Mô Hình Hóa và Mô Phỏng Sự Thay Đổi Công Suất Đầu Ra Của Pin Quang Điện

Nghiên cứu mô hình hóa và mô phỏng sự thay đổi công suất đầu ra của pin quang điện trong MATLAB Simulink khi các thông số môi trường biến đổi.

• Tác giả: Nguyễn Thái Hoàng Long
• Người hướng dẫn: PGS. Quyền Huy Ánh
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ điện
• Đề tài: Mô Hình Hóa và Mô Phỏng Công Suất Đầu Ra Pin Quang Điện Sử Dụng MATLAB Simulink
• Loại tài liệu: luận văn cao học
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM TẠ
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu
• 1.2. Lý do chọn đề tài
• 1.3. Mục đích của đề tài
• 1.4. Nhiệm vụ và giới hạn đề tài
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 1.6. Nội dung luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN
• 2.1. Chuyển Quang năng thành điện năng
• 2.2. Tế bào pin quang điện (Photovoltaic Cell)
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG PIN QUANG ĐIỆN
• 4. CHƯƠNG 4: ẢNH HƯỞNG TỪ CÁC ĐIỀU KIỆN MÔI TRƯỜNG
• 5. CHƯƠNG 5: TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
• DANH SÁCH TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về Mô Hình Hóa và Mô Phỏng Công Suất Đầu Ra Pin Quang Điện

Mô hình hóa và mô phỏng công suất đầu ra của pin quang điện là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong ngành năng lượng tái tạo. Việc sử dụng MATLAB Simulink để mô phỏng giúp các nhà nghiên cứu và kỹ sư có thể dự đoán hiệu suất của hệ thống pin quang điện dưới các điều kiện môi trường khác nhau. Nghiên cứu này không chỉ giúp tối ưu hóa hiệu suất mà còn giảm thiểu chi phí sản xuất điện từ năng lượng mặt trời.

1.1. Tầm quan trọng của Mô Hình Hóa Pin Quang Điện

Mô hình hóa pin quang điện giúp hiểu rõ hơn về cách thức hoạt động của các tế bào quang điện. Điều này cho phép tối ưu hóa thiết kế và nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng.

1.2. Lợi ích của Mô Phỏng Công Suất Đầu Ra

Mô phỏng công suất đầu ra giúp dự đoán hiệu suất của hệ thống trong các điều kiện khác nhau, từ đó đưa ra các giải pháp tối ưu cho việc lắp đặt và vận hành.

II. Thách Thức trong Mô Hình Hóa và Mô Phỏng Pin Quang Điện

Mặc dù có nhiều lợi ích, việc mô hình hóa và mô phỏng pin quang điện cũng gặp phải nhiều thách thức. Các yếu tố như nhiệt độ, bức xạ mặt trời và độ ẩm có thể ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của pin. Việc xác định các thông số này một cách chính xác là rất quan trọng để đảm bảo mô phỏng chính xác.

2.1. Ảnh hưởng của Nhiệt Độ đến Hiệu Suất Pin

Nhiệt độ cao có thể làm giảm hiệu suất của pin quang điện. Việc mô phỏng cần phải tính đến yếu tố này để có được kết quả chính xác.

2.2. Tác động của Bức Xạ Mặt Trời

Bức xạ mặt trời không đồng đều trong suốt cả ngày và theo mùa, điều này làm cho việc mô phỏng trở nên phức tạp hơn. Cần có các phương pháp để điều chỉnh mô hình cho phù hợp.

III. Phương Pháp Mô Hình Hóa Pin Quang Điện Sử Dụng MATLAB Simulink

MATLAB Simulink là một công cụ mạnh mẽ cho việc mô hình hóa và mô phỏng các hệ thống điện. Việc sử dụng Simulink cho phép xây dựng các mô hình phức tạp của pin quang điện và phân tích hiệu suất của chúng dưới các điều kiện khác nhau.

3.1. Xây Dựng Mô Hình Pin Quang Điện

Mô hình pin quang điện trong Simulink có thể được xây dựng dựa trên các thông số kỹ thuật của pin, giúp mô phỏng chính xác hơn.

3.2. Phân Tích Hiệu Suất Qua Mô Phỏng

Sau khi xây dựng mô hình, việc phân tích hiệu suất thông qua các mô phỏng sẽ giúp xác định điểm công suất cực đại và tối ưu hóa hoạt động của pin.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn của Mô Hình Hóa và Mô Phỏng Pin Quang Điện

Mô hình hóa và mô phỏng công suất đầu ra pin quang điện không chỉ có giá trị trong nghiên cứu mà còn trong ứng dụng thực tiễn. Các kết quả từ mô phỏng có thể được áp dụng để cải thiện thiết kế và vận hành hệ thống năng lượng mặt trời.

4.1. Tối Ưu Hóa Thiết Kế Hệ Thống Năng Lượng Mặt Trời

Kết quả từ mô phỏng giúp các kỹ sư tối ưu hóa thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời, từ đó nâng cao hiệu suất và giảm chi phí.

4.2. Nâng Cao Hiệu Suất Hoạt Động

Việc áp dụng các phương pháp mô phỏng giúp nâng cao hiệu suất hoạt động của pin quang điện trong thực tế, đảm bảo rằng chúng luôn hoạt động ở mức tối ưu.

V. Kết Luận và Hướng Phát Triển Tương Lai của Mô Hình Hóa Pin Quang Điện

Mô hình hóa và mô phỏng công suất đầu ra pin quang điện là một lĩnh vực đang phát triển mạnh mẽ. Với sự tiến bộ của công nghệ, các phương pháp mô phỏng ngày càng trở nên chính xác và hiệu quả hơn. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều giải pháp mới cho việc tối ưu hóa năng lượng mặt trời.

5.1. Xu Hướng Nghiên Cứu Mới

Các nghiên cứu mới sẽ tập trung vào việc phát triển các mô hình chính xác hơn, giúp cải thiện hiệu suất của pin quang điện.

5.2. Tích Hợp Công Nghệ Mới

Việc tích hợp các công nghệ mới vào mô hình hóa sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho việc phát triển hệ thống năng lượng mặt trời hiệu quả hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD: PGS. QUYỀN HUY ÁNH LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hồ Chí Minh, ngày 8 tháng 08 năm 2014 Nguyễn Thái Hoàng Long HVTH: Nguyễn Thái Hoàng Long Trang vi LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD: PGS.

QUYỀN HUY ÁNH LỜI CẢM TẠ Lời đầu tiên, tôi muốn dành sự biết ơn sâu sắc nhất đến với gia đình tôi, ở đó không chỉ là nguồn động viên, khích lệ rất lớn mà còn tạo điều kiện cho tôi rất nhiều trong quá trình học tập và hoàn tất khóa học này. Tiếp theo, tôi dành lời tri ân đến Thầy– PGS. Quyền Huy Ánh, ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn và giúp đỡ tôi rất nhiều để có đƣợccác kiến thức chuyên ngành quý giá và hoàn thành đƣợc luận văn tốt nghiệp; đồng thời, tôi cũng cảm ơn TS. Trƣơng Việt Anh, ngƣời đã chia sẻ cho tôi những kinh nghiệm cũng nhƣ các kiến thức quý báu trong quá trình thực hiện luận văn.

Tôi muốn dành lời cảm ơn đến tất cả các thầy cô đã truyền đạt những kiến thức quý báu, cảm ơn những bạn bè đã nhiệt tình giúp đỡ nhau trong quá trình học tập, cảm ơn các tác giả và các anh chị đi trƣớc đã chia sẻ kiến thức cho tôi và mọi ngƣời, cảm ơn các cán bộ và Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện để tôi có thể học tập và tiếp thu những điều bổ ích. Lời cuối cùng, tôi kính chúc tất cả mọi ngƣời sức khỏe, niềm hạnh phúc và thành đạt. Hồ Chí Minh, ngày 8 tháng 08 năm 2014 Nguyễn Thái Hoàng Long HVTH: Nguyễn Thái Hoàng Long Trang vii LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD: PGS.

QUYỀN HUY ÁNH TÓM TẮT Pin quang điện làm việc trực tiếp dƣới ánh sáng mặt trời sẽ chịu sự ảnh hƣởng của nhiều yếu tố tự nhiên nhƣ nhiệt độ, bức xạ, gió, độ ẩm, v. Những yếu tố tự nhiên đó làm thay đổi đặc tính hoạt động của pin, từ đó ảnh hƣởng đến điện áp và công suất của pin khi ra tải. Luận văn trình bày phƣơng án tối ƣu trong việc xác định điểm công suất cực đại của mảng pin quang điện khi bức xạ và nhiệt độ môi trƣờng thay đổi. Tác giả đã thực hiện nghiên cứu mô phỏng và so sánh kết quả của việc gắn từng bộ dò tìm điểm công suất cực đại MPPT cho từng pin và cho cả mảng pin.

Kết quả mô phỏng cho thấy phƣơng án gắn từng bộ dò tìm điểm công suất cực đại cho từng pin sẽ tối ƣu hơn trong việc nâng cao hiệu suất của pin và cũng nhƣ thời gian quá độ để pin đạt điện áp làm việc sẽ ngắn lại. HVTH: Nguyễn Thái Hoàng Long Trang viii LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD: PGS. QUYỀN HUY ÁNH ABSTRACT Photovoltaic works directly under environment will be impacted by many natural elements such as temperature, radiation, wind, humidity, etc. Those natural elements chang the operating characteristic cell, thereby affecting the voltage and power cell when working.

This thesis presents optimal method of maximum power point tracking for photovoltaic array when the radiation and temperature change. The author has done simulating and comparing the results of each configuation of MPPT for both photovoltaic cell and photovoltaic array. The result of simulation shows that the mothod of configuation equip a MPPT for each photovolataic cell is superior in improving the performance as well as reducing the transition time to working stabily. HVTH: Nguyễn Thái Hoàng Long Trang ix LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD: PGS.

QUYỀN HUY ÁNH MỤC LỤC QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI --------------------------------------------------------------ii XÁC NHẬN CỦA GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN -------------------------------------- iii LÝ LỊCH KHOA HỌC ---------------------------------------------------------------------- iv LỜI CAM ĐOAN ---------------------------------------------------------------------------- vi LỜI CẢM TẠ -------------------------------------------------------------------------------- vii TÓM TẮT ----------------------------------------------------------------------------------- viii MỤC LỤC -------------------------------------------------------------------------------------- x DANH SÁCH CÁC HÌNH ---------------------------------------------------------------- xiv CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN ----------------------------------------------------------------- 1 CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN --------------------------------------- 6 CHƢƠNG 3.MÔ PHỎNG PIN QUANG ĐIỆN ---------------------------------------- 47 CHƢƠNG 4.PHƢƠNG PHÁP TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI ĐÁP ỨNG CÁC ĐIỀU KIỆN THAY ĐỔI ------------------------------------------------------------ 57 CHƢƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ------------- 97 DANH SÁCH TÀI LIỆU THAM KHẢO ------------------------------------------------ 98 HVTH: Nguyễn Thái Hoàng Long Trang x LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD: PGS.

QUYỀN HUY ÁNH DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 1-1. Biểu đồ các nguồn năng lƣợng điện toàn cầu năm 2011. Bản đồ bức xạ mặt trời toàn cầu. Quang phổ mặt trời và hiệu suất chuyển hóa quang điện.

Hiệu ứng quang điện. Hiệu suất của các loại vật liệu tinh thể dùng trong sản xuất phiến pin quang điện. Các dạng vật liệu Pin quang điện khác nhai. Các ứng dụng khác nhau của pin quang điện.

Mạch điện tƣơng đƣơng của pin quang điện. Mô hình pin quang điện lý tƣởng. Mô đun pin quang điện. Đặc tuyến I-V với các bức xạ khác nhau.

Đặc tuyến P-V với các bức xạ khác nhau. Các pin đƣợc nối song song. Các pin đƣợc nối nối tiếp. Các pin đƣợc nối hỗn hợp.

Mô hình mô phỏng Simulink mảng pin quang điện(PV Array). Mô đun pin quang điện khi bị bóng che một phần. Đặc tuyến P-V tƣơng ứng với bức xạ 0,25-0,5-0,75-1 kW/m2 của hai dãy pin trong mảng pin gồm 2 dãy pin song song, mỗi dãy có 6 pin ghép nối tiếp (100W/1pin), trong đó có 1 dãy pin bị bóng che. Đặc tuyến P-V tổng của hai dãy pin trong Hình 2-16.

Mảngpin quang điện trong thực tế. Mạch điện khi S đóng. Mạch điện khi S mở. Dạng sóng điện áp và dòng điện trên L khi S đóng và mở.

32 HVTH: Nguyễn Thái Hoàng Long Trang xi LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD: PGS. QUYỀN HUY ÁNH Hình 2-23. Cấu hình mạch buck. Đặc tuyến I-V, P-V của pin quang điện với điểm công suất cực đại.

Các điểm MPP dƣới các điều kiện môi trƣờng thay đổi. Sơ đồ khối của hệ thống MPPT tiêu biểu. Bộ DC/DC giúp hút công suất cực đại từ pin quang điện. Giải thuật MPPT dựa trên các điện áp hằng số.

Đặc tính của pin quang điện. Đồ thị PVkhi bức xạ thay đổi và sự làm việc tìm điểm cực đại của phƣơng pháp P&O. Độ dốc (dP/dV) của PV. Giải thuật INC.

Mô hình pin quangđiện đƣợc xây dựng trong Matlab/Simulink. Mô hình pin quang điện thu gọn. Bảng thông số đầu vào của pin quang điện có 36 cell nối tiếp. Đặc tuyến I-V, P-V với các bức xạ khác nhau (Nhiệt độ pin 250C).

Đặc tuyến I-V, P-V với nhiệt độ vận hành khác nhau (bức xạ 1kW/m2) 52 Hình 3-6. Mô hình mô phỏng mảng quang điện gồm 8 module. Kết quả mô phỏng đặc tuyếnI-V và đặc tuyếnP-V của mảng quang điện gồm 8pin. Đặc tuyến I-V và đặc tuyến P-V với các bức xạ khác nhau.

Đƣờng cong P-V tại điều kiện G=1000 W/m². Cấu hình bộ chuyển đổi năng lƣợng cho 1 tấm pin. Cấu hình bộ chuyển đổi năng lƣợng cho toàn mảngpin quang điện. Lƣu đồ giải thuật MPPT cho khi bị ảnh hƣởng của bóng che.

Lƣu đồ giải thuật MPPT cho cấu hình bộ chuyển đổi năng lƣợng đƣợc đề xuất. Cấu hình của mảng pin quang điện. Mạch boost trong Matlab và Simulink. 63 HVTH: Nguyễn Thái Hoàng Long Trang xii LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD: PGS.

QUYỀN HUY ÁNH Hình 4-7. Dạng sóng điện áp và dòng điện trên cuộn dây L. Cấu hình mảng pin NLMT sử dụng 1 bộ DC/DC chung. Cấu hình bên trong khối MPPT.

Cấu hình mảng pin NLMT sử dụng một bộ DC/DC riêng cho từng pin 71 Hình 4-11. Cấu hình bên trong khối PV. Sơ đồ bên trong khối Subsystem. Thông số của cấu hình của mô phỏng.

Thông số của bức xạ tăng từ 0,5 lên 1kW/m2. Thông số của tấm pin bị bóng che 67% (chỉ có 12 pin hoạt động). Bức xạ mặt trời thay đổi từ 0. Đáp ứng của bộ MPP trong cấu hình 1 bộ chuyển đổi năng lƣợng chung 76 Hình 4-18.

(a) Công suất, (b) điện áp pin, khi sử dụng 1 bộ DC/DC cho toàn mảng pin. (a) Công suất, (b) điện áp tải, khi sử dụng cấu hình 1 bộ DC/DC cho 1 pin. Công suất thu đƣợc từ 2 cấu hình khác nhau. Bức xạ mặt trời tác động lên mảng pin.

Thông số của cấu hình của mô phỏng. Thông số của bức xạ tăng từ 0,25 lên 0,5 kW/m2. Thông số của tấm pin khi không bị bóng che. (a) Công suất, (b) điện áp pin, khi sử dụng Cấu hình 1 - trong trƣờng hợp các pin bị che bức xạ chỉ giảm đi ½ lần sơ với các tấm không bị che.

(a) Công suất, (b) điện áp tải, khi sử dụng cấu hình 2. Trong trƣờng hợp các pin bị che bức xạ chỉ giảm đi ½ lần sơ với các tấm không bị che. Công suất thu đƣợc từ 2 cấu hình khác nhau. Trong trƣờng hợp các pin bị che bức xạ chỉ giảm đi ½ lần sơ với các tấm không bị che.

Công suất thu đƣợc của hai cấu hình. Thông số của cấu hình của mô phỏng. Thông số của nhiệt độ tăng từ 25 lên 30oC. 91 HVTH: Nguyễn Thái Hoàng Long Trang xiii LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD: PGS.

QUYỀN HUY ÁNH Hình 4-31. Nhiệt độ làm việc của một nhánh bị thay đổi. Đáp ứng của bộ MPP trong cấu hình 1 bộ chuyển đổi năng lƣợng chung92 Hình 4-33. Công suất thu đƣợc từ 2 cấu hình khác nhau.

Bức xạ mặt trời tác động lên mảng pin. Công suất thu đƣợc từ 2 cấu hình khác nhau trong trƣờng hợp nhiệt độ làm việc của 2 nhánh pin khác nhau. Công suất thu đƣợc của hai cấu hình. 96 HVTH: Nguyễn Thái Hoàng Long Trang xiv LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD: PGS.

QUYỀN HUY ÁNH CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu Đề tài nghiên cứu về mô phỏng đặc tính pin quang điện và việc sử dụng pin quang điện hiệu quả. Pin quang điện là một thiết bị chuyển đổi từ năng lƣợng mặt trời sang điện năng. Hiện nay, điện năng trên thế giới đƣợc lấy từ nhiều nguồn khác nhau: năng lƣợng hóa thạch chiếm 68%, năng lƣợng hạt nhân chiếm 12%, thủy điện chiếm 15% và năng lƣợng gióchiếm 2% và các nguồn năng lƣợng khác (gồm năng lƣợng mặt trời) chiếm 2%.