MỞ ĐẦU 1. Giới thiệu: Trong những thập kỷ qua, trên toàn thế giới đang dần chuyển qua sử dụng nguồn năng lượng tái tạo trong mạng lưới phân phối điện năng. Điều này là tất yếu vì sự gia tăng liên tục nhu cầu sử dụng năng lượng toàn cầu và sự suy giảm khả năng cung cấp năng lượng thông thường, bằng chứng là cuộc khủng hoảng dầu mỏ, cùng với vấn đề bảo vệ môi trường ngày càng đáng lo ngại. Trong các nguồn năng lượng thay thế, nguồn năng lượng mặt trời từ các tấm pin quang điện (PV) được coi là nguồn năng lượng tự nhiên hữu ích, vì năng lượng này miễn phí, vô tận, được phân phối trên toàn bộ trái đất,… đã có rất nhiều quốc gia trên thế giới xem PV là nguồn năng lượng tương lai của toàn cầu.
Để tăng hiệu suất truyền công suất pin mặt trời, thì bộ kết nối giữa pin mặt trời và tải đóng vai trò quan trọng. Các nhân tố như bức xạ, nhiệt độ và góc sẽ ảnh hưởng đến điểm có công suất cực đại (Maximum Power Point – MPP) của pin mặt trời. Những năm gần đây, nhiều nghiên cứu tập trung vào các thuật toán MPPT khác nhau của mảng PV, một số giải thuật như thử nghiệm và sai số (Trial and Error), thuật toán leo đồi (Hill Climbing – HC), phương pháp nhiễu loạn và quan sát (Perturbation and Observation – P&O), điện dẫn gia tăng (Incremental Conductance – InCond), mạng nơron (Neural Network), thuật toán mờ (Fuzzy)… Vấn đề bảo vệ môi trường và giá nhiên liệu tăng nhanh, vì vậy tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế là mục tiêu chung của toàn thế giới. Trong đó năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo, không gây ô nhiễm môi trường, điện tạo ra tới trực tiếp người sử dụng, chi phí bảo trì thấp,.
Do đó, nghiên cứu năng lượng mặt trời đã thu hút nhiều sự quan tâm. Mô hình hệ thống năng lượng mặt trời bao gồm các thành phần cơ bản như hình 1. Hệ thống điện mặt trời Các tấm pin quang điện được tạo thành từ các chất bán dẫn, thực hiện quá trình chuyển đổi bức xạ năng lượng mặt trời thành điện DC nhờ hiệu ứng quang điện. Với mỗi tấm pin quang điện đều có một đặc tuyến P – V, trên đó tồn tại duy nhất một điểm cho công suất cực đại toàn cục.
Nghĩa là khi pin quang điện hoạt động ở nhiều điểm khác nhau thì ta sẽ thu được công suất ngõ ra khác nhau. Công suất cực đại thu được khi pin quang điện hoạt động tại điện áp nơi mà có công suất cực đại trên đặc tuyến P – V. Do đó, chỉ tồn tại duy nhất một điểm có thể thu được công suất cực đại của pin quang điện. Điểm hoạt động này trên đặc tuyến P – V được gọi là điểm công suất cực đại (Maximum Power Point – MPP).
MPP thay đổi khi bức xạ và nhiệt độ thay đổi hoặc khi pin quang điện bị che khuất. Vì vậy thiết bị tìm điểm công suất cực đại (MPPT) liên tục là thực sự cần thiết để đạt được hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao góp phần làm giảm giá thành sản phẩm. Chính vì vậy, MPPT trở thành một trong những chức năng quan trọng mà hệ thống điện mặt trời nên có. Có rất nhiều giải thuật đã được nghiên cứu và phát triển như phân đoạn điện áp hở mạch [1], phân đoạn dòng điện ngắn mạch [1], Hill-Climbing [2], P&O [3- 6], Incond [7] , Incremental Resistance (INR) [8], Ripple Correlation Control [9], Fuzzy [10], Neural [11], Particle Swarm Optimization (PSO) [12], Sliding mode [13], [14] và một số kỹ thuật khác.
2 Trong đề tài này, tác giả tập trung giới thiệu, phân tích các giải thuật và đưa ra giải pháp để giải quyết các vấn đề gặp phải ở giải thuật MPPT P&O trong điều kiện thay đổi nhanh chóng của bức xạ (không xét trường hợp bị che khuất do mây hoặc bóng râm). Phương pháp nghiên cứu và nội dung nghiên cứu : Mục tiêu cải thiện thuật toán MPPT P&O truyền thống, đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết các vấn đề liên quan đến pin mặt trời, giải thuật MPPT P&O truyền thống. Từ đó đề xuất giải thuật cải tiến để khắc phục điểm yếu của giải thuật P&O ở điều kiện nắng thay đổi nhanh chóng. Giải thuật này được xây dựng trên nền tảng MATLAB.
Dựa trên các vấn đề đặt ra, nội dung nghiên cứu luận văn bao gồm: - Nguyên cứu lý thuyết: Pin mặt trời, các bộ biến đổi công suất, giải thuật MPPT. - Mô phỏng giải thuật bằng phần mềm MATLAB. 3 CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Hệ thống chuyển đổi năng lượng mặt trời cơ bản bao gồm các thành phần chính: pin mặt trời, bộ biến đổi công suất, bộ lưu trữ điện và tải. Trong đó pin mặt trời làm nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng DC, điện năng DC này được bộ biến đổi công suất điều khiển, giám sát để công suất ngõ ra phù hợp với tải và tận dụng được công suất tối đa của pin mặt trời.
Khi năng lượng mặt trời phát ra lớn hơn nhu cầu của tải, bộ chuyển đổi công suất có nhiệm vụ lưu trữ điện dư vào hệ thống acquy hoặc hòa vào hệ thống lưới điện quốc gia. Các thành phần này kết hợp chặt chẽ với nhau để có thể vận hành hiệu quả và đạt hiệu suất cao nhất. Sơ đồ khối hệ thống chuyển đổi năng lượng mặt trời 2. Tế bào quang điện (Photovolatic Cell): Định nghĩa: Pin năng lượng mặt trời hay Pin quang điện (Solar panel) bao gồm nhiều tế bào quang điện (solar cells hình 2.2) - phần tử bán dẫn P-N có chứa trên bề mặt số lượng lớn các cảm biến ánh sáng là điốt quang, thực hiện biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện.
Sự chuyển đổi này thực hiện theo hiệu ứng quang điện. Khi bề mặt của một tấm kim loại được chiếu bởi bức xạ điện từ có tần số lớn hơn một tần số ngưỡng (tần số 4 ngưỡng là giá trị đặc trưng cho chất làm nên tấm kim loại này), các điện tử sẽ hấp thụ năng lượng từ các photon và sinh ra dòng điện (gọi là dòng quang điện). Khi các điện tử bị bật ra khỏi bề mặt của tấm kim loại, ta có hiệu ứng quang điện ngoài (external photoelectric effect). Các điện tử không thể phát ra nếu tần số của bức xạ nhỏ hơn tần số ngưỡng bởi điện tử không được cung cấp đủ năng lượng cần thiết để vượt ra khỏi rào thế (gọi là công thoát).
Điện tử phát xạ ra dưới tác dụng của bức xạ điện từ được gọi là quang điện tử. Ở một số chất khác, khi được chiếu sáng với tần số vượt trên tần số ngưỡng, các điện tử không bật ra khỏi bề mặt, mà thoát ra khỏi liên kết với nguyên tử, trở thành điện tử tự do (điện tử dẫn) chuyển động trong lòng của khối vật dẫn, và ta có hiêu ứng quang điện trong (internal photoelectric effect). Hiệu ứng này dẫn đến sự thay đổi về tính chất dẫn điện của vật dẫn, do đó, người ta còn gọi hiệu ứng này là hiệu ứng quang dẫn. Tế bào quang điện Các pin năng lượng mặt trời được thiết kế như những modul thành phần, được ghép lại với nhau tạo thành các tấm pin năng lượng mặt trời có diện tích lớn.
Các tấm pin mặt trời lớn ngày nay được lắp thêm bộ phận tự động điều khiển để có thể xoay theo hướng ánh sáng, giống như cây xanh hướng về ánh sáng mặt trời. Mặc dù các pin năng lượng mặt trời có nhiều ứng dụng trong thực tế, nhưng giá thành còn cao nên chỉ thích hợp cho các vùng điện lưới khó vươn tới như núi cao, ngoài đảo xa, hoặc phục vụ các hoạt động 5 trên không gian; cụ thể như các vệ tinh quay xung quanh quỹ đạo trái đất, máy tính cầm tay, các máy điện thoại cầm tay từ xa0. Phân loại: Có hai tiêu chuẩn đánh giá vật liệu chế tạo pin mặt trời, là hiệu suất và giá cả. Hiệu suất là tỉ số giữa năng lượng điện từ và năng lượng ánh sáng mặt trời.
Vào buổi trưa trời trong, ánh mặt trời tỏa nhiệt khoảng 1000W/m², trong đó 10% hiệu suất của 1 module 1m² cung cấp năng lượng khoảng 100W, hiệu suất của pin Mặt trời thay đổi từ 6% từ pin mặt trời làm từ silic không thù hình, và có thể lên đến 30% hay cao hơn nữa. Có nhiều cách để nói đến giá của hệ thống cung cấp điện (chính xác là phát điện), là tính toán cụ thể giá thành sản xuất trên từng kilo Watt giờ điện (kWh). Hiệu năng của pin mặt trời tạo dòng điện với sự bức xạ của mặt trời là 1 yếu tố quyết định trong giá thành. Nói chung với toàn hệ thống, là tổ hợp các tấm pin mặt trời thì hiệu suất là rất quan trọng.
Và để tạo nên ứng dụng thực tế cho pin năng lượng, điện năng tạo nên có thể nối với mạng lưới điện sử dụng dạng chuyển đổi trung gian; trong các phương tiện di chuyển, thường sử dụng hệ thống ắc quy để lưu trữ nguồn năng lượng chưa sử dụng đến. Các pin năng lượng thương mại và hệ thống công nghệ cho nó có hiệu suất từ 5% đến 15%. Giá của 1 đơn vị điện từ 50 Eurocent/kWh (Trung Âu) giảm xuống tới 25 eurocent/kWh trong vùng có ánh mặt trời nhiều. Tế bào quang điện Ngày nay, vật liệu chủ yếu chế tạo pin mặt trời (và cho các thiết bị bán dẫn) là silic dạng tinh thể.
Pin mặt trời từ tinh thể silic chia ra thành 3 loại (hình 2.3): - Một tinh thể hay tinh thể đơn (Mono-crystalline) sản xuất dựa trên quá trình Czochralski. Đơn tinh thể có hiệu suất tới 16%, chúng thường rất đắt tiền do được cắt từ các thỏi silic hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module. - Đa tinh thể (Multi-crystalline) làm từ các thỏi đúc - đúc từ silic nung chảy được làm nguội và làm rắn. Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn.
Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó. - Dải silic (Amorphous silicon) tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể. Loại này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các loại vì không cần phải cắt từ thỏi silicon. Nền tảng chế tạo dựa trên công nghệ sản suất tấm mỏng, có độ dày 300μm và xếp lại để tạo nên các module tạo thành các loại pin trên.
