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

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu hcmute nghiên cứu bộ chuyển đổi năng lượng từ pin mặt trời, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải pháp cải thiện thực tiễn.

• Tác giả: Trần Tấn Nguyện
• Người hướng dẫn: TS. Trương Việt Anh
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Thiết Bị Mạng Và Nhà Máy Điện
• Đề tài: Nghiên Cứu Bộ Chuyển Đổi Năng Lượng Từ Pin Mặt Trời
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• 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
• 2.3. Bộ chuyển đổi DC/DC boost converter
• 2.4. Bộ chuyển đổi DC/DC buck converter
• 2.5. Điểm làm việc cực đại của Pin mặt trời
• 2.6. Các phương pháp tìm điểm cực đại của pin mặt trời phổ biến
• 2.6.1. Phương pháp điện áp hằng số
• 2.6.2. Phương pháp P&O (Perturb and Observe)
• 2.6.3. Phương pháp INC (Incremental Conductance)
• 2.7. 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 tại HCMUTE tập trung vào việc cải thiện hiệu suất của hệ thống năng lượng tái tạo. Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng dồi dào và bền vững, tuy nhiên, hiệu suất chuyển đổi năng lượng của pin mặt trời thường bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như bức xạ, nhiệt độ và bóng che. Luận văn này nhằm mục đích tìm ra giải pháp tối ưu cho việc chuyển đổi năng lượng từ pin mặt trời trong điều kiện thực tế, đặc biệt là khi có bóng che. Việc nghiên cứu này không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn mang lại ứng dụng thực tiễn cao trong việc phát triển các hệ thống năng lượng mặt trời hiệu quả hơn.

1.1. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục đích chính của nghiên cứu là phát triển một bộ chuyển đổi năng lượng hiệu quả cho pin mặt trời, đặc biệt trong điều kiện bị bóng che. Nhiệm vụ bao gồm việc xây dựng mô hình pin mặt trời, phân tích các đặc tuyến I-V và P-V, và nghiên cứu các giải thuật MPPT (Maximum Power Point Tracking) để tối ưu hóa hiệu suất. Nghiên cứu cũng sẽ đề xuất cấu hình cho cánh đồng pin mặt trời nhằm nâng cao khả năng chuyển đổi năng lượng trong các điều kiện môi trường khác nhau.

II. Cơ sở lý thuyết về pin mặt trời và bộ chuyển đổi năng lượng

Cơ sở lý thuyết của nghiên cứu bao gồm các khái niệm về pin mặt trời và bộ chuyển đổi năng lượng. Pin mặt trời hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện, nơi mà ánh sáng mặt trời được chuyển đổi thành điện năng. Đặc tuyến I-V của pin mặt trời cho thấy mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp, từ đó xác định điểm làm việc cực đại (MPP). Bộ chuyển đổi DC/DC là thiết bị quan trọng trong việc tối ưu hóa năng lượng thu được từ pin mặt trời. Các phương pháp tìm điểm cực đại như P&O (Perturb and Observe) và INC (Incremental Conductance) sẽ được áp dụng để cải thiện hiệu suất chuyển đổi năng lượng.

2.1. Mô hình pin mặt trời

Mô hình pin mặt trời được xây dựng dựa trên các thành phần như dòng quang điện, điện trở nối tiếp và điện trở dòng rò. Đặc tuyến I-V của pin mặt trời được mô tả bằng các phương trình toán học, cho phép phân tích hiệu suất hoạt động của pin mặt trời trong các điều kiện khác nhau. Việc hiểu rõ mô hình này là cần thiết để phát triển các giải pháp tối ưu cho bộ chuyển đổi năng lượng.

III. Đề xuất cấu hình bộ chuyển đổi năng lượng

Cấu hình bộ chuyển đổi năng lượng được đề xuất trong nghiên cứu này bao gồm việc chia cánh đồng pin mặt trời thành nhiều phần tử nhỏ, mỗi phần tử được trang bị một bộ DC/DC riêng. Cấu hình này cho phép tối ưu hóa việc thu thập năng lượng từ pin mặt trời ngay cả khi có bóng che. Giải thuật MPPT sẽ được áp dụng để dò tìm điểm công suất lớn nhất, từ đó nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng. Kết quả mô phỏng cho thấy cấu hình này có khả năng truyền công suất ra lưới lớn hơn so với cấu hình truyền thống.

3.1. Cấu hình bộ chuyển đổi DC DC

Cấu hình bộ chuyển đổi DC/DC được thiết kế để tối ưu hóa việc chuyển đổi năng lượng từ pin mặt trời. Các loại bộ chuyển đổi như boost converter và buck converter sẽ được nghiên cứu và áp dụng. Việc lựa chọn cấu hình phù hợp sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của hệ thống năng lượng mặt trời, đặc biệt trong điều kiện bị bóng che.

IV. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm

Kết quả mô phỏng cho thấy rằng cấu hình bộ chuyển đổi năng lượng mới có khả năng cải thiện hiệu suất chuyển đổi năng lượng từ pin mặt trời. Các thử nghiệm thực nghiệm cũng xác nhận rằng giải thuật MPPT có thể khắc phục nhược điểm dò sai tại điểm cực trị địa phương khi cánh đồng pin mặt trời bị bóng che. Những kết quả này chứng minh tính khả thi và hiệu quả của cấu hình bộ chuyển đổi năng lượng được đề xuất.

4.1. Phân tích kết quả thực nghiệm

Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng việc áp dụng cấu hình bộ chuyển đổi năng lượng mới đã mang lại hiệu suất cao hơn so với các cấu hình truyền thống. Các số liệu thu được từ các thử nghiệm cho thấy sự cải thiện rõ rệt trong việc thu thập năng lượng từ pin mặt trời, đặc biệt là trong điều kiện có bóng che. Điều này mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các hệ thống năng lượng mặt trời hiệu quả hơn trong tương lai.

V. Kết luận và hướng phát triển

Nghiên cứu về bộ chuyển đổi năng lượng từ pin mặt trời tại HCMUTE đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa cấu hình và áp dụng các giải thuật MPPT là rất cần thiết để nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng. Hướng phát triển tiếp theo có thể bao gồm việc nghiên cứu sâu hơn về các công nghệ mới trong lĩnh vực năng lượng tái tạo và cải tiến các bộ chuyển đổi năng lượng để đáp ứng tốt hơn với các điều kiện môi trường khác nhau.

5.1. Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo

Hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc phát triển các bộ chuyển đổi năng lượng thông minh hơn, có khả năng tự động điều chỉnh theo điều kiện môi trường. Việc tích hợp công nghệ IoT vào hệ thống năng lượng mặt trời cũng là một hướng đi tiềm năng, giúp nâng cao khả năng giám sát và quản lý năng lượng hiệu quả hơn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo vô tận với tiềm năng to lớn, khi mỗi giây mặt trời phát ra khoảng 3,865 × 10^26 J năng lượng, tương đương năng lượng đốt cháy 1,32 × 10^16 tấn than đá tiêu chuẩn. Tuy nhiên, chỉ một phần nhỏ năng lượng này đến được bề mặt Trái Đất do sự hấp thụ và phản xạ của tầng khí quyển. Ở Việt Nam, vị trí địa lý thuận lợi giúp năng lượng bức xạ mặt trời trung bình đạt từ 4 đến 5 kWh/m² mỗi ngày, tạo điều kiện phát triển các hệ thống năng lượng mặt trời.

Tuy nhiên, công suất phát ra từ pin mặt trời phụ thuộc trực tiếp vào bức xạ, nhiệt độ và điều kiện thời tiết, trong đó đặc tuyến điện áp-dòng điện (I-V) và công suất-điện áp (P-V) của pin không tuyến tính và có điểm công suất cực đại (MPP) thay đổi theo môi trường. Việc dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT) là cần thiết để tối ưu hóa hiệu suất chuyển đổi năng lượng.

Nghiên cứu tập trung vào việc cải thiện bộ chuyển đổi năng lượng từ pin mặt trời, đặc biệt trong điều kiện bị bóng che, một yếu tố làm thay đổi đặc tuyến PV và gây khó khăn cho các giải thuật MPPT truyền thống. Mục tiêu chính là đề xuất cấu hình bộ chuyển đổi năng lượng và giải thuật MPPT hiệu quả, có khả năng dò tìm điểm cực đại trong điều kiện bóng che, nhằm nâng cao công suất truyền tải ra lưới điện. Phạm vi nghiên cứu bao gồm mô hình hóa pin mặt trời, thiết kế bộ chuyển đổi DC/DC, xây dựng giải thuật MPPT và thực nghiệm tại Việt Nam trong khoảng thời gian gần đây. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các hệ thống năng lượng mặt trời hiệu quả, giảm thiểu tổn thất do bóng che và tăng cường ứng dụng năng lượng tái tạo.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Mô hình pin mặt trời: Mạch điện tương đương của pin mặt trời gồm dòng quang điện (Iph), dòng bão hòa (Is), điện trở nối tiếp (Rs) và điện trở dòng rò (Rsh). Dòng quang điện phụ thuộc vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ pin, được mô tả bằng các phương trình vật lý chi tiết. Mô hình này cho phép mô phỏng đặc tuyến I-V và P-V của pin trong các điều kiện môi trường khác nhau.

• Bộ chuyển đổi DC/DC: Bao gồm các loại boost converter (tăng áp) và buck converter (giảm áp), có vai trò điều chỉnh điện áp và dòng điện đầu ra từ pin mặt trời để đạt hiệu suất tối ưu. Mạch boost converter hoạt động dựa trên nguyên lý tích trữ và phóng năng lượng của cuộn dây, trong khi buck converter điều chỉnh điện áp đầu ra bằng cách thay đổi chu kỳ đóng mở công tắc.

• Giải thuật tìm điểm công suất cực đại (MPPT): Các phương pháp phổ biến gồm phương pháp điện áp hằng số (Constant Voltage), P&O (Perturb and Observe), và Incremental Conductance (InC). Mỗi phương pháp có ưu nhược điểm riêng, đặc biệt khi áp dụng trong điều kiện bóng che, các giải thuật truyền thống dễ bị sai lệch do xuất hiện nhiều điểm cực đại cục bộ trên đặc tuyến P-V.

• Ảnh hưởng của bóng che: Khi một phần cánh đồng pin bị bóng che, đặc tuyến P-V xuất hiện nhiều điểm cực đại, gây khó khăn cho việc dò tìm điểm công suất tối ưu. Mô hình toán học và mô phỏng đặc tuyến trong điều kiện bóng che được xây dựng để phân tích và đề xuất giải pháp.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Thu thập tài liệu chuyên ngành, số liệu thực nghiệm từ các mô hình pin mặt trời thương mại và hệ thống thực tế tại Việt Nam.

• Phương pháp mô phỏng: Xây dựng mô hình pin mặt trời và bộ chuyển đổi DC/DC trong môi trường Matlab/Simulink, mô phỏng đặc tuyến I-V, P-V dưới các điều kiện bức xạ và nhiệt độ khác nhau, bao gồm cả trường hợp bị bóng che.

• Phương pháp phân tích: Phân tích đặc tuyến điện áp-dòng điện, công suất-điện áp, đánh giá hiệu quả các giải thuật MPPT truyền thống và giải thuật đề xuất thông qua mô phỏng và thực nghiệm.

• Thời gian nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian gần đây, với các thử nghiệm thực tế và mô phỏng được tiến hành liên tục nhằm đánh giá hiệu quả của cấu hình bộ chuyển đổi và giải thuật MPPT.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Sử dụng các tấm pin mặt trời có công suất từ 15W đến 80W, mô hình cánh đồng pin gồm nhiều phần tử pin nhỏ, mỗi phần tử được trang bị bộ DC/DC riêng biệt để thử nghiệm cấu hình đề xuất.

• Phương pháp thực nghiệm: Thiết kế và thi công phần cứng bộ chuyển đổi năng lượng, đo đạc điện áp, dòng điện và công suất đầu ra trong các điều kiện bóng che khác nhau để so sánh với kết quả mô phỏng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của bóng che đến đặc tuyến PV: Mô phỏng và thực nghiệm cho thấy khi cánh đồng pin mặt trời bị bóng che một phần, đặc tuyến P-V xuất hiện nhiều điểm cực đại cục bộ. Ví dụ, trong mô hình gồm hai dãy pin song song, một dãy bị bóng che, công suất cực đại tổng thể không đạt được nếu chỉ sử dụng một bộ chuyển đổi DC/DC chung cho toàn bộ cánh đồng.

2. Hiệu quả cấu hình bộ chuyển đổi năng lượng: Cấu hình đề xuất chia cánh đồng pin thành nhiều phần tử nhỏ, mỗi phần tử trang bị bộ DC/DC riêng biệt và ghép song song trên bus điện áp, cho công suất truyền tải ra lưới lớn hơn khoảng 10-15% so với cấu hình sử dụng một bộ DC/DC chung. Kết quả mô phỏng cho thấy công suất thu được từ cấu hình nhiều bộ DC/DC vượt trội trong điều kiện bóng che.

3. Giải thuật MPPT đề xuất: Giải thuật MPPT mới được phát triển có khả năng dò tìm điểm công suất cực đại chính xác trong điều kiện bóng che, khắc phục nhược điểm dò sai điểm cực trị địa phương của các giải thuật P&O và InC truyền thống. Giải thuật này sử dụng phương pháp dò từ 0 đến 100% duty cycle, lưu lại điểm công suất lớn nhất trong quá trình dò, giúp tăng hiệu suất thu năng lượng lên khoảng 8-12%.

4. Kết quả thực nghiệm: Thí nghiệm với tấm pin 15W và 80W cho thấy điện áp hở mạch và công suất đầu ra giảm khi bị bóng che, tuy nhiên cấu hình và giải thuật đề xuất giúp duy trì công suất đầu ra cao hơn so với cấu hình truyền thống. Ví dụ, công suất PV thu được trong khoảng thời gian 13h30 đến 15h30 ngày thử nghiệm tăng lên đáng kể khi áp dụng giải thuật MPPT mới.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện hiệu suất là do cấu hình bộ chuyển đổi năng lượng phân tán, cho phép từng phần tử pin hoạt động độc lập và tối ưu hóa điểm công suất cực đại riêng biệt, tránh hiện tượng mất công suất do điểm cực đại cục bộ gây ra trong cấu hình chung. So sánh với các nghiên cứu trước đây, giải thuật MPPT đề xuất có tốc độ đáp ứng nhanh hơn và độ chính xác cao hơn trong điều kiện bóng che, phù hợp với thực tế vận hành hệ thống năng lượng mặt trời tại Việt Nam.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đặc tuyến P-V và I-V dưới các điều kiện bức xạ khác nhau, bảng so sánh công suất thu được giữa các cấu hình và giải thuật, cũng như biểu đồ thời gian công suất thực tế trong quá trình thử nghiệm. Những kết quả này khẳng định tính khả thi và hiệu quả của giải pháp đề xuất trong việc nâng cao hiệu suất hệ thống năng lượng mặt trời.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai cấu hình bộ chuyển đổi phân tán: Khuyến nghị các nhà đầu tư và kỹ sư thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời áp dụng cấu hình bộ chuyển đổi DC/DC riêng biệt cho từng phần tử pin trong cánh đồng pin, nhằm tối ưu hóa công suất thu được, đặc biệt trong điều kiện bóng che. Thời gian thực hiện trong vòng 1-2 năm cho các dự án mới.

2. Áp dụng giải thuật MPPT cải tiến: Đề xuất tích hợp giải thuật MPPT mới vào bộ điều khiển hệ thống để tăng độ chính xác và tốc độ dò tìm điểm công suất cực đại, giảm thiểu tổn thất do bóng che. Chủ thể thực hiện là các nhà sản xuất thiết bị và đơn vị vận hành hệ thống.

3. Nâng cao công tác bảo trì và giám sát: Khuyến khích thiết lập hệ thống giám sát liên tục đặc tuyến điện áp và công suất của từng phần tử pin để phát hiện sớm các vùng bị bóng che hoặc hư hỏng, từ đó có biện pháp xử lý kịp thời. Thời gian triển khai trong 6-12 tháng.

4. Nghiên cứu mở rộng và ứng dụng thực tế: Khuyến nghị các cơ quan nghiên cứu và trường đại học tiếp tục phát triển mô hình và giải thuật MPPT cho các điều kiện môi trường phức tạp hơn, đồng thời phối hợp với doanh nghiệp để thử nghiệm trên quy mô lớn. Thời gian nghiên cứu tiếp theo dự kiến 2-3 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành điện, năng lượng tái tạo: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về mô hình pin mặt trời, bộ chuyển đổi DC/DC và giải thuật MPPT, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển công nghệ mới.

2. Kỹ sư thiết kế và vận hành hệ thống năng lượng mặt trời: Tham khảo để áp dụng cấu hình bộ chuyển đổi và giải thuật MPPT tối ưu, nâng cao hiệu suất và độ ổn định của hệ thống trong điều kiện thực tế.

3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị năng lượng mặt trời: Cung cấp cơ sở khoa học để phát triển sản phẩm bộ chuyển đổi năng lượng và bộ điều khiển MPPT phù hợp với thị trường Việt Nam và khu vực.

4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Hỗ trợ đánh giá hiệu quả các giải pháp công nghệ năng lượng tái tạo, từ đó xây dựng chính sách thúc đẩy ứng dụng năng lượng mặt trời bền vững.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cần phải dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT) cho pin mặt trời?
   Điểm công suất cực đại (MPP) là điểm trên đặc tuyến điện áp-dòng điện của pin mặt trời mà công suất đầu ra đạt giá trị lớn nhất. Do đặc tuyến này thay đổi theo bức xạ và nhiệt độ, MPPT giúp điều chỉnh điện áp hoặc dòng điện để pin luôn hoạt động tại điểm tối ưu, tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng.

2. Ảnh hưởng của bóng che đến hiệu suất pin mặt trời như thế nào?
   Bóng che làm giảm bức xạ nhận được của một phần pin, gây ra nhiều điểm cực đại cục bộ trên đặc tuyến P-V. Điều này khiến các giải thuật MPPT truyền thống dễ dò sai điểm cực đại, làm giảm công suất thu được và hiệu suất hệ thống.

3. Giải thuật MPPT đề xuất trong nghiên cứu có ưu điểm gì so với các giải thuật truyền thống?
   Giải thuật mới có khả năng dò tìm điểm công suất cực đại chính xác trong điều kiện bóng che bằng cách quét toàn bộ dải duty cycle và lưu lại điểm công suất lớn nhất, khắc phục nhược điểm dò sai điểm cực trị địa phương của P&O và InC, đồng thời tăng tốc độ đáp ứng.

4. Cấu hình bộ chuyển đổi năng lượng phân tán có lợi ích gì?
   Việc trang bị bộ DC/DC riêng cho từng phần tử pin giúp từng phần tử hoạt động độc lập, tối ưu hóa điểm công suất cực đại riêng biệt, tránh mất công suất do điểm cực đại cục bộ, nâng cao tổng công suất đầu ra của cánh đồng pin.

5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế?
   Các nhà thiết kế và vận hành hệ thống có thể áp dụng cấu hình bộ chuyển đổi phân tán và giải thuật MPPT đề xuất trong các dự án năng lượng mặt trời mới hoặc nâng cấp hệ thống hiện có. Đồng thời, cần phối hợp với các nhà sản xuất thiết bị để tích hợp phần cứng và phần mềm phù hợp.

Kết luận

• Nghiên cứu đã xây dựng mô hình pin mặt trời và bộ chuyển đổi DC/DC phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam, đặc biệt trong điều kiện bóng che.
• Đề xuất cấu hình bộ chuyển đổi năng lượng phân tán và giải thuật MPPT mới giúp tăng công suất thu được từ cánh đồng pin mặt trời khoảng 10-15%.
• Giải thuật MPPT đề xuất khắc phục nhược điểm dò sai điểm cực đại cục bộ, nâng cao hiệu quả và tốc độ đáp ứng trong điều kiện môi trường thay đổi.
• Kết quả mô phỏng và thực nghiệm đồng nhất, chứng minh tính khả thi và hiệu quả của giải pháp.
• Hướng phát triển tiếp theo là mở rộng nghiên cứu giải thuật MPPT cho các điều kiện phức tạp hơn và ứng dụng trên quy mô lớn trong thực tế.

Khuyến khích các nhà nghiên cứu, kỹ sư và doanh nghiệp trong lĩnh vực năng lượng tái tạo tiếp cận và ứng dụng các kết quả này để thúc đẩy phát triển bền vững nguồn năng lượng mặt trời tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 những hậu quả về môi trường như hiệu ứng nhà kính, lũ lụt… Trong các nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng mặt trời đang dần trở nên rất phổ biến bởi vì chúng có nhiều ưu điểm trong phương pháp phát điện, chí phí bảo dưỡng thấp, an toàn cho người sử dụng và không gây ô nhiễm môi trường. Nguồn năng lượng điện mặt trời đã tăng 20% - 25% so với 20 năm qua do bởi các yếu tố sau: - Hiệu suất phát điện của pin mặt trời ngày càng được cải thiện - Cải tiến trong công nghệ sản xuất pin - Giá thành giảm Tuy nhiên, ở thời điểm hiện tại giá thành pin mặt trời còn khá cao. Công suất phát ra bởi pin mặt trời lại phụ thuộc trực tiếp vào bức xạ, nhiệt độ và điều kiện thời tiết. Đặc tính PV và VI của pin mặt trời lại không tuyến tính, trên đường đặc tuyến đó tồn tại một điểm làm việc cực đại (MPP) mà ở đó công suất phát ra của pin mặt trời là lớn nhất.

Nhưng điểm này không phải là hằng số, chúng luôn thay đổi theo nhiệt độ và bức xạ. Vỳ vậy, dò tìm điểm làm việc cực đại của pin mặt trời (MPPT) phải được sử dụng để đưa pin mặt trời luôn làm việc tại điểm này, nhằm nâng cao hiệu suất của pin mặt trời. Trên thế giới và trong nước đã có nhiều nghiên cứu về hệ thống pin mặt trời nối lưới. Chủ yếu về các lĩnh vực 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 mặt trời làm việc tại điểm công suất cực đại [16-26].

Các phương pháp nghịch lưu nhằm cải thiện chất lượng điện trong hệ thống năng lượng mặt trời [4-15]. Các phương pháp điều khiển công suất tác dụng, công suất phản kháng và dòng điện bơm vào lưới của hệ thống pin mặt trời nối lưới [12,13]. Comparative Study of Maximum Power Point Tracking Algorithms [24]. 4 Luan van 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. 5 Luan van Chương 1 1. 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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.