Đặt vấn đề: Để sống và tồn tại, con người cần rất nhiều năng lượng. Việc tìm ra và sử dụng các nguồn năng lượng bền vững, hiệu quả là điểm mấu chốt cho sự phát triển và thịnh vượng của mỗi quốc gia. Các nguồn năng lượng truyền thống như nhiên liệu hóa thạch và thủy điện đang dần cạn kiệt và thể hiện tác động tiêu cực với môi trường và xã hội. Chính vì vậy, các nước phát triển và đang phát triển đang chuyển đổi mạnh mẽ sang năng lượng tái tạo.
Năng lượng mặt trời được coi là năng lượng tái tạo thân thiện với môi trường. Việc sử dụng ánh sáng mặt trời chuyển hóa thành năng lượng được kể đến là công nghệ pin quang điện (PV-Photovoltaic). Hiện tại các hệ thống pin quang điện đang được phát triển mạnh và được ứng dụng nhiều trên thế giới. Nguyên do là công nghệ bán dẫn hiện ngày càng cải tiến cho phép hạ giá thành sản xuất các bộ pin quang điện xuống rất nhiều so với thập niên trước.Các hệ thống phát điện quang điện này trong quá trình sử dụng không có khí thải, không gây ô nhiễm môi trường xung quanh.
Quan trọng, năng lượng từ ánh mặt trời thân thiện với môi trường là năng lượng xanh, vô tận và miễn phí. Tình hình sử dụng năng lượng trên thế giới đạt nhiều tiến bộ trong suốt 15 năm qua, tỷ lệ tăng trưởng hàng năm năng lượng mặt trời là trên 40% [1], nhấn mạnh sự trưởng thành của các khoản đầu tư thực hiện, đảm bảo độ tin cậy của công nghệ được sử dụng. Cùng một lúc, chính sách khuyến khích và các biện pháp hỗ trợ được thực hiện trong một số các nước, đặc biệt là bên trong Liên minh Châu Âu đề ra mục tiêu tăng năng lượng mặt trời từ 6% lên đến 12% [2]. Trong bối cảnh này, sự kết hợp của quang điện hệ thống trong các ứng dụng được cho là một trong những sử dụng phổ biến nhất của khai thác năng lượng mặt trời [3-6].
Cụ thể ở Bắc Mỹ, Úc và Châu Âu việc sử dụng PV- máy lạnh phục vụ cho công nghiệp; còn tại HVTH: TRẦN VĂN DIỄN - 1920604 1 PGS. NGUYỄN MINH TÂM Luận Văn Thạc Sĩ các nước đang phát triển đa số phục vụ nhu cầu sinh hoạt như hằng ngày như tủ lạnh, máy lạnh, máy giặt, máy điều hòa nhiệt độ, bơm nước để tưới tiêu [7-10]. Việt Nam là nước có tiềm năng lớn về năng lượng mặt trời với công suất bức xạ trung bình của mặt trời khoảng 5kWh/m2/ngày ở miền Nam và miền Trung, và khoảng 4kWh/m2/ngày ở miền Bắc [11]. Việc tận dụng năng lượng mặt trời làm nguồn năng lượng thay thế hết sức thuận lợi.
Với tất cả những yếu tố trên, thì các nhà khoa học đã đi sâu việc làm sao để nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn năng lượng tái tạo trong điều kiện không ổn định do ngoại tố mang đến và vấn đề dò tìm điểm công suất cưc đại của PV luôn được quan tâm đặc biệt. Đề tài này cũng không nằm ngoài xu thế đó, ở sẽ đi sâu về nghiên cứu và điều khiển bộ biến đổi DC/DC tăng áp (Boost DC) ứng dụng cho pin nặng mặt trời để dò tìm điểm công suất cực đại MPPT (MPPT - Maximum Power Point Tracker). Phương pháp dò tìm điểm làm việc công suất cực đại của hệ thống pin năng lượng mặt trời bằng việc điều khiển chu kỳ đóng mở khoá điện tử dùng trong bộ DC/DC. Xây dựng giải thuật dò tìm điểm công suất cực đại và tiến hành mô phỏng hoàn thiện trên phần mềm Matlab-Simulink mạch dùng pin năng lượng mặt trời qua bộ Boost DC điều khiển bằng xung PWM và điều khiển bằng thuật toán P&O dò tìm điểm công suất cực đại MPPT.
Qua đó so sánh các kết quả lấy ra của hiện suất chuyển đổi năng lượng và đáp ứng của hệ thống. Mục đích của đề tài: Khảo sát, tính toán lựu chọn bộ biến đổi DC/DC tăng áp (Boost DC/DC converter) ứng dụng pin năng lượng mặt trời. Điều khiển bộ biến đổi DC/DC bằng thuật toán bám điểm công suất cực đại P&O điều khiển trực tiếp D để dò tìm công suất cực đại MPPT. Mô phỏng trên phần mềm Matlab- Simulink bộ biến đổi Boost DC/DC không sử dụng MPPT (điều khiển bằng xung PWM) và bộ biến đổi Boost DC/DC điều khiển bởi giải thuật MPPT.
So sánh kết quả mô phỏng. Đối tượng và giới hạn nghiên cứu: HVTH: TRẦN VĂN DIỄN - 1920604 2 PGS. NGUYỄN MINH TÂM Luận Văn Thạc Sĩ Đề tài nghiên cứu được giới hạn trong phạm vi hệ thống mạch công suất nhỏ 800W, mô phỏng hệ thống tải R, chỉ kiểm chứng kết quả qua mô phỏng chứ chưa kiểm chứng kết quả bằng thực nghiệm để đưa vào sử dụng. Phương pháp luận và phương pháp nghiên cứu: Tìm hiểu cơ sở lý thuyết thuật toán thuật toán nhiễu loạn và quan sát P&O, xây dựng giải thuật điều khiển MPPT và các phương pháp điều khiển dựa vào mô hình.
Tìm hiểu nghiên cứu pin năng lương mặt trời và bộ biến đổi DC-DC. Xây dựng mô hình điều khiển bộ chuyển đổi Boost DC-DC, kiểm chứng mô phỏng chạy trên phần mềm matlab simulink. Nội dung đề tài: Chương 1: Tổng quan Chương 2: Pin năng lượng mặt trời Tìm hiểu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động, đặc tính và điểm công suất cực đại của pin năng lượng mặt trời. Chương 3: Bộ biến đổi DC-DC và giải thuật điều khiển công suất cực đại Ta tìm hiểu bộ biến đổi DC/DC để chuyển đổi điện áp đầu ra của pin phù hợp với điện áp đầu vào của phụ tải.
Qua đó lựa chọn được cấu hình của bộ biến đổi DC/DC. Trong phần xây dựng bộ DC/DC chúng ta sẽ đề cập đến giải thuật điều khiển công suất cực đại có nghĩa là phương pháp thu được công suất cực đại khi cường độ chiếu nắng thay đổi hay nhiệt độ thay đổi làm điểm làm việc cực đại của tấm pin thay đổi theo. Để minh chứng cho việc bắt điểm công suất cực đại ta sử dụng Matlab/simulink mô phỏng hệ thống từ pin mặt trời có sử dụng giải thuật MPPT tính hiệu suất làm việc của pin quang điện. Chương 4: Mô phỏng bộ biến đổi boost kết hợp giải thuật MPPT Sử dụng phần mềm Matlab/simulink lấy ra các thông số ngõ vào, thông số ngõ ra.
Đưa ra các nhận xét mô phỏng, rút ra kết luận về bộ biến đổi boost. Mô phỏng các bộ biến đổi boost kết hợp giải thuật MPPT, giải thuật tối ưu bày đàn, giải thuật INC, bộ biến đổi BUCK-BOOST HVTH: TRẦN VĂN DIỄN - 1920604 3 PGS. NGUYỄN MINH TÂM Luận Văn Thạc Sĩ Sử dụng phần mềm Matlab/simulink lấy ra các thông số ngõ vào, thông số ngõ ra. Đưa ra các nhận xét mô phỏng, rút ra kết luận về bộ biến đổi boost, buck - boost, và các phương pháp điều khiển PSO, INC Chương 5: Kết luận HVTH: TRẦN VĂN DIỄN - 1920604 4 PGS.
NGUYỄN MINH TÂM Luận Văn Thạc Sĩ Chương 2 PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 2. Pin năng lượng mặt trời: Pin năng lượng mặt trời là phương pháp sản xuất trực tiếp từ năng lượng mặt trời qua thiết bị biến đổi quang điện. Pin mặt trời có ưu điểm là gọn nhẹ có thể lắp đặt ở bất kỳ đâu có ánh sáng mặt trời, đặc biệt là trong lĩnh vực tàu vũ trụ. Ngày nay con người đã ứng dụng pin năng lượng mặt trời trong lĩnh vực hành không vũ trụ, để chạy xe và trong sinh hoạt thay thế nguồn năng lượng truyền thống.
[3] Pin năng lượng mặt hay pin (tế bào) quang điện, là thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các lớp bán dẫn P-N, dưới sự hiện diện của ánh sáng mặt trời có khả năng tạo ra dòng điện sử dụng được. Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện. Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel. Tuy nhiên cho đến năm 1883 một pin năng lượng mới được chế tạo thành công, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối.
Russell Ohl được xem là người tạo ra Pin năng lượng mặt trời đầu tiên năm 1946 tuy nhiên nó chỉ có hiệu suất 1%. Pin mặt trời lần đầu tiên được ứng dụng là trên vệ tinh Vangurd 1 của Mỹ, được phóng năm 1958. Ngày nay pin năng lượng mặt trời được sản xuất trên toàn thế giới đặc biệt là ở các nước tiên tiến như Mỹ, Đức, Tây Ban Nha…[9] Hình 2. Cell Pin năng lượng mặt trời HVTH: TRẦN VĂN DIỄN - 1920604 5 PGS.
NGUYỄN MINH TÂM Luận Văn Thạc Sĩ 2. Cấu tạo pin năng lượng mặt trời: Hình 2. Cấu tạo bên ngoài của một tấm pin mặt trời Hình 2.2 cho chúng ta biết cấu tạo của một tấm pin mặt trời gồm: Lớp kính bảo vệ Lớp keo dán bảo vệ Cell pin mặt trời Lớp keo dán bảo vệ Tấm che mặt sau Hộp đấu dây Khung tấm pin Cấu tạo bên trong của Cell pin mặt trời Hình 2.3 là một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điên bên trong. HVTH: TRẦN VĂN DIỄN - 1920604 6 PGS.
NGUYỄN MINH TÂM Luận Văn Thạc Sĩ Hình 2. Cấu tạo bên trong của cell pin mặt trời Cho tới hiện tại thì vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời (và cho các thiết bị bán dẫn) là các silic tinh thể. Pin mặt trời từ tinh thể silic chia ra thành 3 loại: Một tinh thể hay đơn tinh thể Module sản xuất dự trên quá trình Czochralski. Pin mặt trời đ tinh thể đạt hiệu suất 11% - 16%.
Chúng thường rất mắc tiền do được cắt từ thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module. Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc từ silic nung chảy cẩn thận được làm nguội và làm rắn. Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiêu suất kém hơn, từ 8% - 11%. Tuy nhiên chúng ta 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 tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể. Loại này có hiệu suất thấp nhất, từ 3% - 6%, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các loại vì không cần cắt từ thỏi silicon. Cấu trúc đơn tinh thể Cấu trúc đa tinh thể Cấu trúc tinh thể vô định hình Hình 2. Cấu trúc tinh thể các dạng pin mặt trời HVTH: TRẦN VĂN DIỄN - 1920604 7 PGS.
NGUYỄN MINH TÂM Luận Văn Thạc Sĩ 2. Nguyên lý hoạt động pin năng lượng mặt trời: Hình 2.
