Luận Văn Thạc Sĩ: Mô Hình Hóa và Mô Phỏng Sự Thay Đổi Công Suất Đầu Ra Của Pin Quang Điện

Khám phá luận văn thạc sĩ HCMUTE về mô hình hóa và mô phỏng công suất pin quang điện với MATLAB Simulink khi thay đổi thông số môi trường.

• Tác giả: Nguyễn Thái Hoàng Long
• Người hướng dẫn: PGS. Quyền Huy Ánh
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Mô Hình Hóa và Mô Phỏng Công Suất Đầu Ra Pin Quang Điện Bằng MATLAB Simulink
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM TẠ
• TÓM TẮT
• 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

Đề tài nghiên cứu về mô hình hóa và mô phỏng đặc tính của pin quang điện dưới tác động của các yếu tố môi trường. Pin quang điện chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng, đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển nguồn năng lượng tái tạo. Nghiên cứu này nhằm tối ưu hóa công suất đầu ra của pin quang điện, đặc biệt là trong điều kiện môi trường thay đổi. Việc sử dụng MATLAB và Simulink trong mô phỏng giúp phân tích hiệu suất và tìm ra phương pháp tối ưu cho việc dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT).

1.1. Tầm quan trọng của pin quang điện

Pin quang điện là một trong những nguồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất hiện nay. Với sự gia tăng nhu cầu về năng lượng sạch, việc nghiên cứu và phát triển công nghệ pin quang điện trở nên cấp thiết. Công nghệ năng lượng tái tạo không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn đảm bảo an ninh năng lượng cho tương lai. Việc tối ưu hóa công suất đầu ra của pin quang điện sẽ góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng mặt trời, từ đó thúc đẩy sự phát triển bền vững.

II. Cơ sở lý thuyết

Nghiên cứu về mô phỏng pin quang điện dựa trên các nguyên lý vật lý và kỹ thuật. Hiệu ứng quang điện là cơ sở để chuyển đổi ánh sáng thành điện năng. Các yếu tố như bức xạ mặt trời, nhiệt độ và độ ẩm ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của pin. Việc sử dụng MATLAB và Simulink cho phép mô phỏng các điều kiện khác nhau, từ đó phân tích sự thay đổi của công suất đầu ra. Các phương pháp tối ưu hóa như MPPT được áp dụng để nâng cao hiệu suất hoạt động của pin quang điện.

2.1. Nguyên lý hoạt động của pin quang điện

Pin quang điện hoạt động dựa trên nguyên lý hiệu ứng quang điện, trong đó ánh sáng mặt trời được hấp thụ bởi các vật liệu bán dẫn, tạo ra các electron tự do. Sự di chuyển của các electron này tạo ra dòng điện. Các yếu tố như bức xạ và nhiệt độ ảnh hưởng đến số lượng electron được tạo ra, từ đó ảnh hưởng đến công suất đầu ra. Việc hiểu rõ nguyên lý này là cần thiết để phát triển các phương pháp tối ưu hóa hiệu suất của pin.

III. Mô phỏng pin quang điện

Mô phỏng pin quang điện được thực hiện bằng cách sử dụng MATLAB và Simulink để xây dựng các mô hình mô phỏng. Các mô hình này cho phép phân tích đặc tuyến I-V và P-V của pin trong các điều kiện môi trường khác nhau. Kết quả mô phỏng cho thấy sự thay đổi của công suất đầu ra khi bức xạ và nhiệt độ thay đổi. Việc mô phỏng giúp xác định các thông số tối ưu cho việc lắp đặt và sử dụng pin quang điện.

3.1. Phân tích đặc tuyến I V và P V

Đặc tuyến I-V và P-V là các biểu đồ quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất của pin quang điện. Đặc tuyến I-V thể hiện mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp, trong khi đặc tuyến P-V thể hiện mối quan hệ giữa công suất và điện áp. Việc phân tích các đặc tuyến này giúp xác định điểm công suất cực đại và hiệu suất hoạt động của pin trong các điều kiện khác nhau. Kết quả từ mô phỏng cho thấy sự thay đổi của các đặc tuyến này khi bức xạ và nhiệt độ thay đổi, từ đó đưa ra các giải pháp tối ưu hóa hiệu suất.

IV. Phương pháp tìm điểm công suất cực đại

Phương pháp tìm điểm công suất cực đại (MPPT) là một trong những kỹ thuật quan trọng trong việc tối ưu hóa công suất đầu ra của pin quang điện. Các thuật toán MPPT như P&O (Perturb and Observe) và INC (Incremental Conductance) được áp dụng để theo dõi và điều chỉnh công suất của pin trong thời gian thực. Việc áp dụng các thuật toán này giúp nâng cao hiệu suất hoạt động của pin, đặc biệt trong điều kiện môi trường thay đổi.

4.1. Các thuật toán MPPT

Các thuật toán MPPT được phát triển nhằm tối ưu hóa công suất đầu ra của pin quang điện. Thuật toán P&O là một trong những phương pháp phổ biến nhất, hoạt động dựa trên nguyên tắc thay đổi điện áp và quan sát sự thay đổi của công suất. Trong khi đó, thuật toán INC sử dụng phương pháp so sánh để xác định điểm công suất cực đại. Việc áp dụng các thuật toán này trong mô phỏng cho thấy sự cải thiện đáng kể về hiệu suất của pin quang điện.

V. Kết luận và hướng phát triển

Nghiên cứu về mô hình hóa và mô phỏng công suất đầu ra của pin quang điện đã chỉ ra tầm quan trọng của việc tối ưu hóa hiệu suất trong điều kiện môi trường thay đổi. Việc sử dụng MATLAB và Simulink không chỉ giúp mô phỏng hiệu quả mà còn cung cấp các giải pháp thực tiễn cho việc nâng cao hiệu suất của pin. Hướng phát triển trong tương lai có thể tập trung vào việc nghiên cứu các vật liệu mới và cải tiến các thuật toán MPPT để đạt được hiệu suất tối ưu hơn.

5.1. Đề xuất nghiên cứu tiếp theo

Đề xuất nghiên cứu tiếp theo có thể bao gồm việc phát triển các mô hình mô phỏng phức tạp hơn để đánh giá hiệu suất của pin quang điện trong các điều kiện môi trường khắc nghiệt. Ngoài ra, việc nghiên cứu các công nghệ mới trong lĩnh vực pin quang điện cũng cần được chú trọng để nâng cao hiệu suất và giảm chi phí sản xuất. Các nghiên cứu này sẽ góp phần thúc đẩy sự phát triển bền vững của năng lượng tái tạo.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Năng lượng mặt trời ngày càng được xem là nguồn năng lượng tái tạo quan trọng trong bối cảnh biến đổi khí hậu và ô nhiễm môi trường gia tăng. Theo số liệu toàn cầu năm 2011, năng lượng hóa thạch chiếm 68%, năng lượng hạt nhân 12%, thủy điện 15%, năng lượng gió 2% và các nguồn năng lượng khác, trong đó có năng lượng mặt trời, chiếm khoảng 2%. Tốc độ phát triển trung bình của điện mặt trời đạt khoảng 25% mỗi năm, phản ánh xu hướng ưu tiên phát triển nguồn năng lượng sạch, bền vững. Tại Việt Nam, vị trí địa lý gần xích đạo giúp bức xạ mặt trời trung bình đạt từ 4 đến 5 kWh/m²/ngày, tạo điều kiện thuận lợi cho việc ứng dụng pin quang điện.

Tuy nhiên, hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời sang điện năng của pin quang điện hiện nay chỉ đạt khoảng 5-15%, trong khi giá thành đầu tư ban đầu còn cao, từ 25 đến 50 eurocent/kWh. Do đó, việc nâng cao hiệu suất hoạt động của pin quang điện, đặc biệt trong điều kiện môi trường thay đổi như bức xạ và nhiệt độ, là mục tiêu nghiên cứu quan trọng. Luận văn tập trung mô hình hóa và mô phỏng sự thay đổi công suất đầu ra của pin quang điện khi các thông số môi trường biến đổi, sử dụng phần mềm Matlab/Simulink. Mục tiêu cụ thể là xác định phương pháp tối ưu để tìm điểm công suất cực đại (Maximum Power Point - MPP) nhằm nâng cao hiệu suất hoạt động của pin trong thực tế.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mô phỏng ảnh hưởng của bức xạ mặt trời và nhiệt độ môi trường đến đặc tính I-V, P-V của pin quang điện, đồng thời so sánh hiệu quả của các cấu hình bộ dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT) gắn cho từng pin riêng biệt hoặc cho toàn mảng pin. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc thiết kế hệ thống pin mặt trời hiệu quả, giảm thiểu tổn thất công suất do điều kiện môi trường thay đổi, góp phần thúc đẩy ứng dụng năng lượng tái tạo tại Việt Nam và trên thế giới.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Hiệu ứng quang điện: Quá trình chuyển đổi photon ánh sáng mặt trời thành điện năng trong vật liệu bán dẫn, chủ yếu là silicon. Khi ánh sáng chiếu vào tế bào quang điện, các electron được kích thích và tạo thành dòng điện một chiều.

• Mô hình mạch điện tương đương của pin quang điện: Mô hình bao gồm dòng quang điện (Iph), dòng bão hòa (Is), điện trở nối tiếp (Rs) và điện trở rò (Rsh). Đặc tuyến I-V của pin được mô tả bằng phương trình:

$$ I = I_{ph} - I_s \left( e^{\frac{q(V + IR_s)}{k T_c A}} - 1 \right) - \frac{V + IR_s}{R_{sh}} $$

trong đó các ký hiệu có ý nghĩa vật lý cụ thể liên quan đến điện tích electron, nhiệt độ, hằng số Boltzmann, và hệ số lý tưởng của pin.

• Đặc tuyến I-V và P-V của pin quang điện: Phân tích sự thay đổi đặc tính dòng điện và công suất theo điện áp dưới các điều kiện bức xạ và nhiệt độ khác nhau, từ đó xác định điểm công suất cực đại (MPP).

• Bộ chuyển đổi DC/DC (Boost và Buck Converter): Sử dụng để điều chỉnh điện áp đầu ra của pin quang điện nhằm duy trì điểm làm việc tối ưu. Bộ chuyển đổi boost tăng điện áp khi tải yêu cầu cao hơn điện áp pin, trong khi bộ buck giảm điện áp khi cần thiết.

• Giải thuật dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT): Các thuật toán điều khiển bộ chuyển đổi DC/DC để thay đổi tổng trở tải nhìn từ phía nguồn, giúp pin hoạt động tại điểm công suất cực đại trong điều kiện môi trường thay đổi.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Thu thập tài liệu chuyên ngành về pin quang điện, hiệu ứng quang điện, mô hình mạch điện tương đương, bộ chuyển đổi DC/DC và các thuật toán MPPT từ các công trình nghiên cứu và tài liệu kỹ thuật.

• Mô hình hóa và mô phỏng: Sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để xây dựng mô hình pin quang điện, mô phỏng đặc tuyến I-V, P-V dưới các điều kiện bức xạ mặt trời và nhiệt độ khác nhau. Mô phỏng các cấu hình bộ dò tìm điểm công suất cực đại cho từng pin riêng biệt và cho toàn mảng pin.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình mô phỏng bao gồm mảng pin quang điện với 8 module, mỗi module gồm 36 cell nối tiếp, phản ánh cấu hình thực tế của hệ thống pin mặt trời dân dụng và công nghiệp.

• Phân tích kết quả: So sánh hiệu suất công suất đầu ra, thời gian quá độ đạt điện áp làm việc ổn định giữa các cấu hình MPPT khác nhau. Sử dụng biểu đồ đặc tuyến I-V, P-V và dạng sóng điện áp, dòng điện để minh họa kết quả.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ đầu năm đến tháng 10 năm 2014, bao gồm giai đoạn thu thập tài liệu, xây dựng mô hình, mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của bức xạ mặt trời đến đặc tuyến I-V, P-V: Khi bức xạ tăng từ 0,25 kW/m² lên 1 kW/m², dòng điện ngắn mạch (Isc) và công suất cực đại (Pmax) của pin tăng tương ứng khoảng 4 lần, thể hiện rõ sự phụ thuộc tỷ lệ thuận của công suất với cường độ bức xạ.

2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất pin: Nhiệt độ làm việc tăng từ 25°C lên 30°C làm giảm điện áp mở mạch (Voc) khoảng 2-3%, dẫn đến giảm công suất đầu ra khoảng 5%, cho thấy nhiệt độ cao làm giảm hiệu suất chuyển đổi của pin.

3. So sánh cấu hình MPPT cho từng pin riêng biệt và cho toàn mảng pin: Mô phỏng cho thấy cấu hình gắn bộ dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT) riêng cho từng pin giúp tăng hiệu suất công suất đầu ra lên khoảng 10-15% so với cấu hình sử dụng một bộ MPPT chung cho toàn mảng. Đồng thời, thời gian quá độ để pin đạt điện áp làm việc ổn định giảm khoảng 20%.

4. Ảnh hưởng của bóng che một phần: Khi một phần mảng pin bị bóng che (khoảng 67% số pin hoạt động), công suất đầu ra giảm gần một nửa trong cấu hình sử dụng một bộ DC/DC chung, trong khi cấu hình gắn bộ DC/DC riêng cho từng pin giúp giảm thiểu tổn thất công suất đáng kể, duy trì công suất cao hơn khoảng 30%.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự thay đổi công suất đầu ra là do đặc tính vật lý của pin quang điện phụ thuộc trực tiếp vào bức xạ và nhiệt độ môi trường. Bức xạ cao làm tăng số lượng photon kích thích electron, tăng dòng điện sinh ra, trong khi nhiệt độ cao làm giảm điện áp và hiệu suất chuyển đổi. Việc sử dụng bộ MPPT riêng biệt cho từng pin giúp điều chỉnh điểm làm việc tối ưu cho từng phần tử, đặc biệt khi có sự không đồng đều về điều kiện môi trường như bóng che hoặc nhiệt độ khác nhau giữa các pin.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả mô phỏng phù hợp với xu hướng nâng cao hiệu suất bằng cách phân tách và điều khiển từng phần tử pin riêng biệt. Việc mô phỏng chi tiết bằng Matlab/Simulink cung cấp dữ liệu định lượng cụ thể, hỗ trợ thiết kế hệ thống pin mặt trời hiệu quả hơn trong thực tế. Biểu đồ đặc tuyến I-V, P-V và dạng sóng điện áp, dòng điện minh họa rõ ràng sự khác biệt giữa các cấu hình, giúp trực quan hóa hiệu quả của giải pháp đề xuất.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai bộ MPPT riêng biệt cho từng pin trong mảng pin quang điện nhằm tối ưu hóa công suất đầu ra, đặc biệt trong điều kiện môi trường thay đổi không đồng đều. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng. Chủ thể thực hiện: các nhà sản xuất và thiết kế hệ thống pin mặt trời.

2. Nâng cao công tác giám sát và điều khiển nhiệt độ pin bằng các giải pháp làm mát hoặc vật liệu hấp thụ nhiệt thấp để giảm thiểu ảnh hưởng tiêu cực của nhiệt độ cao đến hiệu suất. Thời gian thực hiện: 12 tháng. Chủ thể thực hiện: các nhà nghiên cứu vật liệu và kỹ sư thiết kế.

3. Phát triển thuật toán MPPT thích ứng nhanh với biến đổi môi trường nhằm giảm thời gian quá độ và duy trì điểm công suất cực đại chính xác trong mọi điều kiện. Thời gian thực hiện: 6 tháng. Chủ thể thực hiện: nhóm nghiên cứu và phát triển phần mềm điều khiển.

4. Khuyến khích ứng dụng mô hình mô phỏng Matlab/Simulink trong thiết kế và thử nghiệm hệ thống pin mặt trời để đánh giá hiệu quả trước khi triển khai thực tế, giảm thiểu rủi ro và chi phí. Thời gian thực hiện: liên tục. Chủ thể thực hiện: các trung tâm nghiên cứu và đào tạo kỹ thuật.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện, năng lượng tái tạo: Nghiên cứu sâu về mô hình hóa pin quang điện, thuật toán MPPT và ứng dụng Matlab/Simulink trong mô phỏng hệ thống năng lượng mặt trời.

2. Kỹ sư thiết kế và phát triển hệ thống pin mặt trời: Áp dụng các giải pháp tối ưu hóa công suất và điều khiển MPPT để nâng cao hiệu suất và độ bền của hệ thống trong thực tế.

3. Các nhà sản xuất pin quang điện và thiết bị điện tử công suất: Tham khảo mô hình mạch điện tương đương, cấu hình bộ chuyển đổi DC/DC và giải thuật điều khiển để cải tiến sản phẩm.

4. Các nhà hoạch định chính sách và doanh nghiệp năng lượng tái tạo: Hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất pin mặt trời, từ đó xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển công nghệ và đầu tư hiệu quả.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao hiệu suất pin quang điện chỉ đạt khoảng 15% trong thực tế?
   Hiệu suất thấp do tổn thất nội trở, phản xạ ánh sáng, kết hợp electron-lỗ trống và điện áp band-gap thực tế thấp hơn lý thuyết. Ví dụ, pin silicon đơn tinh thể có thể đạt đến 23% trong phòng thí nghiệm nhưng chỉ khoảng 15% khi ứng dụng thực tế.

2. Bức xạ mặt trời và nhiệt độ ảnh hưởng như thế nào đến công suất pin?
   Công suất tỷ lệ thuận với cường độ bức xạ, tăng bức xạ làm tăng dòng điện. Nhiệt độ cao làm giảm điện áp mở mạch và hiệu suất, dẫn đến giảm công suất đầu ra. Mô phỏng cho thấy tăng nhiệt độ từ 25°C lên 30°C giảm công suất khoảng 5%.

3. MPPT là gì và tại sao cần thiết cho hệ thống pin mặt trời?
   MPPT (Maximum Power Point Tracking) là thuật toán điều khiển để pin hoạt động tại điểm công suất cực đại, tối ưu hóa hiệu suất. MPPT điều chỉnh điện áp và dòng điện đầu ra thông qua bộ chuyển đổi DC/DC, giúp tăng công suất thu được.

4. Ưu điểm của việc gắn bộ MPPT riêng cho từng pin là gì?
   Giúp điều chỉnh điểm làm việc tối ưu cho từng pin, đặc biệt khi có sự không đồng đều về bức xạ hoặc nhiệt độ, giảm tổn thất do bóng che hoặc điều kiện môi trường khác nhau, nâng cao hiệu suất tổng thể của mảng pin.

5. Phần mềm Matlab/Simulink có vai trò gì trong nghiên cứu này?
   Matlab/Simulink được sử dụng để mô hình hóa và mô phỏng đặc tính pin quang điện, bộ chuyển đổi DC/DC và thuật toán MPPT, giúp phân tích chi tiết, đánh giá hiệu quả các giải pháp trước khi ứng dụng thực tế.

Kết luận

• Pin quang điện chịu ảnh hưởng mạnh mẽ từ các yếu tố môi trường như bức xạ mặt trời và nhiệt độ, làm thay đổi đặc tính hoạt động và công suất đầu ra.

• Mô hình hóa và mô phỏng bằng Matlab/Simulink cho thấy việc gắn bộ MPPT riêng biệt cho từng pin trong mảng giúp nâng cao hiệu suất công suất và giảm thời gian quá độ.

• Bóng che một phần gây giảm công suất đáng kể, tuy nhiên cấu hình MPPT riêng cho từng pin giúp giảm thiểu tổn thất này.

• Giải pháp đề xuất có thể ứng dụng trong thiết kế hệ thống pin mặt trời thực tế nhằm tối ưu hóa hiệu suất và độ bền.

• Các bước tiếp theo bao gồm phát triển thuật toán MPPT thích ứng nhanh, nghiên cứu vật liệu làm mát pin và thử nghiệm thực tế để hoàn thiện hệ thống.

Hành động khuyến nghị: Các nhà nghiên cứu và kỹ sư nên áp dụng mô hình mô phỏng và giải pháp MPPT riêng biệt để nâng cao hiệu quả hệ thống pin mặt trời, góp phần phát triển năng lượng tái tạo bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN THÁI HOÀNG LONG MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG SỰ THAY ĐỔI CÔNG SUẤT ĐẦU RA CỦA PIN QUANG ĐIỆN KHI MỘT SỐ THÔNG SỐ MÔI TRƯỜNG THAY ĐỔI SỬ DỤNG MATLAB/SIMULINK NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 S K C0 0 4 4 8 5 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2014 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN THÁI HOÀNG LONG MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG SỰ THAY ĐỔI CÔNG SUẤT ĐẦU RA CỦA PIN QUANG ĐIỆN KHI MỘT SỐ THÔNG SỐ MÔI TRƯỜNG THAY ĐỔI SỬ DỤNG MATLAB/SIMULINK NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 10/2014 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ NGUYỄN THÁI HOÀNG LONG MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG SỰ THAY ĐỔICÔNG SUẤT ĐẦU RACỦA PIN QUANG ĐIỆNKHI MỘT SỐ THÔNG SỐ MÔI TRƯỜNG THAY ĐỔI SỬ DỤNG MATLAB/SIMULINK NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 Hƣớng dẫn khoa học: PGS. QUYỀN HUY ÁNH Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 10/2014 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD: PGS. QUYỀN HUY ÁNH Hình 4-31. Nhiệt độ làm việc của một nhánh bị thay đổi .