Tổng quan nghiên cứu

Năng lượng tái tạo hiện là ưu tiên hàng đầu trong quản lý năng lượng toàn cầu, với năng lượng mặt trời (NLMT) được xem là nguồn năng lượng sạch, dồi dào và có mặt ở hầu hết các vùng địa lý. Tại Việt Nam, nhu cầu sử dụng điện ngày càng tăng trong khi nguồn tài nguyên truyền thống ngày càng cạn kiệt, tạo áp lực lớn lên ngành điện. Theo ước tính, NLMT có tiềm năng phát triển rất lớn, đặc biệt ở các vùng miền Trung và miền Nam, nơi có cường độ bức xạ mặt trời ổn định quanh năm. Pin quang điện (PQĐ) là thiết bị chuyển đổi trực tiếp năng lượng ánh sáng mặt trời thành điện năng, đóng vai trò quan trọng trong hệ thống năng lượng tái tạo.

Tuy nhiên, việc nghiên cứu và kiểm tra đặc tính hoạt động của PQĐ gặp nhiều khó khăn do phụ thuộc vào các yếu tố khách quan như cường độ bức xạ và nhiệt độ môi trường, đồng thời chi phí pin quang điện còn khá cao, hạn chế khả năng thực hiện thí nghiệm hàng loạt. Mục tiêu của luận văn là xây dựng mô hình tương tự giả lập hệ thống pin quang điện nhằm mô phỏng các đặc tính dòng điện - điện áp (I-V) và công suất - điện áp (P-V) của PQĐ, từ đó hỗ trợ nghiên cứu, thử nghiệm và đánh giá các thuật toán điều khiển trong phòng thí nghiệm một cách độc lập, tiết kiệm chi phí và thời gian.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mô hình toán học của PQĐ, thiết kế phần cứng và phần mềm mô phỏng trên nền tảng Matlab/Simulink, xây dựng thuật toán điều khiển và giao diện phần mềm, đồng thời thực hiện thực nghiệm đánh giá dựa trên dữ liệu thực tế từ các tấm pin thương mại. Ý nghĩa của nghiên cứu nằm ở việc cung cấp công cụ mô phỏng chính xác, tin cậy, góp phần nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời và thúc đẩy ứng dụng năng lượng tái tạo tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: mô hình toán học pin quang điện và lý thuyết điều khiển PID.

  1. Mô hình toán học pin quang điện:
    PQĐ được mô hình hóa bằng mạch tương đương gồm nguồn dòng quang điện, diode, điện trở nối tiếp (Rs) và điện trở song song (Rp). Phương trình đặc tính dòng điện - điện áp của tế bào quang điện được mô tả bởi:
    [ I = I_{pv} - I_0 \left( e^{\frac{q(V + I R_s)}{a k T}} - 1 \right) - \frac{V + I R_s}{R_p} ]
    Trong đó, (I_{pv}) là dòng quang điện phụ thuộc vào cường độ bức xạ và nhiệt độ, (I_0) là dòng bão hòa diode, (q) là điện tích electron, (k) là hằng số Boltzmann, (T) là nhiệt độ tuyệt đối, và (a) là hệ số diode. Mô hình này cho phép mô phỏng chính xác đặc tính I-V và P-V của PQĐ dưới các điều kiện môi trường khác nhau.

  2. Lý thuyết điều khiển PID:
    Bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) được sử dụng để điều chỉnh tín hiệu đầu ra nhằm giảm thiểu sai số giữa giá trị đo và giá trị đặt. Trong hệ thống mô phỏng, PID giúp điều khiển mạch chuyển đổi DC-DC (buck converter) để duy trì điện áp và dòng điện đầu ra ổn định, phù hợp với đặc tính của PQĐ. Bộ điều khiển PID số được áp dụng để xử lý tín hiệu rời rạc trong môi trường lập trình Matlab.

Các khái niệm chính bao gồm: đặc tính I-V và P-V của PQĐ, mạch chuyển đổi DC-DC (buck converter), điều chế độ rộng xung PWM, và thuật toán điều khiển PID.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các tấm pin quang điện thương mại, bao gồm các thông số kỹ thuật như điện áp hở mạch, dòng điện ngắn mạch, điểm công suất cực đại, cùng với dữ liệu thực nghiệm về ảnh hưởng của nhiệt độ và cường độ bức xạ.

Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

  • Phân tích tài liệu: Tổng hợp và nghiên cứu các mô hình toán học, phương pháp điều khiển và phần mềm mô phỏng liên quan đến PQĐ.
  • Xây dựng mô hình toán học: Sử dụng các phương trình đặc tính PQĐ để thiết kế mô hình mô phỏng trên Matlab/Simulink.
  • Thiết kế phần cứng và phần mềm: Thiết kế sơ đồ mạch chuyển đổi DC-DC buck, xây dựng giao diện phần mềm mô phỏng và lập trình thuật toán điều khiển PID.
  • Thực nghiệm mô phỏng: Chạy mô phỏng trên Matlab với các điều kiện bức xạ và nhiệt độ khác nhau, thu thập dữ liệu đặc tính I-V, P-V.
  • Đánh giá và so sánh: So sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu thực tế để đánh giá độ chính xác và tin cậy của mô hình.

Quá trình nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 05/2020 đến tháng 10/2022, với cỡ mẫu dữ liệu thực nghiệm từ các tấm pin thương mại phổ biến.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Mô hình toán học mô phỏng chính xác đặc tính PQĐ:
    Mô hình giả lập trên Matlab/Simulink đã tái hiện thành công đặc tính I-V và P-V của tấm pin quang điện dưới các điều kiện bức xạ từ 100 W/m² đến 1000 W/m² và nhiệt độ từ 5°C đến 100°C. Ví dụ, tại 1000 W/m² và 25°C, điện áp hở mạch đạt khoảng 37 V, dòng điện ngắn mạch khoảng 8 A, phù hợp với thông số thực tế của tấm pin Canadian 60MS.

  2. Ảnh hưởng của nhiệt độ và bức xạ đến hiệu suất PQĐ:
    Kết quả mô phỏng cho thấy khi nhiệt độ tăng từ 25°C lên 80°C, công suất tối đa giảm khoảng 15%, trong khi tăng cường độ bức xạ từ 200 W/m² lên 1000 W/m² làm công suất tăng gần 5 lần. Điều này phản ánh đúng thực tế hoạt động của PQĐ và được thể hiện rõ qua các đồ thị đặc tính I-V và P-V.

  3. Hiệu quả của mạch chuyển đổi DC-DC buck trong mô phỏng:
    Mạch buck converter được thiết kế với tần số đóng cắt 20 kHz, điện áp đầu vào 36 V và đầu ra điều chỉnh từ 0 đến 20 V, dòng điện đầu ra từ 0 đến 5 A. Mạch này phù hợp với đặc tính PQĐ, giúp điều chỉnh điện áp tải ổn định, hỗ trợ mô phỏng chính xác các điều kiện làm việc khác nhau.

  4. Bộ điều khiển PID số tối ưu hóa quá trình điều khiển:
    Thuật toán PID số được lập trình trên Matlab giúp điều khiển chính xác tín hiệu PWM cho mạch buck, giảm thiểu sai số điện áp đầu ra dưới 2%, đảm bảo mô phỏng hoạt động ổn định và phản hồi nhanh với các biến đổi tải và điều kiện môi trường.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự biến đổi đặc tính PQĐ là do ảnh hưởng trực tiếp của nhiệt độ và cường độ bức xạ mặt trời lên dòng quang điện và điện áp mạch hở. Kết quả mô phỏng phù hợp với các nghiên cứu trước đây trên thế giới, đồng thời khẳng định tính khả thi của mô hình toán học và phương pháp điều khiển PID trong việc mô phỏng hệ thống PQĐ.

So sánh với các mô hình sử dụng bảng tra look-up table, mô hình toán học trong luận văn có ưu điểm linh hoạt, tổng quát và chính xác hơn, đặc biệt khi cần mở rộng cho các loại pin khác nhau hoặc tích hợp nhiều tấm pin. Việc sử dụng mạch buck converter thay vì boost hay buck-boost cũng giúp giảm chi phí và đơn giản hóa thiết kế, phù hợp với đặc tính điện áp của PQĐ.

Dữ liệu mô phỏng có thể được trình bày qua các biểu đồ đặc tính I-V và P-V dưới nhiều điều kiện khác nhau, giúp trực quan hóa ảnh hưởng của các yếu tố môi trường và tải đến hiệu suất pin. Bảng so sánh các thông số mô phỏng và thực nghiệm cũng minh chứng độ tin cậy của hệ thống mô phỏng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển hệ thống mô phỏng tích hợp thuật toán MPPT:
    Áp dụng mô hình giả lập để thử nghiệm và tối ưu các thuật toán theo dõi điểm công suất cực đại (MPPT) nhằm nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời. Thời gian thực hiện dự kiến 6-12 tháng, do nhóm nghiên cứu chuyên ngành kỹ thuật điện đảm nhiệm.

  2. Mở rộng mô hình cho hệ thống pin nối tiếp và song song:
    Nghiên cứu và xây dựng mô hình mô phỏng cho các tổ hợp pin quang điện phức tạp, phục vụ thiết kế hệ thống điện mặt trời quy mô lớn. Khuyến nghị thực hiện trong 12 tháng tiếp theo, phối hợp với các trung tâm nghiên cứu năng lượng tái tạo.

  3. Phát triển giao diện phần mềm thân thiện và đa nền tảng:
    Cải tiến giao diện mô phỏng để người dùng dễ dàng thao tác, tích hợp thêm các tính năng phân tích dữ liệu và báo cáo tự động. Thời gian thực hiện 3-6 tháng, do nhóm phát triển phần mềm đảm nhận.

  4. Thực hiện thử nghiệm thực tế và hiệu chỉnh mô hình:
    Kết hợp mô hình giả lập với các thử nghiệm thực tế tại các địa phương có điều kiện khí hậu khác nhau để hiệu chỉnh và nâng cao độ chính xác của mô hình. Thời gian thực hiện 12-18 tháng, phối hợp với các đơn vị sản xuất và lắp đặt pin quang điện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện:
    Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về mô hình toán học PQĐ, phương pháp điều khiển PID và thiết kế mạch chuyển đổi DC-DC, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển các hệ thống năng lượng tái tạo.

  2. Kỹ sư thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời:
    Công trình giúp hiểu rõ đặc tính hoạt động của pin quang điện và cách mô phỏng, từ đó tối ưu thiết kế hệ thống điện mặt trời phù hợp với điều kiện thực tế.

  3. Doanh nghiệp sản xuất và cung cấp thiết bị năng lượng tái tạo:
    Mô hình giả lập hỗ trợ kiểm tra, đánh giá sản phẩm và phát triển các giải pháp điều khiển hiệu quả, giảm chi phí thử nghiệm thực tế.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng:
    Cung cấp cơ sở khoa học để đánh giá tiềm năng và hiệu quả ứng dụng năng lượng mặt trời, hỗ trợ xây dựng các chính sách phát triển năng lượng xanh bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Mô hình giả lập pin quang điện có chính xác không?
    Mô hình toán học được xây dựng dựa trên các phương trình vật lý và thông số thực tế của pin, đã được kiểm nghiệm qua nhiều điều kiện bức xạ và nhiệt độ, cho kết quả mô phỏng tương đồng với dữ liệu thực nghiệm, đảm bảo độ chính xác cao.

  2. Tại sao chọn mạch buck converter thay vì boost hay buck-boost?
    Mạch buck phù hợp với đặc tính điện áp của pin quang điện, cho phép giảm áp đầu ra một cách hiệu quả, đơn giản về thiết kế và chi phí thấp hơn so với các mạch khác, đồng thời dễ dàng điều khiển bằng thuật toán PID.

  3. Bộ điều khiển PID có vai trò gì trong hệ thống mô phỏng?
    PID giúp điều chỉnh tín hiệu PWM cho mạch chuyển đổi DC-DC, duy trì điện áp và dòng điện đầu ra ổn định, giảm thiểu sai số và tăng độ tin cậy của mô phỏng trong các điều kiện biến đổi tải và môi trường.

  4. Mô hình có thể áp dụng cho các loại pin quang điện khác không?
    Mô hình toán học có tính tổng quát cao, có thể điều chỉnh các tham số để phù hợp với các loại pin khác nhau như đơn tinh thể, đa tinh thể hay màng mỏng, giúp mở rộng ứng dụng trong nghiên cứu và thiết kế.

  5. Làm thế nào để sử dụng mô hình này trong nghiên cứu thuật toán MPPT?
    Mô hình giả lập cung cấp đặc tính I-V và P-V chính xác, cho phép thử nghiệm các thuật toán MPPT trong môi trường phòng thí nghiệm mà không cần sử dụng pin thực tế, giúp đánh giá hiệu quả và tối ưu thuật toán trước khi triển khai thực tế.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công mô hình tương tự giả lập hệ thống pin quang điện với đặc tính I-V và P-V chính xác, phản ánh đúng ảnh hưởng của nhiệt độ và cường độ bức xạ.
  • Thiết kế mạch chuyển đổi DC-DC buck và bộ điều khiển PID số giúp mô phỏng hoạt động ổn định, đáp ứng yêu cầu nghiên cứu và thử nghiệm.
  • Hệ thống mô phỏng hỗ trợ kiểm tra, đánh giá thuật toán MPPT và các giải pháp điều khiển trong phòng thí nghiệm, tiết kiệm chi phí và thời gian.
  • Kết quả nghiên cứu góp phần thúc đẩy ứng dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam, đồng thời mở rộng khả năng nghiên cứu các hệ thống năng lượng tái tạo khác.
  • Đề xuất các hướng phát triển tiếp theo bao gồm mở rộng mô hình cho hệ thống pin phức tạp, phát triển giao diện phần mềm thân thiện và thực nghiệm thực tế để nâng cao độ chính xác.

Để tiếp tục phát triển, các nhà nghiên cứu và kỹ sư được khuyến khích áp dụng mô hình này trong các dự án thực tế và nghiên cứu nâng cao, đồng thời chia sẻ kết quả để đóng góp vào cộng đồng khoa học năng lượng tái tạo.