Luận văn thạc sĩ mô phỏng giải thuật tìm điểm công suất cực đại của hệ thống pin quang điện có xét đến hiệu ứng bóng râm

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích mô phỏng giải thuật tìm điểm công suất cực đại của hệ thống pin quang điện có xét đến hiệu ứng bóng, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề

• Tác giả: Trần Văn Thừa
• Người hướng dẫn: PGS. Huỳnh Châu Duy
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ Tp.hcm
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Mô Phỏng Giải Thuật Tìm Điểm Công Suất Cực Đại Của Hệ Thống Pin Quang Điện Có Xét Đến Hiệu Ứng Bóng Râm
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CÁM ƠN
• Tóm tắt
• Abstract
• Danh sách hình vẽ
• 1. Chương 1: Giới thiệu chung
• 1.1. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.2. Phạm vi nghiên cứu
• 1.3. Nội dung nghiên cứu
• 1.4. Ý nghĩa của đề tài
• 1.5. Tổng quan tình hình nghiên cứu
• 1.6. Bố cục của luận văn
• 2. Chương 2: Cơ sở lý thuyết pin quang điện
• 2.1. Hệ thống pin quang điện
• 2.2. Nguyên lý hoạt động của tế bào quang điện
• 2.3. Ảnh hưởng của độ bức xạ và nhiệt độ lên tấm quang điện
• 2.4. Phân loại hệ thống PV
• 2.5. Ưu và khuyết điểm của năng lượng mặt trời
• 2.6. Hiệu chỉnh cơ khí
• 2.7. Hiệu chỉnh bám điểm công suất cực đại
• 2.8. Khảo sát hệ PV trong điều kiện không bị che
• 2.9. Khảo sát hệ PV trong điều kiện có bóng râm
• 3. Chương 3: Nghiên cứu giải thuật tìm điểm công suất cực đại hệ thống pin quang điện có xét đến hiệu ứng bóng râm
• 3.1. Bộ biến đổi DC/DC
• 3.1.1. Bộ biến đổi Buck
• 3.1.2. Bộ biến đổi Boost
• 3.1.3. Bộ biến đổi Buck - Boost
• 3.2. Điều khiển bộ biến đổi DC/DC
• 3.2.1. Điều khiển điện áp hồi tiếp
• 3.2.2. Điều khiển dòng điện hồi tiếp
• 3.3. Thuật toán xác định điểm công suất cực đại
• 3.3.1. Thuật toán Perturbation & Observation (P&O)
• 3.3.2. Thuật toán Incremental Conductance (IC)
• 3.3.3. Thuật toán điện áp không đổi
• 3.3.4. Thuật toán dòng điện ngắn mạch
• 4. Chương 4: Mô phỏng giải thuật tìm điểm công suất cực đại của hệ thống pin quang điện có xét đến hiệu ứng bóng râm
• 4.1. Xây dựng mô hình và mô phỏng hệ thống pin quang điện
• 4.2. Kết quả mô phỏng cho một array pin quang điện
• 4.2.1. Trường hợp không bị bóng râm
• 4.2.2. Trường hợp bị bóng râm
• 5. Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai
• 5.1. Hướng phát triển tương lai
• Tài liệu tham khảo

Tóm tắt

I. Tổng quan về mô phỏng giải thuật tìm điểm công suất cực đại

Mô phỏng giải thuật tìm điểm công suất cực đại cho hệ thống pin quang điện là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong ngành năng lượng tái tạo. Hệ thống pin quang điện (PV) có khả năng chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng, nhưng hiệu suất của nó thường bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như bóng râm, nhiệt độ và độ bức xạ. Việc tìm kiếm điểm công suất cực đại (MPP) là rất cần thiết để tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống PV. Nghiên cứu này sẽ tập trung vào việc mô phỏng và phân tích các giải thuật tìm điểm công suất cực đại, đặc biệt là trong điều kiện có bóng râm.

1.1. Đặc điểm của hệ thống pin quang điện

Hệ thống pin quang điện bao gồm nhiều mô-đun pin mặt trời kết nối với nhau. Mỗi mô-đun có nhiều tế bào quang điện, và hiệu suất của chúng phụ thuộc vào nhiều yếu tố như ánh sáng mặt trời, nhiệt độ và bóng râm. Việc hiểu rõ các đặc điểm này là rất quan trọng để phát triển các giải thuật tối ưu hóa hiệu suất.

1.2. Tầm quan trọng của việc tìm điểm công suất cực đại

Tìm điểm công suất cực đại là một nhiệm vụ quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống pin quang điện. Khi có bóng râm, đường đặc tính P-V trở nên phức tạp hơn, với nhiều điểm cực trị. Điều này làm cho việc theo dõi MPP trở nên khó khăn hơn, và cần có các giải thuật hiệu quả để giải quyết vấn đề này.

II. Vấn đề và thách thức trong hệ thống pin quang điện

Hệ thống pin quang điện thường gặp phải nhiều vấn đề và thách thức trong quá trình hoạt động. Một trong những vấn đề lớn nhất là hiệu ứng bóng râm, có thể làm giảm hiệu suất của hệ thống một cách đáng kể. Bóng râm có thể đến từ nhiều nguồn khác nhau như cây cối, tòa nhà, hoặc các vật thể khác. Điều này dẫn đến việc cần thiết phải phát triển các giải thuật tìm điểm công suất cực đại có khả năng hoạt động hiệu quả trong điều kiện bóng râm.

2.1. Ảnh hưởng của bóng râm đến hiệu suất pin

Bóng râm có thể làm giảm đáng kể hiệu suất của hệ thống pin quang điện. Khi một phần của mảng pin bị che khuất, nó có thể tạo ra nhiều điểm cực trị trên đường đặc tính P-V, làm cho việc tìm kiếm MPP trở nên phức tạp hơn. Nghiên cứu này sẽ phân tích các ảnh hưởng của bóng râm đến hiệu suất của hệ thống PV.

2.2. Các thách thức trong việc theo dõi MPP

Việc theo dõi điểm công suất cực đại trong điều kiện bóng râm là một thách thức lớn. Các giải thuật truyền thống như P&O có thể không hoạt động hiệu quả trong các điều kiện này. Do đó, cần có các giải pháp mới để cải thiện khả năng theo dõi MPP trong các tình huống phức tạp.

III. Phương pháp mô phỏng giải thuật tìm điểm công suất cực đại

Để giải quyết các vấn đề liên quan đến việc tìm điểm công suất cực đại trong hệ thống pin quang điện, nhiều phương pháp mô phỏng đã được phát triển. Một trong những phương pháp phổ biến nhất là thuật toán P&O (Perturb and Observe). Tuy nhiên, thuật toán này có một số hạn chế khi áp dụng trong điều kiện bóng râm. Nghiên cứu này sẽ đề xuất một số phương pháp mới nhằm cải thiện hiệu suất của hệ thống PV.

3.1. Giới thiệu về thuật toán P O

Thuật toán P&O là một trong những phương pháp phổ biến nhất để theo dõi điểm công suất cực đại. Nó hoạt động bằng cách thay đổi điện áp và quan sát sự thay đổi của công suất. Tuy nhiên, trong điều kiện bóng râm, thuật toán này có thể gặp khó khăn trong việc xác định MPP chính xác.

3.2. Đề xuất giải thuật mới

Nghiên cứu này sẽ đề xuất một giải thuật mới dựa trên thuật toán PSO (Particle Swarm Optimization) để cải thiện khả năng theo dõi MPP trong điều kiện bóng râm. Giải thuật này sẽ được mô phỏng và so sánh với thuật toán P&O để đánh giá hiệu quả.

IV. Kết quả mô phỏng và ứng dụng thực tiễn

Kết quả mô phỏng cho thấy rằng giải thuật PSO có khả năng theo dõi điểm công suất cực đại tốt hơn so với thuật toán P&O trong điều kiện bóng râm. Các mô phỏng đã được thực hiện trên nhiều cấu hình khác nhau của hệ thống pin quang điện, cho thấy sự cải thiện đáng kể về hiệu suất. Nghiên cứu này không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có thể áp dụng trong thực tiễn để tối ưu hóa hiệu suất của các hệ thống PV.

4.1. Kết quả mô phỏng với thuật toán PSO

Kết quả mô phỏng cho thấy rằng thuật toán PSO có thể theo dõi MPP một cách hiệu quả hơn trong điều kiện bóng râm. Các thông số như điện áp, dòng điện và công suất đều được cải thiện đáng kể khi áp dụng giải thuật này.

4.2. Ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu

Nghiên cứu này có thể được áp dụng trong việc thiết kế và tối ưu hóa các hệ thống pin quang điện trong thực tế. Việc sử dụng giải thuật PSO có thể giúp nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống PV, từ đó góp phần vào việc phát triển năng lượng tái tạo.

V. Kết luận và hướng phát triển tương lai

Nghiên cứu về mô phỏng giải thuật tìm điểm công suất cực đại cho hệ thống pin quang điện dưới ảnh hưởng bóng râm đã chỉ ra rằng việc áp dụng các giải thuật mới như PSO có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của hệ thống. Tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các giải pháp mới để tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống PV trong các điều kiện khác nhau.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng giải thuật PSO có thể theo dõi MPP hiệu quả hơn trong điều kiện bóng râm. Kết quả mô phỏng cho thấy sự cải thiện đáng kể về hiệu suất của hệ thống PV.

5.2. Hướng phát triển trong tương lai

Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu để phát triển các giải thuật mới và cải thiện khả năng theo dõi MPP trong các điều kiện phức tạp. Việc áp dụng công nghệ mới và cải tiến quy trình sẽ giúp nâng cao hiệu suất của hệ thống pin quang điện.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu chung + Chương 2: Cơ sở lý thuyết pin quang điện + Chương 3: Nghiên cứu giải thuật tìm điểm công suất cực đại của hệ thống pin quang điện có xét đến hiệu ứng bóng râm + Chương 4: Mô phỏng giải thuật tìm điểm công suất cực đại của hệ thống pin quang điện có xét đến hiệu ứng bóng râm + Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai 6 Chương 2 Cơ sở lý thuyết pin quang điện 2. Giới thiệu Những thách thức trong việc đảm bảo nguồn năng lượng cần thiết sau khi sự suy giảm của năng lượng không tái sinh trên toàn cầu hiện tại đã được giải quyết trong những năm gần đây với sự phát triển các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời và gió. Đây là một bước quan trọng trong việc đảm bảo vấn đề cung cấp năng lượng không tái sinh trong tương lai. Để có cài nhìn tổng quan về các công trình nghiên cứu trong lĩnh vực năng lượng tái tạo nói chung và việc tối ưu hóa trong việc sử dụng năng lượng mặt trời nói riêng, chúng tôi giới thiệu sơ lược về một số thành tựu như sau: - Các tế bào pin quang điện đầu tiên đã được sản xuất trong những năm 1950, và trong suốt những năm 1960, chủ yếu được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các vệ tinh xoay quanh trái đất.

Trong những năm 1970, cuộc khủng hoảng năng lượng đã thúc đẩy những cải tiến trong sản xuất, hiệu quả và chất lượng của các module PV đã giúp giảm đáng kể chi phí. Ngày nay, sản xuất của ngành công nghiệp của các module PV đang tăng trưởng khoảng 25% mỗi năm. Các chương trình lớn ở Mỹ, Nhật Bản và châu Âu đang nhanh chóng đẩy nhanh tiến độ thực hiện của các hệ thống PV trên các tòa nhà và kết nối với lưới điện quốc gia. - Vào đầu những năm 2000, người ta xây dựng thành công mô hình động, trong đó có xét đến nhiều ảnh hưởng của các yếu tố môi trường cho hệ thống năng lượng mặt trời.

Người ta bắt đầu mô phỏng dựa trên các mô hình và không ngừng hoàn thiện nó. Ví dụ, trong Matlab Simulnik, người ta thành lập các mô hình từ các bộ blockset toán học. Đến năm 2009, lần đầu tiên các mô hình này được Matlab tích hợp vào bộ blockset Simscape làm cho việc mô phỏng dễ dàng hơn. - Vào năm 2005, người ta phát triển thuật toán P&O, nhằm tối ưu hóa công suất của hệ PV dưới tác động của môi trường.

Sau đó, các kỹ thuật MPPT 7 khác ra đời nhằm cải thiện thuật toán này như P&O hai bước, P&O hai bước cải tiến kết nối lưới điện vào năm 2009. - Những năm sau đó với sự pháp triển của trí tuệ nhân tạo, người ta phát triển các kỹ thuật MPPT dựa trên lý thuyết mờ, thuật toán di truyền,. Một số tác giả đã tổng hợp và so sánh các kỹ thuật MPPT. - Gần đây, thuật toán tối ưu hóa PSO phát triển, người ta đang có xu hướng phát triển kỹ thuật MPPT dựa trên thuật toán này.

Hệ thống pin quang điện Hình 2.1 cho thấy sự khác biệt giữa một tế bào năng lượng mặt trời (cell), mô-đun (module) và mảng (array). Hình này cho thấy một mô-đun được tạo thành từ một số tế bào và một mảng được tạo thành từ một số mô-đun. Cấu trúc một mảng PV - Năng lượng mặt trời đã trở nên quan trọng trên toàn cầu trong những năm gần đây do khủng hoảng năng lượng toàn cầu thế giới phải đối mặt. - Các tấm năng lượng mặt trời sử dụng năng lượng ánh sáng từ mặt trời để tạo ra điện thông qua hiệu ứng quang điện.

- Quang điện là một phương pháp tạo ra điện bằng cách chuyển đổi bức xạ mặt trời thành điện một chiều (DC), sử dụng chất bán dẫn có biểu hiện hiệu ứng quang điện. 8 - Năng lượng mặt trời được xem là nguồn năng lượng đáng tin cậy vì dễ dàng dự đoán được bao nhiêu năng lượng có thể được sản xuất với các tấm pin mặt trời. Các nước gần xích đạo có tiềm năng năng lượng này lớn hơn nhiều do mức nhiệt độ và bức xạ lớn hơn so với các nước xa đường xích đạo.2 cho thấy bức xạ mặt trời trung bình toàn cầu và hình 2.3 cho thấy nhiệt độ trung bình toàn cầu. Những hình này cho thấy tiềm năng năng lượng mặt trời là lớn nhất ở lân cận của đường xích đạo do mức độ bức xạ mặt trời và nhiệt độ cao nhất trong các khu vực này.4 cho thấy lượng ánh sáng mặt trời chiếu trung bình hàng tháng ở mỗi nơi mỗi khác nhau.

Ví dụ, số giờ nắng tại Tp.Hồ Chí Minh cực đại vào tháng 4 và tháng 9 hàng năm (khoảng 150 giờ/tháng). Trong khi ở Huế, giờ nắng cực đại vào tháng 5 và tháng 7 ( lớn hơn 200 giờ/tháng). Bản đồ bức xạ mặt trời trung bình toàn cầu Hình 2. Bản đồ nhiệt độ trung bình toàn cầu 9 a) Số giờ nắng trung bình hàng tháng tại Tp.

Hồ Chí Minh, Việt Nam b) Số giờ nắng trung bình hàng tháng tại Huế, Việt Nam Hình 2. Số giờ nắng trung bình tại các một vài thành phố của Việt Nam Hình 2. Tỉ lệ tổn thất công suất theo góc lệch 10 - Năng lượng mặt trời không phát ra bất kỳ khí nhà kính nào khi hoạt động, không giống như các nguồn năng lượng thông thường khác, tức là nhiên liệu hóa thạch. - Các ứng theo dõi và hiệu chỉnh (tracking) năng lượng mặt trời được sử dụng rộng rãi để cực đại hóa góc tới giữa ánh sáng mặt trời và các tấm PV.

Góc độ này luôn được giữ như gần như vuông góc.5 cho tổn thất công suất theo góc lệch so với phương vuông góc với tia tới. - Với những tiến bộ trong công nghệ và việc mở rộng quy mô sản xuất đã làm chi phí của năng lượng mặt trời đã giảm dần kể so với khi các tế bào năng lượng mặt trời lần đầu được sản xuất. - Hiệu suất của tế bào năng lượng mặt trời phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt độ của mặt trời, mức độ cách nhiệt, đặc tính phổ của ánh sáng mặt trời, Hình 2.6, bụi nằm trên các module năng lượng mặt trời và các hiệu ứng bóng râm. Phổ bức xạ của mặt trời đến trái đất 11 - Hình 2.6 phần diện tích bên dưới đường cong (màu nhạt) tương ứng đặc tính phổ ở trên đỉnh bầu khí quyển, phần diện tích màu sậm tương ứng đặc tính phổ trên bề mặt trái đất ở độ cao mực nước biển.

Trái đất được xem như một “backbody” đối với phổ bức xạ mặt trời, phổ ánh sáng chỉ phù thuộc vào nhiệt độ. Ta nhận thấy khi ánh sáng mặt trời đi qua bầu khí quyển đến trái đất, vùng ánh sáng tử ngoại bị hấp thu gần hết. Khi đến bề mặt trái đất ở độ cao mực nước biển, còn lại 40% năng lượng tập trung ở vùng khả kiến, 50% năng lượng ở vùng hồng ngoại và chỉ 10% năng lượng ở vùng tử ngoại. Nguyên lý hoạt động của tế bào quang điện Tế bào quang điện hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện do nhà bác học Heinrich Hertz phát hiện vào năm 1887.

Hiệu ứng quang điện là một hiện tượng trong đó năng lượng mặt trời được chuyển trực tiếp thành năng lượng điện thông qua việc sử dụng các tế bào năng lượng mặt trời. Một tế bào pin quang điện điển hình (PV) có cấu tạo gồm một tấm bán dẫn mỏng chứa một lớp tạp chất Phốt pho - Silic siêu mỏng (loại N) ở phía trên của một lớp dày của tạp chất Bo – Silic (loại P). Một điện trường được tạo ra gần bề mặt của các tế bào, nơi hai vật liệu này tiếp xúc, được gọi là tiếp giáp P- N. Khi ánh sáng mặt trời chiếu tới bề mặt của một tế bào quang điện, điện trường này cung cấp động lượng và định hướng cho các electron ánh sáng được kích thích, làm sinh ra một dòng điện khi các tế bào năng lượng mặt trời được kết nối với một tải điện.

Nguyên lý hoạt động của tế bào quang điện 12 Một tế bào quang điện điển hình tạo ra khoảng 0,5 - 0,6 volt DC dưới điều kiện hở mạch và không tải mà không phụ thuộc vào kích thước (diện tích bề mặt) của nó. Dòng điện (và công suất) đầu ra của một tế bào PV phụ thuộc vào hiệu suất và kích thước của nó, và tỷ lệ thuận với cường độ của ánh sáng mặt trời chiếu trên bề mặt của tế bào. Ví dụ, trong điều kiện ánh sáng mặt trời cực đại, một tế bào PV thương mại điển hình với diện tích bề mặt 160 cm2 sẽ sinh ra khoảng 2 watt công suất đỉnh. Nếu cường độ ánh sáng mặt trời là 40% cường độ ánh sáng cực đại, tế bào này sẽ sinh ra khoảng 0,8 watt.

Cả hai dòng điện và điện áp đều phụ thuộc vào điện trở của mạch được kết nối. Ảnh hưởng của độ bức xạ và nhiệt độ lên tấm quang điện Hình 2.9 mô phỏng cho module BP-MSX-120 [16] cho thấy, với nhiệt độ không đổi (250C), mức độ bức xạ càng lớn thì dòng điện sinh ra càng cao còn điện áp thay đổi không đáng kể, dẫn đến công suất điện thu được càng lớn. Ảnh hưởng của điện áp và dòng điện theo độ bức xạ 13 Hình 2. Ảnh hưởng của công suất điện theo độ bức xạ Hình 2.11 mô phỏng cho module BP-MSX-120 [16] cho thấy, với độ bức xạ không đổi (1000 W/m2), nhiệt độ càng thấp thì điện áp càng cao, trong khi dòng điện thay đổi không đáng kể, dẫn đến công suất điện càng lớn.

Nhưng mức độ thay đổi công suất là chậm hơn nhiều so với trường hợp thay đổi độ bức xạ. Rõ ràng là nhiệt độ cao không có lợi bằng độ bức xạ lớn. Điều kiện lý tưởng sẽ có một mức độ bức xạ rất cao và nhiệt độ thấp, nhưng tiếc là kịch bản như vậy là rất khó khăn để đạt được ở bất cứ nơi nào trên thế giới khi mức độ bức xạ mặt trời và nhiệt độ từ mặt trời là phụ thuộc lẫn nhau. Tuy nhiên, hầu hết ở vùng có bức xạ mặt trời cao hơn thì công suất điện thu được lớn hơn do ảnh hưởng của nhiệt độ ít hơn ảnh hưởng của bức xạ mặt trời.

Ở một số hệ thống, người ta còn trang bị thêm hệ thống làm mát để nâng cao hiệu suất chuyển hóa quang điện. Ảnh hưởng của điện áp và dòng điện theo nhiệt độ Hình 2. Ảnh hưởng của công suất điện theo nhiệt độ 2. Phân loại hệ thống PV 2.