Luận văn thạc sĩ về bộ chuyển đổi năng lượng từ pin mặt trời

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu nghiên cứu bộ chuyển đổi năng lượng từ pin mặt trời, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn thiện trong lĩnh vực .

• Tác giả: Trần Tấn Nguyện
• Người hướng dẫn: Thầy Trương Việt Anh
• Trường học: Không có thông tin
• Chuyên ngành: Không có thông tin
• Đề tài: Nghiên cứu và cải thiện bộ chuyển đổi năng khi cánh đồng pin mặt trời bị bóng che.
• Loại tài liệu: Luận văn tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• MỤC LỤC
• Danh sách các chữ viết tắt
• Danh sách các hình
• Danh sách các bảng
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố
• 1.2. Mục đích của đề tài
• 1.3. Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Mô hình pin mặt trời
• 2.2. Bộ chuyển đổi DC/DC
• 2.2.1. Bộ chuyển đổi DC/DC boost converter
• 2.2.2. Bộ chuyển đổi DC/DC buck converter
• 2.3. Điểm làm việc cực đại của Pin mặt trời
• 2.4. Các phương pháp tìm điểm cực đại của pin mặt trời phổ biến
• 2.4.1. Phương pháp điện áp hằng số
• 2.4.2. Phương pháp P&O (Perturb and Observe)
• 2.4.3. Phương pháp INC (Incremental Conductance)
• 2.5. Pin mặt trời bị ảnh bởi bóng che
• 3. CHƯƠNG 3: ĐỀ XUẤT BỘ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG ĐÁP ỨNG CÁC ĐIỀU KIỆN THAY ĐỔI
• 3.1. Xây dựng cấu hình chung cho bộ chuyển đổi năng lượng. Giải thuật đề xuất cho việc tìm điểm cực đại cho pin mặt trời khi bị bóng. Cấu hình một bộ DC/DC cho toàn hệ thống cánh đồng pin (cấu hình 1)
• 3.2. Cấu hình một bộ DC/DC cho 1 pin (cấu hình 2)
• 3.3. Xây dựng mô hình mô phỏng giải thuật
• 3.4. Mô hình Pin mặt trời
• 3.5. Cấu hình bộ chuyển đổi NL cho cánh đồng pin mặt trời đề xuất
• 3.6. Bộ chuyển đổi DC/DC boost converter
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
• 4.1. Mô hình mô phỏng
• 4.2. Mô hình hệ thống mô phỏng cấu hình 1
• 4.3. Mô hình hệ thống mô phỏng cấu hình 2
• 4.4. Kết quả mô phỏng
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
• 5.1. Mô hình thực nghiệm
• 5.2. Kết quả thực nghiệm
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
• 6.1. Hướng phát triển của đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu bộ chuyển đổi năng lượng từ pin mặt trời

Nghiên cứu về bộ chuyển đổi năng lượng từ pin mặt trời đang trở thành một lĩnh vực quan trọng trong bối cảnh năng lượng tái tạo ngày càng được chú trọng. Năng lượng mặt trời không chỉ là nguồn năng lượng sạch mà còn có tiềm năng lớn trong việc giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Các nghiên cứu hiện tại tập trung vào việc cải thiện hiệu suất pin mặt trời và tối ưu hóa các bộ chuyển đổi năng lượng để khai thác tối đa năng lượng từ ánh sáng mặt trời.

1.1. Tầm quan trọng của năng lượng mặt trời trong phát triển bền vững

Năng lượng mặt trời đóng vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu sự phụ thuộc vào năng lượng hóa thạch. Việc sử dụng năng lượng sạch giúp bảo vệ môi trường và giảm thiểu hiệu ứng nhà kính.

1.2. Các nghiên cứu hiện tại về bộ chuyển đổi năng lượng

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc cải thiện hiệu suất pin mặt trời có thể đạt được thông qua các công nghệ mới và các phương pháp tối ưu hóa bộ chuyển đổi năng lượng.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu bộ chuyển đổi năng lượng

Mặc dù có nhiều tiến bộ trong công nghệ bộ chuyển đổi năng lượng, vẫn tồn tại nhiều thách thức cần giải quyết. Một trong những vấn đề lớn nhất là ảnh hưởng của bóng che đến hiệu suất của pin mặt trời. Khi pin mặt trời bị bóng che, hiệu suất pin mặt trời giảm đáng kể, dẫn đến việc không khai thác được tối đa năng lượng từ ánh sáng mặt trời.

2.1. Ảnh hưởng của bóng che đến hiệu suất pin mặt trời

Bóng che có thể làm giảm đáng kể công suất phát ra của pin mặt trời, gây khó khăn trong việc duy trì hiệu suất tối ưu.

2.2. Các giải pháp hiện tại để khắc phục vấn đề bóng che

Nhiều giải pháp đã được đề xuất, bao gồm việc sử dụng các bộ chuyển đổi năng lượng độc lập cho từng tấm pin để tối ưu hóa công suất phát ra.

III. Phương pháp tối ưu hóa hiệu suất bộ chuyển đổi năng lượng

Để cải thiện hiệu suất của bộ chuyển đổi năng lượng, nhiều phương pháp đã được nghiên cứu và áp dụng. Một trong những phương pháp hiệu quả nhất là sử dụng thuật toán MPPT (Maximum Power Point Tracking) để tìm điểm công suất cực đại của pin mặt trời. Phương pháp này giúp đảm bảo rằng pin mặt trời luôn hoạt động ở điểm công suất tối ưu.

3.1. Giới thiệu về thuật toán MPPT

Thuật toán MPPT giúp xác định điểm công suất cực đại của pin mặt trời, từ đó tối ưu hóa công suất phát ra trong các điều kiện khác nhau.

3.2. Các loại thuật toán MPPT phổ biến

Có nhiều loại thuật toán MPPT như P&O (Perturb and Observe) và INC (Incremental Conductance) được sử dụng để tối ưu hóa hiệu suất của pin mặt trời.

IV. Ứng dụng thực tiễn của bộ chuyển đổi năng lượng từ pin mặt trời

Bộ chuyển đổi năng lượng từ pin mặt trời đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ hộ gia đình đến các nhà máy điện lớn. Việc sử dụng năng lượng mặt trời không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng công nghệ này có thể giảm thiểu đáng kể lượng khí thải carbon.

4.1. Ứng dụng trong hộ gia đình

Nhiều hộ gia đình đã lắp đặt hệ thống pin mặt trời để giảm chi phí điện năng và sử dụng năng lượng sạch.

4.2. Ứng dụng trong công nghiệp

Các nhà máy điện mặt trời lớn đang được xây dựng để cung cấp năng lượng tái tạo cho lưới điện quốc gia.

V. Kết luận và tương lai của bộ chuyển đổi năng lượng từ pin mặt trời

Nghiên cứu về bộ chuyển đổi năng lượng từ pin mặt trời đang mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành năng lượng tái tạo. Với sự phát triển của công nghệ, hiệu suất của pin mặt trời sẽ tiếp tục được cải thiện, giúp giảm chi phí và tăng khả năng cạnh tranh của năng lượng mặt trời trên thị trường. Tương lai của năng lượng mặt trời hứa hẹn sẽ rất tươi sáng.

5.1. Triển vọng phát triển công nghệ pin mặt trời

Công nghệ pin mặt trời sẽ tiếp tục phát triển với nhiều cải tiến về hiệu suất và chi phí, mở ra cơ hội mới cho việc sử dụng năng lượng tái tạo.

5.2. Tác động đến môi trường và xã hội

Việc sử dụng năng lượng mặt trời không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn tạo ra nhiều việc làm trong lĩnh vực năng lượng tái tạo.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 Comparison Of Maximum Power Point Tracking Algorithms For Photovoltaic System [7]. A study of a two stage maximum power point tracking control of a photovoltaic system under partially shaded insolation conditions [28] 1. Mục đích của đề tài Đề tài tập trung nghiên cứu các phương pháp tìm điểm làm việc cực đại của pin mặt trời xét trên 1 cá thể pin mặt trời và xét trên toàn thể cách đồng pin năng lương mặt trời, khi xét điểm làm việc cực đại của hệ thống cánh đồng pin mặt trời có xét đến ảnh hưởng của bóng. Trên đặc các đặc tuyến của pin mặt trời, tồn tại một điểm vận hành tối ưu nơi mà công suất nhận được từ pin mặt trời là cực đại.

Tuy nhiên, điểm vận hành tối ưu này không cố định mà nó thay đổi theo các điều kiện môi trường đặc biệt là bức xạ mặt trời và nhiệt độ pin, đối với cán đồng pin năng lượng mặt trời điểm vận hành tối ưu này còn phụ thuộc vào vùng bóng của cách đồng pin. Vì vậy tìm điểm làm việc cực đại (MPP) của pin mặt trời là một phần không thể thiếu của hệ thống pin mặt trời nói chung và là của bộ chuyển đổi năng lượng từ pin mặt trời nói riêng. Bộ chuyển đổi năng lượng có nhiệm vụ chuyển toàn bộ năng lượng của pin mặt trời ra tải, dưới sự điều khiển của bộ tìm điểm cực đại của pin mặt trời. Có rất nhiều bộ chuyển đổi năng lượng từ pin mặt trời đã được nghiên cứu và công bố.

Các bộ chuyển đổi năng lượng này khác nhau ở nhiều khía cạnh như mức độ phức tạp, thông số đo lường, số lượng cảm biến yêu cầu, tốc độ chuyển đổi và giá thành. Đề tài sẽ nghiên cứu các bộ chuyển đổi năng lượng từ pin mặt trời. Mục đích của nghiên cứu của đề tài là đề xuất bộ chuyển đổi năng lượng kết hợp với phương pháp MPPT tối ưu với khả năng đáp ứng dưới các điều kiện môi trường như nhiệt độ, bức xạ thay đổi và chi phí thấp, có khả năng dò được điểm làm việc tối ưu của hệ thống cánh đồng pin năng lượng mặt trời. Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài - Xây dựng mô hình pin mặt trời xét đến ảnh hưởng của bóng che, phân tích các đặc tuyến I-V, P-V của pin mặt trời, sự phụ thuộc các đặc tính của pin mặt trời dưới các điều kiện môi trường - Nghiên cứu các giải thuật MPPT của pin mặt trời, đề xuất phương pháp MPPT xét đến ảnh hưởng của bóng che.

- Đề xuất cấu hình cánh đồng pin mặt trời. - Thi công phần cứng dò tìm điểm cực đại khi bị bóng che. - Dùng phần mềm Matlab/Simulink nghiên cứu xây dựng mô hình pin mặt trời, bộ chuyển đổi năng lượng và giải thuật dò tìm điểm làm việc cực đại cho cánh đồng pin. Phương pháp nghiên cứu - Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu.

- Nghiên cứu các mô hình toán học của pin mặt trời. Đề nghị mô hình tính toán cụ thể. - Xây dựng mô hình mô phỏng pin mặt trời và các giải thuật MPPT kết hợp với bộ chuyển đổi năng lượng DC/DC. - Phân tích các kết quả nhận được và các kiến nghị.

- Đánh giá tổng quát toàn bộ bản luận văn. Đề nghị hướng phát triển của đề tài. 6 Chương 2 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Mô hình pin mặt trời Một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời thành điện nhờ hiệu ứng quang điện được gọi là pin mặt trời.

Mạch điện tương đương của pin mặt trời được cho như hình 2. Mạch điện tương đương của pin mặt trời Mạch điện gồm có dòng quang điện Iph, điot, điện trở dòng rò Rsh và điện trở nối tiếp Rs, đặc tuyến I-V của pin được mô tả bằng biểu thức sau: 𝑞 𝑘𝑇 𝐶 𝐴 𝑉+𝐼𝑅 𝑉 + 𝐼𝑅𝑆 𝐼 = 𝐼𝑃𝐻 − 𝐼𝑆 𝑒 −1 − (2.1) 𝑅𝑆𝐻 Trong đó: Iph: dòng quang điện (A) Is: dòng bão hòa (A) q: điện tích của electron, q = 1,6x10-19 C 7 Chương 2 k: hằng số Boltzmann’s, k =1,38x10-23 J/K Tc: nhiệt độ vận hành của pin (K) A: hệ số lý tưởng phụ thuộc vào công nghệ chế tạo pin, ví dụ công nghệ Si- mono A=1.3… Dòng quang điện Iph phụ thuộc trực tiếp vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ của pin: 𝐼𝑃𝐻 = 𝐼𝑆𝐶 + 𝐾1 (𝑇𝐶 − 𝑇𝑅𝑒𝐹 ) 𝜆 (2.2) Trong đó: Isc: dòng ngắn mạch tại nhiệt độ tiêu chuẩn 250C (A) và bức xạ 1kW/m2 K1: hệ số dòng điện phụ thuộc vào nhiệt độ (A/0C) Tc: Nhiệt độ vận hành của pin mặt trời (K) TRef : Nhiệt độ tiêu chuẩn của pin mặt trời (K) λ: Bức xạ mặt trời (kW/m2) Mặt khác, dòng bão hòa Is là dòng các hạt tải điện không cơ bản được tạo ra do kích thích nhiệt. Khi nhiệt độ của pin mặt trời tăng dòng bão hòa cũng tăng theo hàm mũ.3) 𝑇𝑅𝑒𝑓 Trong đó: IRS: Dòng điện ngược bão hòa tại nhiệt độ tiêu chuẩn (A) EG: Năng lượng lỗ trống của chất bán dẫn 8 Chương 2 Đối với pin mặt trời lý tưởng, điện trở dòng rò Rsh = ∞, Rs = 0. Khi đó mạch điện tương đương của pin mặt trời được cho bởi hình 2.

Mô hình pin mặt trời lý tưởng Khi đó, biểu thức (2.1) có thể được mô tả như sau: 𝑞𝑉 𝐼 = 𝐼𝑃𝐻 − 𝐼𝑆 𝑒 𝑘𝑇 𝐶 𝐴 − 1 (2.4) Và dòng bão hòa ngược tiêu chuẩn có thể được biểu diễn như sau: 𝐼𝑆𝐶 𝐼𝑅𝑆 = (2.5) 𝑞 𝑉 𝑂𝐶 𝑘𝐴 𝑇 𝑅𝑒𝑓 𝐸 −1 Thông thường, công suất của pin mặt trời khoảng 2 W và điện áp khoảng 0. Vì vậy, các pin mặt trời được ghép nối với nhau theo dạng nối tiếp - song song để sinh ra lượng công suất và điện áp đủ lớn. Mạch điện tương đương của mô đun pin mặt trời gồm có Np nhánh song song và Ns pin nối tiếp được mô tả như hình 2. Mô đun pin mặt trời 9 Chương 2 Mạch điện hình 2.3 được miêu tả bởi biểu thức sau: 𝑞𝑉 𝐼 = 𝑁𝑃 𝐼𝑃𝐻 − 𝑁𝑃 𝐼𝑆 𝐸 𝑁 𝑆 𝐾𝑇 𝐶 𝐴 − 1 (2.6) Pin mặt trời chuyển một phần bức xạ mặt trời trực tiếp thành năng lượng điện, nhưng một phần đó chuyển thành nhiệt cộng với pin mặt trời có màu dễ hấp thụ nhiệt nên nhiệt độ vận hành của pin có thể cao hơn nhiệt độ môi trường.

Nhiệt độ của pin dưới các điều kiện khác nhau có thể được đánh giá qua nhiệt độ vận hành bình thường (NOCT). Đặc tuyến I-V tương ứng với tùng bức xạ nhất định được mô tả như sau: Hình 2.4: Đặc tuyến I-V với các bức xạ khác nhau 10 Chương 2 Hình 2.5: Đặc tuyến P-V với các bức xạ khác nhau 2. Bộ chuyển đổi DC/DC Bộ biến đổi DC/DC được sử dụng rộng rãi trong nguồn điện 1 chiều với mục đích chuyển đổi nguồn một chiều không ổn định thành nguồn điện một chiều có thể điều khiển được. Trong hệ thống pin mặt trời, bộ biến đổi DC/DC được kết hợp chặt chẽ với MPPT.

MPPT sử dụng bộ biến đổi DC/DC để điều chỉnh nguồn điện áp vào lấy từ nguồn pin mặt trời, chuyển đổi và cung cấp điện áp lớn nhất phù hợp với tải. Bộ chuyển đổi DC/DC boost converter Mạch boost converter hay còn được gọi là mạch tăng áp. Bộ biến đổi này phù hợp với các ứng dụng có điện áp yêu cầu lớn hơn điện áp đầu vào. Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi này dựa vào đặc tính lưu trữ và tích phóng năng lượng của cuộn dây.

11 Chương 2 Hình 2. Sơ đồ nguyên lý mạch boost Khi S đóng cho dòng qua (TON) dòng điện từ nguồn chạy qua cuộn dây, năng lượng từ trường được tích lũy trong cuộn dây. Không có dòng điện chạy qua điốt D và dòng tải được cung cấp bởi tụ điện C Hình 2. Mạch điện khi S đóng Hình 2.

Dạng sóng điện áp và dòng điện trên cuộn dây L khi S đóng 12 Chương 2 Khi đó: 𝑑𝑖𝐿 𝑣𝐿 = 𝑉𝑑 = 𝐿 (2. Mạch điện khi S mở Hình 2. Dạng sóng điện áp và dòng điện trên L khi S mở 13 Chương 2 Khi S đóng (TOFF), dòng điện cảm ứng chạy vào tải qua điốt cũng như nạp lại cho tụ điện C.15) 𝐿 Năng lượng lưu trữ trong cuộn dây bằng 0 khi kết thúc chu kỳ. Bộ chuyển đổi DC/DC buck converter Hình 2.11 cho thấy cấu hình cơ bản của một bộ chuyển đổi buck.

Một số bộ chuyển đổi có diode thay thế bằng một công tắc thứ hai được tích hợp vào bộ chuyển đổi. Cấu hình mạch buck 14 Chương 2 𝑉𝑜𝑢𝑡 × 𝜂 𝐷= (2.20) 𝑓𝑠 × 𝐿 VIN(min) = điện áp ngõ vào nhỏ nhất D = chu kỳ hoạt động được tính trong công thức 2.19 fs = tần số đóng cắt của công tắc trong mạch L = giá trị lựa chọn cuộn cảm Dòng điện ngõ ra cực đại.21) 2 ILIM(min) = giá trị nhỏ nhất của giới hạn dòng điện của công tắc tích hợp (được đưa ra trong bản dữ liệu) ΔIL = năng lượng trong cuộn cảm được tính trong công thức 2.20 D = chu kỳ hoạt động được tính trong công thức 2.19 Nếu giá trị tính là hơn dòng điện ngõ ra cực đại của ứng dụng, dòng điện cực đại qua công tắc trong hệ thống được tính toán: 15 Chương 2 ∆𝐼𝐿 𝐼𝑆𝑊(max ) = + 𝐼𝑂𝑈𝑇(𝑚𝑎𝑥 ) (2.22) 2 IOUT(max) = dòng điện ngõ ra cần thiết cho ứng dụng Đây là dòng điện đỉnh, cuộn cảm, các công tắc tích hợp và diode bên ngoài phải bền. Đối với các bộ phận mà không có phạm vi điện cảm được đưa ra, các công thức sau đây là một ước lượng tốt cho điện cảm: 𝑉𝑂𝑈𝑇 × 𝑉𝐼𝑁 − 𝑉𝑂𝑈𝑇 𝐿= (2.23) ∆𝐼𝐿 × 𝑓 𝑆 × 𝑉𝐼𝑁 VIN = điện áp ngõ vào VOUT = điện áp mong muốn ngõ ra fs = tần số đóng cắt nhỏ nhất của công tắc trong mạch ΔIL = năng lượng trong cuộn cảm, được giải thích như sau Ước tính cho sóng dòng điện trong cuộn cảm là từ 20% đến 40% của dòng điện ngõ ra.4 × 𝐼𝑂𝑈𝑇(𝑚𝑎𝑥 ) ΔIL = sóng dòng điện ước tính cho cuộn cảm IOUT(max) = dòng điện ngõ ra cực đại cần thiết trong ứng dụng 16 Chương 2 2. Điểm làm việc cực đại của Pin mặt trời Về cơ bản, trên đường đặc tuyến PV của pin mặt trời, trời tồn tại một điểm công suất cực đại ứng với dòng điện và điện áp tương ứng.

Đặc tuyến I-V, P-V của pin mặt trời với điểm công suất cực đại Tuy nhiên, điểm cực đại này lại không cố định, chúng luôn thay đổi theo các điều kiện môi trường (Hình 2.