện nay việc sử dụng nguồn năng lượng điện ngày càng tăng mà nhiều nguồn tài nguyên để sản xuất điện đang có nguy cơ cạn kiệt, hay trong qua trình cung cấp điện các phương thức này sẽ gây ô nhiễm môi trường nặng Nên việc sử dụng nguồn năng lượng xanh và sạch đang ngày càng được các nước chú ý và phát triển,

Trang 19

3

một trong những nguồn năng lượng xanh và sạch đó có nguồn năng lượng mặt trời, việc nâng cao công suất của hệ thống điện mặt trời là rất cần thiết trong thời đại ngày nay Trong bài luận văn này việc nghiên cứu cải thiện và nâng cao công suất hệ thống điện mặt trời dựa trên điều khiển mô hình động sẽ giúp hệ thống điện mặt trời có thể nhanh chóng thay thế các hệ thống điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch và điện hạt nhân, điều đó làm giảm các tác nhân gây ô nhiễm môi trường

Trang 20

4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG TOÀN CẦU

1.1 Tổng quan về năng lượng toàn cầu

Nguồn năng lượng hóa thạch và năng lượng hạt nhân khi khai thác và chuyển hóa sang dạng năng lượng khác đã sinh ra nhiều vấn đề ô nhiễm môi trường, nhất là lượng phát thải carbon và phóng xạ, chúng cũng là nguồn năng lượng hữu hạn Chính vì vậy cần

có 1 nguồn năng lượng thay thế, đó là nguồn năng lượng tái tạo Trong những năm gần đây năng lượng tái tạo đã đạt được sự phát triển mạnh Đặc trưng của sự phát triển đó

là chi phí giảm, tăng đầu tư và có nhiều tiến bộ trong công nghệ Nhiều thông báo và quan hệ đối tác cao cấp có tầm ảnh hưởng quan trọng đến lĩnh vực năng lượng tái tạo

➢ Tháng 11 năm 2017, một nhóm gồm 27 quốc gia đã cam kết loại bỏ việc sản xuất điện bằng than, đến đầu năm 2018 có hơn 60 quốc gia đã tham gia cam kết

➢ Đặt mục tiêu chung là xe điện sử dụng năng lượng tái tạo sẽ chiếm 30% trong số các xe tải, xe khách và xe buýt vào năm 2030

Tuy sự phát triển của năng lượng tái tạo đầy triển vọng nhưng vẫn còn nhiều thách thức cần được giải quyết Tăng trưởng kinh tế toàn cầu dẫn đến nhu cầu năng lượng ước tính tăng 2,1% trong năm 2017 nhiều hơn gấp đôi mức tăng trung bình trong 5 năm trước Chính vì sự tăng trưởng nhanh của kinh tế toàn cầu nên việc cung cấp năng lượng của nguồn năng lượng tái tạo là không thể đáp ứng nên nhiên liệu hóa thạch vẫn chiếm phần lớn năng lượng được tiêu thụ của thế giới (TFEC) Một số trường hợp chuyển từ than sang khí đốt tự nhiên thay là dùng năng lượng tái tạo Đó là do tiến độ không đồng đều giữa các ngành và khu vực Nhất là các nước ở châu Phi cận sahara, tỷ

lệ truy cập năng lượng vẫn thấp, nhưng ở châu Á thì được cải thiện đều đặn Chính vì còn nhiều nơi có tỷ lệ truy cập năng lượng thấp nên theo thống kê của năm 2016 có khoảng 1,06 tỷ người trên toàn cầu đã sống mà không có điện

Trang 21

5

Tính đến năm 2016, năng lượng tái tạo hiện tại (không bao gồm sử dụng sinh khối truyền thống) chiếm khoảng 10,4% TFEC, tăng nhẹ so với năm 2015 (xem hình 1.1) Phần lớn nhất của phần tái tạo hiện tại là điện tái tạo (chiếm 5,4% TFEC), phần lớn được tạo ra bởi thủy điện (3,7%) Tiếp theo là năng lượng nhiệt tái tạo (ước tính 4,1% TFEC) và giao thông bằng nhiên liệu sinh học (khoảng 0,9%) Sử dụng sinh khối truyền thống, chủ yếu để nấu ăn và sưởi ấm ở các nước đang phát triển, chiếm thêm 7,8% Năng lượng tái tạo kết hợp chiếm khoảng 18,2% TFEC

Hình 1.1 Ước tính tỷ lệ năng lượng tái tạo của tổng mức tiêu thụ năng lượng năm 2016

[10]

Tỷ lệ chung của năng lượng tái tạo trong TFEC chỉ tăng khiêm tốt trong những năm gần đây, mặc dù vẫn có một số lĩnh vực tái tạo có sự tăng trưởng mạnh (xem hình 1.2)

Sự tăng khiêm tốn này là do sự tăng trưởng liên tục của nhu cầu năng lượng (trừ năm

2009, do sự suy thoái kinh tế toàn cầu), nó chống lại đà phát triển của các công nghệ năng lượng tái tạo hiện tại

Trang 22

so với năng lượng gió trong năm 2017, tăng thêm công suất lưới hơn so với than, khí tự nhiên và hạt nhân cộng lại Sự tăng trưởng không đều trong công nghệ năng lượng tái tạo, phần lớn công suất năng lượng tái tạo được bổ sung là năng lượng mặt trời và năng lượng gió

Đầu tư toàn cầu vào năng lượng tái tạo và nhiên liệu năm 2017 đạt tổng cộng 279,8 tỷ USD (không bao gồm các nhà máy thủy điện lớn hơn 50 MW), tăng 2% so với năm

2016 nhưng thấp hơn 13% so với mức cao nhất trong năm 2015 Gần như tất cả các khoản đầu tư là vào điện mặt trời (57%) và năng lượng gió (38%) Chi phí giảm mạnh của các công nghệ phát triển, đến mức việc lắp đặt công suất năng lượng tái tạo trong năm 2017 đã vượt quá so với năm 2016 do đầu tư tuyệt đối thấp hơn, vì mỗi đô la thể

Trang 23

7

hiện nhiều công suất hơn trên mặt đất Các nền kinh tế đang phát triển và mới phát triển chiếm 63% tổng vốn đầu tư năng lượng tái tạo, tỷ trọng cao hơn các nước phát triển trong năm thứ ba liên tiếp, riêng Trung Quốc chiếm 45% đầu tư toàn cầu Đầu tư năm 2017 giữ ổn định hoặc có xu hướng tăng ở Mỹ Latinh và Hoa Kỳ nhưng đã giảm 30% ở châu Âu, nơi nó đã suy giảm kể từ khoảng năm 2010

Các quyết định mua sắm và đầu tư của khu vực tư nhân đang đóng một vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy triển khai năng lượng tái tạo Tính đến đầu năm 2017, 48% trong 500 công ty có trụ sở tại Hoa Kỳ đã có mục tiêu giảm phát thải, hiệu suất năng lượng hoặc năng lượng tái tạo (hoặc kết hợp chúng); 10% công ty có mục tiêu năng lượng tái tạo cụ thể và 23 công ty có mục tiêu năng lượng tái tạo 100% Những mục tiêu như vậy đã dẫn đến việc mở rộng các thỏa thuận mua điện của công ty (PPAs): trong năm 2017, các công ty trên toàn thế giới đã ký hợp đồng ước tính 5,4 gigawatt (GW) công suất phát điện tái tạo mới, tăng 26% so với năm 2016 Vào đầu năm 2018, hơn 130 tập đoàn hàng đầu toàn cầu đã tham gia sáng kiếnRE100, một mạng lưới các tập đoàn cam kết sử dụng 100% điện tái tạo, tăng từ 87 tập đoàn vào năm 2016 Nhưng hiện tại thì chi phí đầu tư của các công ty vào năng lượng tái tạo vẫn còn hạn chế hơn

so với việc đầu từ vào năng lượng hóa thạch

Tiêu thụ than toàn cầu tăng khoảng 1% trong năm 2017, so với việc giảm trong 2 năm trước Việc tăng này là do việc sử dụng điện được sản xuất từ than và việc sử dụng than trong công nghiệp và các tòa nhà Việc xây dựng một nhà máy nhiệt điện than có tuổi thọ 40 năm sẽ có thể khóa đi cả thế hệ sẽ thải nhiều lượng carbon, khóa đi việc sử dụng và phát triển năng lượng tái tạo Các nhà máy điện than trên toàn cầu đang phát triển có công suất là 654 GW Việc trợ cấp cho nhiên liệu hóa thạch được ước tính khoảng 360 tỷ USD trong năm 2016, nó giảm 15% so với năm 2015, nhưng so với việc trợ cấp vào sản xuất điện tái tạo thì tăng 2.5 (trợ cấp sản xuất điện tái tạo là khoảng 140

tỷ USD)

Trang 24

Trong những năm gần đây việc tăng cường công suất từ pin mặt trời được quan tâm hơn so với các công nghệ sản xuất điện khác Việc lắp đặt các tấm pin mặt trời được chú trọng hơn so với tăng cường bổ sung công suất lưới điện của nhiên liệu hóa thạch

và năng lượng hạt nhân cộng lại Trong năm 2017, pin mặt trời là nguồn cung cấp năng lượng mới hàng đầu ở một số thị trường lớn như: Trung Quốc, Ấn Độ, Nhật Bản và Hoa Kỳ Trên toàn cầu có ít nhất 98 GW công suất pin mặt trời được lắp đặt (trên mái

và ngoài trời), công suất này gần bằng 1/3 tổng công suất của các nguồn cung cấp điện khác (xem hình 1.3)

Trang 25

9

Hình 1.3 Công suất pin mặt trời toàn cầu được bổ sung hàng năm, 2007-2017 [10]

Sự gia tăng lớn lượng công suất điện mặt trời trên toàn cầu là chủ yếu do Trung Quốc, nơi mà lượng cài đặt mới được tăng hơn 50% Năm thứ 5 hoạt động thì Châu Á là nơi phát triển mạnh lĩnh vực điện mặt trời, chiếm 75% công suất được bổ sung vào công suất toàn cầu 5 thị trường quốc gia hàng đầu về điện mặt trời là Trung Quốc, Hoa Kỳ,

Ấn Độ, Nhật Bản và Thổ Nhỉ Kỳ, các nước này đã đóng góp gần 84% công suất mới lắp đặt Về công suất lưu trữ thì các quốc gia hàng đầu trong lĩnh vực này là Trung Quốc, Hoa Kỳ, Nhật Bản, Đức và Ý (xem hình 1.4) Cuối năm 2017, mỗi lục địa đã cài đặt ít nhất là 1 GW và có ít nhất 29 quốc gia có công suất trên 1 GW, các quốc gia có công suất pin mặt trời trên mỗi người dân là Đức, Nhật Bản, Bỉ, Ý và Úc

Trang 27

11

Hình 1.5 Công suất và công suất bổ sung của điện mặt trời của 10 quốc gia hàng đầu

trong năm 2017 [10]

1.3 Tổng quang về quang điện

1.3.1 Định nghĩa quang điện

Quang điện là sự chuyển đổi ánh sáng trực tiếp thành điện năng Nó sử dụng vật liệu hấp thụ các photon của ánh sáng và giải phóng các điện tích Nó có thể được sử dụng

để sản xuất máy phát điện bằng quang năng Đơn vị cơ bản của một máy phát điện bằng quang năng là tế bào quang điện

Khi nói về quang năng từ mặt trời thì yếu tố quan tâm chính là năng lượng bức xạ Sự bức xạ là một lượng tức thời mô tả các thông lượng có thể xảy ra của bức xạ mặt trời trên một bề mặt (kW/m2) Bức xạ ngoài khí quyển là 1,373 kW/m2, trên bề mặt trái đất bức xạ đỉnh là 1 kW/m2 Các photon mang năng lượng trong bức xạ được tính là:

Eph=hc

Trong đó λ là bước sóng, h là hằng số Plank và c là vận tốc ánh sáng

Trang 28

12

Bức xạ toàn cầu bao gồm 3 thành phần: bức xạ trực tiếp, bức xạ khuếch tán và bức xạ mặt đất

Hình 1.6 Bức xạ mặt trời và phơi nắng

1.3.2 Công nghệ chế tạo quang điện

Đơn vị cơ bản của hệ thống quang điện là tế bào quang điện (cell), các tế bào quang điện này có thể chuyển đổi nguồn năng lượng của bức xạ mặt trời thành nguồn điện năng một chiều, nó được cấu tạo từ các lớp chất bán dẫn PN tương tự như một diode, vật liệu bán dẫn dùng phổ biến trong tế bào quang điện là silicon Một số loại tế bào quang điện được cấu tạo từ silicon: silicon đơn tinh thể, tế bào đa tinh thể, lớp mỏng

• Silicon đơn tinh thể (c-Si)

Nó là vật liệu dồi dào và rẻ nên được sử dụng phổ biến Hiệu suất cao nhất của pin mặt trời c-Si là khoảng 23%, còn với một số vật liệu bán dẫn điện tử khác có thể lên tới 30% Hiệu suất của chúng phụ thuộc vào vật liệu và bước sóng

Solar Irradiance

Trang 29

13

Hình 1.7 Sơ đồ hiệu suất của silicon đơn tinh thể

• Tế bào đa tinh thể

Nó còn được gọi là polisilicon, là dạng silicon nóng chảy được đúc thành các thỏi để tạo thành nhiều tinh thể Hiệu suất chuyển đổi năng lượng của loại này thấp hơn so với silicon đơn tinh thể Nhưng bù lại nó rất đáng tin cậy cho các ứng dụng ngoài trời

• Màng mỏng

Tế bào năng lượng mặt trời màng mỏng (TFSC), hay còn gọi là tế bào quang điện màng mỏng (TFPV) Nó được cấu tạo từ các lớp màng rất mỏng của silicon, đơn vi đo độ dày của chúng chỉ vài µm hay ít hơn

Ngoài vật liệu silicon cũng còn những vật liệu khác để tạo thành pin mặt trời Nhưng những vật liệu khác thường rất là đắt hơn silicon rất nhiều nên nó không khả dụng trong việc ứng dụng vào thực tế

Trang 30

14

1.3.3 Mô hình hóa ánh sáng mặt trời và các tế bào quang điện

Hiệu suất của mảng quang điện phụ thuộc vào quang phổ của bức xạ mặt trời, dựa vào quang phổ này để có thể mô tả bằng toán học Việc xác định các quang phổ này trên các mảng quang điện là rất khó vì nó bị ảnh hưởng bởi các yếu tố thay đổi nhiệt độ, khí quyển, vị trí địa lý, thời gian, ngày trong năm, điều kiện khí hậu và độ cao

1.4 Kết luận

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng xanh miễn phí và dồi dào có thể thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch trong tương lai và giảm đi các vấn đề ô nhiễm môi trường Việc nghiên cứu tối ưu hóa nguồn năng lượng quang điện là một nhu cầu cần thiết

Tế bào quang điện được cấu tạo từ các chất bán dẫn silicon Các tế bào quang điện thực hiện chuyển đổi các photon ánh sáng mặt trời thành điện năng, vì vậy cường độ bức xạ mặt trời là yếu tố có ảnh hưởng đến công suất của pin quang điện Việc xác định cường độ bức xạ mặt trời phụ thuộc vào nhiều yếu tố Ta cần mô tả toán học theo đặc tính I-V của tế bào quang điện để có thể xây dựng mô hình hóa tấm quang điện

Trang 31

15

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH TOÁN CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI

2.1 Mô hình toán lý tưởng

Mô hình toán cơ bản của một pin năng lượng mặt trời (pin quang điện) là một diode và một nguồn dòng kết nối song song Nguồn dòng này hấp thụ nguồn năng lượng bức xạ mặt trời tạo dòng quang điện 𝐼𝑝𝑣, vì hấp thụ năng lượng bức xạ mặt trời nên dòng quang điện sẽ tỉ lệ thuận với năng lượng bức xạ mặt trời G Thông số chính thường được sử dụng trong mô hình toán của pin mặt trời là dòng ngắn mạch và điện áp hở mạch, 2 thông số này thường được cung cấp ở bảng thông số của nhà sản xuất Áp dụng định luật Kirchhoff ta có phương trình toán pin quang quang điện cơ bản:

Trang 32

16

𝑎: là hệ số lý tưởng diode

𝑇: là nhiệt độ tiếp giáp P-N (°K)

𝐼𝑑: là dòng điện thông trong các diode bên trong

V: điện áp đầu ra của pin PV

Trang 33

2.2 Mô hình toán có tính đến điện trở mối nối

Để có mô hình toán lý tưởng có thể tốt hơn ta có thể xét thêm phần tổn thất ohmic và điện trở suất do mức độ tiếp xúc Những tổn thất này được thể hiện qua điện trở mối nối 𝑅𝑠 trong mạch đương tương (hình 2.2)

Hình 2.2 Mạch tương đương của pin mặt trời với 𝑅𝑠

Mô hình toán tính dòng điện PV như sau:

I = Ipv − I0[eq(V+I.Rs)aKT − 1] (2-7)

Dễ thấy 𝐼𝑝𝑣 ≈ 𝐼𝑠𝑐 nên ta có phương trình sau:

𝐼 = 𝐼𝑠𝑐 − 𝐼0[𝑒𝑞(𝑉+𝐼.𝑅𝑠)𝑎𝐾𝑇 − 1] (2-8)

Trang 34

𝐼𝑠𝑐𝑛: dòng điện ngắn mạch được do dưới sự bức xạ 𝐺𝑛 = 1000 𝑊/𝑚2 , 𝑇𝑛 = 25 °𝐶: có thể tra trong bảng thông số của nhà sản xuất

𝛼𝑠𝑐: hệ số nhiệt độ của dòng ngắn mạch (1/°K)

𝑇𝑛: nhiệt độ tham chiếu của pin PV (°K)

𝑇: nhiệt độ tiếp giáp P-N

Dòng ngắn mạch được tạo ở bức xạ bất kỳ 𝐺 (𝑊/𝑚2 ) được tính như sau:

Trang 36

20

Từ các phương trình trên ta có mô hình toán đầy đủ như sau:

𝐼 = [𝐼𝑠𝑐𝑛 + 𝐾𝐼 ∆𝑇]. 𝐺

𝐺𝑛− 𝐼𝑆𝐶𝑛 +𝐾𝐼∆𝑇𝑒𝑥𝑝[(𝑉𝑂𝐶𝑛+𝐾𝑉∆𝑇)

Ta có:

Ta cho:

𝑓(𝐼) = 0 Suy ra:

𝐼𝑛+1 = 𝐼𝑛 −

𝐼𝑠𝑐−𝐼−𝐼0[𝑒𝑞(𝑉+𝐼.𝑅𝑠)𝑎𝐾𝑇 −1]

−1−𝐼0 𝑞

𝐴𝐾𝑇 𝑅𝑠.𝑒 𝑞(𝑉+𝐼.𝑅𝑠) (𝐴𝐾𝑇) ⁄ (2-22)Trong đó:

𝑉𝑡ℎ =𝐴𝐾𝑇

Trang 37

𝑎𝑉𝑡.𝑒(𝑉+𝐼.𝑅𝑠) (𝑎𝑉𝑡) ⁄ (2-24)

2.3 Mô hình toán có tính đến điện trở mối nối và điện trở shunt

Thuật toán này có tính thêm điện trở shunt, nên thuật toán sẽ có độ chính xác thực tế cao hơn so với thuật toán trên Điện trở shunt là điện trở sinh ra do dòng rò của tiếp điểm p-n và nó còn phụ thuộc vào phương pháp chế tạo Điện trở shunt thường là lớn nên để đơn giản mô hình nên một số nhà nghiên cứu thường bỏ qua, nhưng để mô hình được tối ưu và sát với thực tế thì nên tính thêm điện trở shunt vào mô hình Sơ đồ mạch tương đương được thể hiện trong hình 2-3

Trang 38

22

Mô hình toán dòng điện PV

𝐼 = 𝐼𝑝𝑣 − 𝐼𝑑− 𝐼𝑅𝑝 (2-25)Khai triển ra ta có:

Giả định 𝐼𝑠𝑐 ≈ 𝐼𝑝𝑣 thường được sử dụng cho các pin mặt trời vì điện trở mối nối là thấp

và điện trở shunt là cao Nhưng để tính toán có độ chính xác cao ta không nên lấy

𝐼𝑠𝑐 ≈ 𝐼𝑝𝑣. Dòng quang điện của pin PV phụ thuộc vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ nên

ta có phương trình sau:

𝐼𝑝𝑣 = (𝐼𝑝𝑣𝑛 + 𝐾𝐼∆𝑇) 𝐺

Chú thích

𝐼𝑝𝑣𝑛 là dòng quang điện danh định (25 °C, 1000 W/m2)

∆𝑇= 𝑇 − 𝑇𝑛 (𝑇 và 𝑇𝑛 là nhiệt độ thực và nhiệt độ danh định, °K)

𝐺 và 𝐺𝑛 là bức xạ và bức xạ danh định trên bề mặt pin PV

Dựa vào mạch ta có thể tính được 𝐼𝑝𝑣𝑛 theo định luật Kirchhoff như sau:

𝐼𝑝𝑣𝑛 = 𝑅𝑠+𝑅𝑝

Trang 39

23

Còn dòng điện bão hòa ngược diode ta có thể tính như công thức (2-18), rồi ta dùng phương pháp Newton để có thể khảo sát mô hình toán của trường hợp khi có ảnh hưởng của 2 điện trợ mối nối và điện trở shunt

Trang 40

24

CHƯƠNG 3 KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CẤU

TRÚC ĐẾN ĐẶC TÍNH VẬN HÀNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI

3.1 Mô hình lý tưởng

Xét trường hợp mạch lý tưởng của pin mặt trời KC200GT không có ảnh hưởng của điện trở Thông số kỹ thuật của tấm pin mặt trời KC200GT

Bảng 3.1 Bảng thông số kỹ thuật của pin mặt trời KC200GT

Các thông số theo tiêu chuẩn STC (G = 1000 W/m 2 , 1.5 AM, t = 25 °C)

Điện áp tại điểm công suất cực đại (𝑉𝑚𝑝𝑝) 26.3V

Dòng điện tại điểm công suất cực đại (𝐼𝑚𝑝𝑝) 7.61A

Từ bảng thông số trên ta có được những thông số cần thiết để lập trình vẽ được sơ đồ đặc tính I-V và P-V của tấm pin mặt trời KC200GT Từ đó ta có thể nhìn thấy các thông số cấu trúc ảnh hưởng đến đặc tính vận hành của hệ thống Phần đầu này ta xét

mô hình mạch lý tưởng không có ảnh hưởng của điện trở mối nối và điện trở shunt, nên

Định dạng
Số trang	87
Dung lượng	3,23 MB