Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu năng lượng tái tạo đang gia tăng mạnh mẽ trên toàn cầu do khủng hoảng năng lượng và tác động tiêu cực của nhiên liệu hóa thạch đến môi trường. Theo báo cáo toàn cầu năm 2015, tổng công suất lắp đặt năng lượng mặt trời (NLMT) đạt khoảng 227 GW, với nhiều dự án quy mô lớn như Solar Star 579 MW tại California, Desert Sunlight Solar Farm 550 MW, Topaz Solar Farms 550 MW và Longyangxia Dam Solar Park 530 MW. Tại Việt Nam, các dự án NLMT như Nhà máy điện mặt trời Thiên Tân 19,2 MW, Nhà máy quang năng An Hội 36 kW và hệ thống lai ghép năng lượng gió - mặt trời trên đảo Trường Sa đã góp phần quan trọng vào phát triển năng lượng sạch.

Tuy nhiên, hiệu suất của các hệ thống pin mặt trời bị ảnh hưởng nghiêm trọng bởi hiện tượng bóng che một phần (Partial Shading Conditions - PSC), làm giảm công suất đầu ra và gây ra nhiều điểm công suất cực đại cục bộ (Local Maximum Power Points - LMPP), gây khó khăn cho việc theo dõi điểm công suất cực đại toàn cục (Global Maximum Power Point - GMPP). Mục tiêu của luận văn là đề xuất một phương pháp nhận dạng và giải quyết vấn đề bóng che không đồng đều trên các dãy pin quang điện, nhằm tối đa hóa công suất thu được từ hệ thống PV trong các ứng dụng điện một chiều (DC). Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mô hình hóa, phân tích đặc tính và phát triển thuật toán MPPT phù hợp với điều kiện bóng che từng phần, được thực hiện trong môi trường MATLAB với các dữ liệu mô phỏng cụ thể.

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 và cấu trúc tế bào quang điện (PV): Tế bào PV chuyển đổi bức xạ mặt trời thành điện năng dựa trên hiệu ứng quang điện, với vật liệu chủ yếu là Silicon đơn tinh thể, đa tinh thể và vô định hình. Đặc tính I-V và P-V của tế bào PV phụ thuộc vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ vận hành.

  • Mạch điện tương đương của pin mặt trời: Mô hình mạch điện gồm dòng quang điện, điốt, điện trở nối tiếp và điện trở dòng rò, được biểu diễn bằng phương trình toán học mô tả mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện đầu ra.

  • Hiện tượng bóng che một phần (PSC): Khi một phần tấm pin bị che khuất, các đặc tính I-V và P-V trở nên phi tuyến tính và phức tạp với nhiều điểm cực đại cục bộ, gây khó khăn cho các thuật toán MPPT truyền thống.

  • Thuật toán MPPT phổ biến: Thuật toán Nhiễu loạn và Quan sát (P&O) và Thuật toán Tăng Tổng Dẫn (INC) được sử dụng để theo dõi điểm công suất cực đại trong điều kiện đồng nhất, nhưng hạn chế trong điều kiện bóng che không đồng đều.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu mô phỏng được thu thập từ các mô hình pin mặt trời và hệ thống PV trong môi trường MATLAB/Simulink, với các mức bức xạ mặt trời khác nhau (từ 400 W/m² đến 1000 W/m²) để mô phỏng điều kiện bóng che từng phần.

  • Phương pháp phân tích: Phân tích đặc tính I-V và P-V của các dãy pin PV trong điều kiện bóng che, xây dựng mô hình mạch điện tương đương, và phát triển thuật toán MPPT mới dựa trên việc dự đoán vị trí GMPP và LMPP trên đường cong P-V.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ đầu năm 2017 đến tháng 10 năm 2017, bao gồm giai đoạn thu thập tài liệu, xây dựng mô hình, phát triển thuật toán và mô phỏng đánh giá hiệu quả.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình mô phỏng sử dụng cấu hình dãy pin gồm 4 tấm PV nối tiếp với các mức bức xạ khác nhau để phản ánh điều kiện bóng che không đồng đều phổ biến trong thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của bóng che đến đặc tính P-V và I-V: Mô phỏng cho thấy khi các tấm PV bị che với mức bức xạ lần lượt là 1000, 1000, 1000, 400 W/m², đường cong P-V xuất hiện nhiều đỉnh công suất cực đại, trong đó chỉ có một điểm là GMPP thực sự. Điện áp của các mô-đun bị che giảm xuống khoảng -0,7 V, tương ứng với điện áp chuyển tiếp của diode, cho phép nhận biết trạng thái bóng che.

  2. Hiệu quả thuật toán MPPT đề xuất: Thuật toán mới có khả năng dự đoán vị trí GMPP và LMPP nhanh chóng, tránh việc quét mù trên toàn bộ đường cong P-V, giúp tăng tốc độ hội tụ và giảm tổn thất năng lượng do sai lệch điểm theo dõi. So với các thuật toán P&O và INC truyền thống, phương pháp này giảm thiểu tổn thất năng lượng do hội tụ vào điểm cực đại cục bộ lên đến 70%.

  3. Mô hình mô phỏng đa điều kiện bức xạ: Khi mô phỏng với các mức bức xạ không đồng đều như 1000, 400, 400, 400 W/m² hoặc 1000, 1000, 700, 400 W/m², hệ thống vẫn duy trì khả năng xác định GMPP chính xác, chứng minh tính linh hoạt và hiệu quả của thuật toán trong các điều kiện thực tế phức tạp.

  4. Tác động của diode bypass: Việc sử dụng diode bypass trong mạch giúp bảo vệ các mô-đun khỏi hiện tượng điểm nóng và giảm thiểu tổn thất do dòng điện ngược, đồng thời làm phức tạp đặc tính P-V nhưng được thuật toán xử lý hiệu quả.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiện tượng nhiều điểm cực đại trên đường cong P-V là do sự không đồng đều của bức xạ mặt trời trên các tấm PV, gây ra bởi bóng che từ cây cối, tòa nhà hoặc mây mù. Các diode bypass đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ mạch và tạo ra các điểm cực đại cục bộ. Thuật toán MPPT truyền thống như P&O và INC không thể phân biệt được GMPP và LMPP, dẫn đến tổn thất công suất đáng kể.

So với các nghiên cứu trước đây, phương pháp đề xuất trong luận văn có ưu điểm vượt trội về tốc độ hội tụ và khả năng thích ứng với điều kiện bóng che không đồng đều. Kết quả mô phỏng được minh họa qua các biểu đồ đặc tính P-V và I-V, cũng như đồ thị công suất đầu ra theo thời gian, cho thấy sự ổn định và hiệu quả của thuật toán trong việc theo dõi GMPP.

Ý nghĩa của nghiên cứu là cung cấp giải pháp nâng cao hiệu suất vận hành hệ thống điện mặt trời trong điều kiện thực tế, góp phần thúc đẩy ứng dụng năng lượng tái tạo tại Việt Nam và các khu vực có điều kiện khí hậu tương tự.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai thuật toán MPPT đề xuất trong các bộ điều khiển thực tế: Áp dụng thuật toán vào các bộ điều khiển MPPT trong hệ thống PV để nâng cao hiệu suất thu năng lượng, giảm tổn thất do bóng che, với mục tiêu tăng công suất thu được ít nhất 10% trong vòng 12 tháng.

  2. Phát triển hệ thống giám sát và cảnh báo bóng che: Xây dựng hệ thống giám sát trực tuyến để phát hiện và cảnh báo hiện tượng bóng che kịp thời, giúp bảo trì và điều chỉnh hệ thống nhanh chóng, giảm thiểu thời gian mất công suất.

  3. Nâng cao đào tạo kỹ thuật viên và nhà quản lý: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về hiện tượng bóng che và kỹ thuật MPPT mới cho đội ngũ vận hành, nhằm đảm bảo vận hành hiệu quả và bảo trì hệ thống PV.

  4. Khuyến khích nghiên cứu mở rộng và ứng dụng thực tế: Hỗ trợ các đề tài nghiên cứu tiếp theo về tối ưu hóa cấu hình mảng PV và thuật toán MPPT trong điều kiện khí hậu đa dạng, đồng thời thúc đẩy hợp tác giữa viện nghiên cứu và doanh nghiệp để ứng dụng rộng rãi.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện, năng lượng tái tạo: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về hiện tượng bóng che và thuật toán MPPT, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển công nghệ mới.

  2. Kỹ sư thiết kế và vận hành hệ thống điện mặt trời: Giúp hiểu rõ các vấn đề thực tế trong vận hành hệ thống PV và áp dụng giải pháp tối ưu để nâng cao hiệu suất.

  3. Doanh nghiệp sản xuất và cung cấp thiết bị PV: Cung cấp cơ sở khoa học để phát triển các bộ điều khiển MPPT thông minh, nâng cao chất lượng sản phẩm và cạnh tranh trên thị trường.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Hỗ trợ xây dựng các chính sách phát triển năng lượng tái tạo hiệu quả, thúc đẩy ứng dụng công nghệ mới trong ngành điện.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hiện tượng bóng che một phần ảnh hưởng như thế nào đến hiệu suất hệ thống PV?
    Bóng che một phần làm giảm công suất đầu ra do các tấm PV không nhận được bức xạ đồng đều, tạo ra nhiều điểm công suất cực đại cục bộ khiến thuật toán MPPT truyền thống khó xác định điểm công suất cực đại toàn cục, dẫn đến tổn thất năng lượng lên đến 70%.

  2. Thuật toán MPPT đề xuất trong luận văn có ưu điểm gì so với các thuật toán truyền thống?
    Thuật toán mới có khả năng dự đoán vị trí GMPP và LMPP nhanh chóng, tránh quét mù trên toàn bộ đường cong P-V, tăng tốc độ hội tụ và giảm tổn thất năng lượng, phù hợp với điều kiện bóng che không đồng đều.

  3. Tại sao diode bypass lại quan trọng trong hệ thống PV?
    Diode bypass giúp bảo vệ các mô-đun PV khỏi hiện tượng điểm nóng và dòng điện ngược khi có bóng che, đồng thời tạo ra các điểm cực đại cục bộ trên đường cong P-V, ảnh hưởng đến hiệu suất và cách thuật toán MPPT xử lý.

  4. Phạm vi áp dụng của phương pháp nghiên cứu này là gì?
    Phương pháp phù hợp với các hệ thống PV có cấu hình nối tiếp - song song, đặc biệt trong điều kiện bóng che không đồng đều phổ biến ở các khu vực đô thị hoặc địa hình phức tạp, áp dụng cho cả hệ thống độc lập và nối lưới.

  5. Làm thế nào để triển khai thuật toán MPPT mới vào thực tế?
    Có thể tích hợp thuật toán vào bộ điều khiển MPPT hiện có hoặc phát triển bộ điều khiển mới, kết hợp với hệ thống giám sát để theo dõi và điều chỉnh công suất đầu ra, giúp nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống PV.

Kết luận

  • Luận văn đã phân tích chi tiết hiện tượng bóng che một phần và ảnh hưởng của nó đến đặc tính điện của hệ thống pin mặt trời.
  • Đã đề xuất và phát triển thuật toán MPPT mới có khả năng xác định nhanh điểm công suất cực đại toàn cục trong điều kiện bóng che không đồng đều.
  • Mô hình mô phỏng trong MATLAB chứng minh hiệu quả của thuật toán với nhiều kịch bản bức xạ khác nhau, giảm thiểu tổn thất năng lượng đáng kể.
  • Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu suất vận hành hệ thống điện mặt trời, thúc đẩy ứng dụng năng lượng tái tạo tại Việt Nam.
  • Đề xuất các bước tiếp theo bao gồm triển khai thực nghiệm, phát triển hệ thống giám sát và đào tạo nhân lực để ứng dụng rộng rãi giải pháp trong thực tế.

Hành động tiếp theo là áp dụng thuật toán vào các hệ thống thực tế và mở rộng nghiên cứu nhằm tối ưu hóa hiệu suất trong các điều kiện môi trường đa dạng.