Luận Văn Thạc Sĩ: Nghiên Cứu Tối Ưu Công Suất Phát Của Hệ Pin Quang Điện Đa Điểm Cực Trị

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu thiết bị mạng và nhà máy điện, tối ưu công suất phát hệ pin quang điện đa điểm cực trị, ứng dụng hiệu quả.

• Tác giả: Lê Thiện Chí
• Người hướng dẫn: Ts. Trần Hoàng Lĩnh
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện
• Đề tài: Tối ưu công suất phát của hệ pin quang điện đa điểm cực trị
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Luận văn 'Tối ưu công suất phát hệ pin quang điện đa điểm cực trị' tập trung vào việc nghiên cứu và tối ưu hóa hiệu suất của hệ pin quang điện (PV) trong điều kiện đa điểm cực trị. Với sự phát triển của công nghệ năng lượng tái tạo, việc tối ưu hóa công suất phát từ hệ PV trở thành yếu tố quan trọng, đặc biệt trong bối cảnh năng lượng mặt trời ngày càng được ứng dụng rộng rãi. Luận văn sử dụng các phương pháp MPPT (Maximum Power Point Tracking) như P&O (Perturb and Observe) và FLC (Fuzzy Logic Controller) để giải quyết bài toán đa điểm cực trị, nhằm đạt được hiệu suất tối ưu.

1.1 Lý do chọn đề tài

Nhu cầu năng lượng ngày càng tăng, đặc biệt là năng lượng sạch như năng lượng mặt trời. Việt Nam có tiềm năng lớn về năng lượng mặt trời do vị trí địa lý thuận lợi. Tuy nhiên, hiệu suất của hệ pin quang điện còn thấp, đặc biệt trong điều kiện bóng râm gây ra hiện tượng đa điểm cực trị. Việc tối ưu hóa công suất phát từ hệ PV trở thành yêu cầu cấp thiết, giúp nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng mặt trời.

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của luận văn là tìm ra điểm công suất cực đại toàn cục của hệ PV trong điều kiện đa điểm cực trị. Luận văn sử dụng các phương pháp MPPT như P&O và FLC để so sánh hiệu quả và đưa ra kết luận. Đồng thời, luận văn cũng đề xuất hướng phát triển cho các nghiên cứu tiếp theo.

II. Tổng quan

Luận văn tổng hợp các nghiên cứu liên quan đến hệ pin quang điện và tối ưu hóa công suất phát. Các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào hệ PV với một điểm cực đại công suất. Tuy nhiên, trong điều kiện thực tế, hệ PV thường gặp hiện tượng đa điểm cực trị do bóng râm hoặc che chắn. Luận văn tập trung vào việc giải quyết bài toán này bằng các phương pháp MPPT hiện đại.

2.1 Những công trình đã nghiên cứu

Các nghiên cứu trước đây đã đề cập đến việc ổn định điện áp, điều khiển công suất, và ngăn ngừa hiện tượng islanding trong hệ PV. Tuy nhiên, việc tối ưu hóa công suất phát trong điều kiện đa điểm cực trị vẫn còn nhiều thách thức.

2.2 Hướng nghiên cứu của luận văn

Luận văn tập trung vào việc giải quyết bài toán MPPT cho hệ PV đa điểm cực trị, sử dụng các phương pháp P&O và FLC. Đồng thời, luận văn cũng mở rộng mô hình để giải quyết bài toán với nhiều điểm cực trị hơn.

III. Lý thuyết về pin quang điện

Chương này trình bày các kiến thức cơ bản về pin quang điện, bao gồm cấu tạo, nguyên lý hoạt động, và các mạch tương đương của tế bào quang điện. Luận văn cũng phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ PV, như điện trở rò và điện trở nối tiếp.

3.1 Tế bào quang điện

Tế bào quang điện là đơn vị cơ bản của hệ PV, hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện để chuyển đổi ánh sáng thành điện năng. Các tế bào này được ghép lại thành module và dãy để tăng công suất phát.

3.2 Mạch tương đương

Mạch tương đương của tế bào quang điện bao gồm các thành phần như điện trở rò và điện trở nối tiếp, giúp mô phỏng chính xác hoạt động của hệ PV trong các điều kiện khác nhau.

IV. Tối ưu công suất phát của hệ PV đa điểm cực trị

Chương này tập trung vào việc tối ưu hóa công suất phát của hệ PV trong điều kiện đa điểm cực trị. Luận văn sử dụng các phương pháp MPPT như P&O và FLC để tìm điểm công suất cực đại toàn cục. Các kết quả mô phỏng được thực hiện trên MATLAB/Simulink để đánh giá hiệu quả của các phương pháp.

4.1 Phương pháp P O

Phương pháp P&O là một trong những phương pháp cổ điển để tìm điểm công suất cực đại. Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm là dễ bị mắc kẹt tại các điểm cực đại địa phương trong điều kiện đa điểm cực trị.

4.2 Phương pháp FLC

Phương pháp FLC sử dụng logic mờ để tìm điểm công suất cực đại toàn cục, giúp khắc phục nhược điểm của phương pháp P&O. Kết quả mô phỏng cho thấy FLC có hiệu quả cao hơn trong việc tối ưu hóa công suất phát.

V. Kết luận và hướng phát triển

Luận văn kết luận rằng việc sử dụng phương pháp FLC mang lại hiệu quả cao hơn trong việc tối ưu hóa công suất phát của hệ PV đa điểm cực trị. Đồng thời, luận văn cũng đề xuất hướng phát triển cho các nghiên cứu tiếp theo, bao gồm việc cải tiến các thuật toán MPPT và ứng dụng các công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo để nâng cao hiệu suất của hệ PV.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu 7 Chương 2 TỔNG QUAN Chương 2: Tổng quan 8 Chương 2 : Tổng Quan 2.1 Những công trình đã nghiên cứu về hệ thống pin năng lượng mặt trời Trên thế giới và trong nước đã có nhiều nghiên cứu về hệ thống pin năng lượng mặt trời như  Ổn định và nâng cao điện áp phát ra của hệ thống pin mặt trời [5], [6].  Các phương pháp điều khiển nhằm đưa hệ thống pin năng lượng mặt trời làm việc tại điểm công suất cực đại [4] [7].  Các phương pháp nghịch lưu nhằm cải thiện chất lượng điện trong hệ thống năng lượng mặt trời [8].  Các phương pháp ngăn ngừa hiện tượng Islanding cho hệ thống pin năng lượng mặt trời [9].

 Các phương pháp điều khiển công suất tác dụng , công suất phản kháng, và dòng điện bơm vào lưới điện của hệ thống pin năng lượng mặt trời [10]  MPPT cho hệ thống pin năng lượng mặt trời có xét đến hiệu ứng màn che.2 Hướng nghiên cứu của luận văn Ta thấy rằng hệ thống pin năng lượng mặt trời đã được sử dụng từ rất lâu, cũng như việc tận dụng tối ưu công suất phát của hệ pin năng lượng mặt trời đã được quan tâm và nghiên cứu, nhưng tập trung vào hướng chủ yếu là hệ PV này chỉ có một điểm cực đại công suất. Gần đây xu hướng tiếp cận hệ PV đa điểm cực trị đã được nghiên cứu nhiều. Một hệ PV khi hoạt động thực tế còn phụ thuộc vào yếu tố che chắn, nghĩa là cường độ chiếu sang trên mỗi module quang điện sẽ khác nhau, điều này dẫn đến đường đặc tuyến công suất của hệ PV không còn một điểm cực đại công suất nữa, mà nó là hệ đa điểm cực đại. Hướng nghiên cứu của luận văn sẽ tập Chương 2: Tổng quan 9 trung vào bài toán MPPT cho hệ PV đa điểm cực trị.

Trong giới hạn luận văn này hệ PV sẽ có 2 điểm cực đại công suất, cực đại địa phương (local) và cực đại toàn cục (global). Sau đó phát triển mô hình thành 3,4 cực đại công suất, giải quyết bài toán n điểm cực trị.3 Nội dung nghiên cứu của luận văn - Mô hình hóa một module PV. - Khảo sát đặc tính P-V, I-V của hệ PV gồm 2,3,4 modul PV ghép nối tiếp trong điều kiện khác bức xạ. - MPPT cho hệ PV trong điều kiện khác bức xạ bằng phương pháp P&O, Fuzzy.

- Nhận xét đánh giá hai phương pháp trên và đề xuất hướng phát triển của đề tài Chương 2: Tổng quan 10 Chương 3 LÝ THUYẾT PIN QUANG ĐIỆN Chương 3: Lý thuyết pin quang điện 11 Chương 3 : Lý thuyết về pin quang điện 3.1 Giới thiệu Nguyên liệu hay phương pháp có khả năng chuyển đổi năng lượng chứa trong photon ánh sáng thành điện áp và dòng điện được gọi là quang điện. Một pho- ton với bước sóng ngắn và năng lượng đủ lớn có thể giải phóng một electron từ nguyên tử chứa nó. Nếu lân cận vùng điện trường được cung cấp, các electron có thể dịch chuyển dọc theo kim loại gây nên dòng điện. Năng lượng mặt trời tối đa mà bề mặt trái đất nhận được xấp xỉ 6000 lần tổng nhu cầu năng lượng của chúng ta.

Trong lịch sử năng lượng quang điện được bắt đầu năm 1839 khi nhà vật lý 19 tuổi của Pháp Edmund Becquerel, đã gây ra được điện áp khi ông chiếu sáng bản cực kim loại trong chất điện phân yếu. Thực sự 40 năm sau đó, khi Adams và Day nghiên cứu ảnh hưởng của quang điện trong chất rắn. Họ có thể làm các tế bào quang điện bằng selen nhưng hiệu suất chỉ là 1%-2%. Tế bào quang điện làm bằng selen nhanh chóng được chấp nhận và xuất hiện ngành công nghiệp quang điện.

Thuyết lượng tử của Albert Einstein đã giải thích hiệu suất của quang điện vào năm 1904, nó đã đạt giải Nobel năm 1923. Trong cùng thời gian nền tảng về điện tử hiện đại nói chung và quang điện nói riêng đã được đưa ra, nhà khoa học Balan tên là Czochralski bắt đầu phát triển cách thức để phát triển hoàn hảo bán dẫn silicon. Những năm 1940 và 1950 tiến trình Czochralski bắt đầu được sử dụng làm sự phát triển đầu tiên của tinh thể bán dẫn silicon quang điện, và nó vẫn còn chiếm ưu thế trong công nghiệp quang điện ngày nay. Những năm 1950 đã có một vài thử nghiệm sản xuất pin quang điện nhưng giá cả quá cao.

Năng lượng quang điện đầu tiên xuất hiện vào năm 1958 khi họ đầu Chương 3: Lý thuyết pin quang điện 12 tiên sử dụng cho vệ tinh Vanguard được phóng vào không gian. Trong các phương tiện không gian giá cả ít quan trọng hơn là độ bền và pin mặt trời bao giờ cũng hoạt động với vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng trực tiếp trên board mạch cho các vệ tinh và tàu không gian khác. Cuộc khủng hoảng năng lượng những năm 1970, công việc hỗ trợ không gian được trả lại trên mặt đất. Sau những năm 1980 với hiệu suất cao hơn và giá cả thấp hơn, quang điện được ứng dụng nhiều trên trái đất.2 Tế bào quang điện Chúng ta hãy xét đến điều gì xảy ra tại vùng lân cận của mối nối p-n khi chúng được chiếu sáng bởi ảnh sáng mặt trời.

Các photons được hấp thu, cặp elec- tron-lỗ trống được hình thành. Nếu những hạt mang điện di động trong vùng lân cận mối nối, điện trường trong vùng nghèo sẽ đẩy các lỗ trống vào trong mặt phẳng p và electron vào trong mặt phẳng n. Bản p tích trữ lỗ trống còn bản n tích trữ electron, điều này tạo thành một điện áp có thể dùng để truyền đến tải. Nếu tiếp xúc điện được gắn chặt trên và dưới của tế bào, dòng electron sẽ chảy ra ngoài bản n theo dây cáp, xuyên qua tải và quay về bản p.

Vì dây không thể dẫn các lỗ trống, nó chỉ là các electron di chuyển quanh mạch điện. Khi chúng tới bản p chúng kết hợp với lỗ trống làm thành mạch điện. Quy ước, dòng dương có chiều ngược với dòng electron, vì vậy chiều mũi tên trong hình dưới chỉ dòng điện chảy từ bản p đến tải và quay về bản n. Chương 3: Lý thuyết pin quang điện 13 Hình 3.1 Sự phát sinh dòng điện khi có chiếu nắng vào mối p-n [13] 3.3 Mạch tương đương của tế bào quang điện 3.1 Mạch tương đương cơ bản Hình 3.2 Mạch tương đương của tế bào quang điện [13] Chương 3: Lý thuyết pin quang điện 14 Hai đặc trưng quan trọng của nguồn quang điện là dòng ngắn mạch (ISC) và áp hở mạch (VOC).2 Mạch tương đương khi có điện trở rò RP Đó là các mạch tương đương phức tạp hơn của tế bào quang điện, xét trong các trường hợp một phần tử nào đó bị che khuất, thì các phân tử này sẽ không sản xuất ra dòng điện.

Các phần tử bị che khuất này sẽ không sinh ra nguồn cho tải, vì vậy để thực tế hơn trong việc sản xuất các pin năng lượng ta phải có các mạch phức tạp hơn để giải quyết vấn đề này.3 Mạch tương đương khi có điện trở song song RP [13] Chương 3: Lý thuyết pin quang điện 15 Hình 3.4 Đặc tuyến V-A khi có điện trở song song RP [13] Điện trở rò RP làm giảm dòng tải đi một đại lượng là V/RP. Với pin năng lượng tổn hao nhỏ hơn 1% thì điện trở RP cần thiết là: RP > 100VOC/ISC (3.3 Mạch tương đương khi có điện trở nối tiếp Rs Hình 3.5 Mạch tương đương khi có điện trở song song Rs [13] Điện trở RS phải được nối giữa pin quang điện và các dây nối và chúng phải phù hợp với điện trở bán dẫn của chúng.  qVd  I  I SC  I d  I SC  I 0 e  1 kT   (3.3) Chương 3: Lý thuyết pin quang điện 16 Suy ra:  kTq (V  IRS )  I  I SC  I d  I SC  I 0 e  1   (3.6 Đặc tuyến V-A khi có điện trở nối tiếp Rs [13] Ta thấy điện áp dịch sang trái một giá trị ΔV=IRS. Với pin năng lượng tổn hao hơn 1% tương ứng điện trở Rs cần thiết là: RS < 0.4 Mạch tương đương khi có điện trở Rp và Rs Hình 3.7 Mạch tương đương khi có điện trở RP Rs [13] Chương 3: Lý thuyết pin quang điện 17 Ta có:  kTq (V  IRS )  1 I  I PV  I SC  I d  I P  I SC  I 0 e  1  V  IRS  (3.6)   RP Mặt khác ta có: Vd=V+IRS (3.7) Suy ra ta có công thức sau:  kTq Vd  1 I  I PV  I SC  I d  I P  I SC  I 0 e  1  Vd (3.8 Đặc tuyến V-A khi có điện trở Rs, Rp [13] Ta thấy rằng điện trở nối tiếp và song song thêm vào mạch tương đương PV làm giảm bớt cả hai đại lượng dòng và áp.

Do đó để thực hiện việc phát triển cho pin năng lượng mặt trời, đòi hỏi điện trở song song (RP) cao và điện trở nối tiếp (Rs) thấp. Chương 3: Lý thuyết pin quang điện 18 3.4 Tế bào, khối, dãy năng lượng quang điện Hình 3.9 Tế bào, khối, dãy pin quang điện [13] Một khối (module) gồm nhiều tế bào (cell) ghép lại. Một dãy (array) gồm nhiều khối (module) ghép lại. Các khối được mắc nối tiếp để tăng điện áp, mắc song song để tăng dòng điện.

Các dãy được cấu tạo bởi sự kết hợp của các khối mắc nối tiếp và song song để tăng năng lượng 3.1 Dãy nối tiếp Hình 3.10 Dãy nối tiếp và đặc tính của nó [13] Chương 3: Lý thuyết pin quang điện 19 Dãy nối tiếp dòng là dòng xuyên qua các tế bào PV còn điện áp là tổng của các điện áp trên các khối đang xét.2 Dãy song song Hình 3.11 Dãy song song và đặc tuyến [13] Dãy song song điện áp là điện áp hai đầu khối còn dòng là tổng dòng trong các khối cộng lại. Chương 3: Lý thuyết pin quang điện 20 3.3 Dãy hỗn hợp Hình 3.12 Dãy hỗn hợp và đặc tuyến [13] Khi cần năng lượng lớn, người ta thường kết hợp các khối PV nối tiếp và song song lại với nhau khi đó đặc tuyến I-V là tổng của các I-V thành phần cộng lại với nhau. Có 2 cách mắc: ta có thể mắc các khối nối tiếp với nhau thành chuỗi sau đó cho các chuỗi này song song với nhau, hoặc mắc các khối song song với nhau trước sau đó cho những phần tử này nối tiếp với nhau.