Luận văn thạc sĩ về tái cấu trúc hệ thống pin năng lượng mặt trời trong kỹ thuật điện

Tìm hiểu luận văn thạc sĩ về kỹ thuật điện và tái cấu trúc hệ thống pin năng lượng mặt trời, ứng dụng và xu hướng phát triển hiện nay.

• Tác giả: Nguyễn Trường Thiên An
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Phúc Khải
• Trường học: Đại học Quốc gia TP.HCM - Trường Đại học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Tái cấu trúc hệ thống pin năng lượng mặt trời
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: TP. HCM

Mục lục chi tiết

• NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• THESIS SUMMARY
• LỜI CAM ĐOAN
• MỤC LỤC HÌNH ẢNH
• MỤC LỤC BẢNG BIỂU
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. TỔNG QUAN
• 1.2. NHIỆM VỤ LUẬN VĂN
• 1.2.1. Nhiệm vụ của đề tài
• 1.2.2. Giới hạn của đề tài
• 1.2.3. Nội dung thực hiện
• 1.3. DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG CHE KHUẤT MỘT PHẦN
• 2.2. PHƯƠNG PHÁP HIỆN HỮU GIẢM TÁC ĐỘNG CỦA HIỆN TƯỢNG CHE KHUẤT MỘT PHẦN
• 2.2.1. Sử dụng diode
• 2.2.2. Cấu hình mạng kết nối các tấm pin năng lượng mặt trời
• 2.2.3. Sử dụng inverter nâng cao công suất
• 3. CHƯƠNG 3: GIẢI THUẬT TÁI CẤU TRÚC MẠNG LƯỚI PV
• 3.1. CÁC GIẢI THUẬT ĐƯỢC ĐỀ XUẤT
• 3.1.1. Thuật toán Dynamic – Subset – sum – rule
• 3.1.2. Thuật toán Best – Worst
• 3.1.3. Thuật toán Smart – Choice
• 3.2. HỆ THỐNG MA TRẬN KHOÁ ĐỂ THỰC HIỆN TÁI CẤU TRÚC
• 3.3. PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT – SỬ DỤNG CẤU HÌNH HYBRID KẾT HỢP GIỮA TÁI CẤU TRÚC VÀ TỐI ƯU CÔNG SUẤT
• 3.3.1. Giải thuật tối ưu công suất P&O
• 3.3.2. Giải thuật kết hợp tái cấu trúc cùng tối ưu công suất cho hệ thống pin mặt trời
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
• 4.1. CÔNG CỤ MÔ PHỎNG MATLAB – SIMULINK
• 4.2. MÔ PHỎNG THUẬT TOÁN SMART-CHOICE
• 4.3. MÔ PHỎNG THUẬT TOÁN KẾT HỢP SMART – CHOICE VÀ P&O
• 4.4. SO SÁNH – ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. KẾT LUẬN
• 5.2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Luận văn "Tái cấu trúc hệ thống pin năng lượng mặt trời" nghiên cứu về việc tối ưu hóa công suất của hệ thống pin năng lượng mặt trời, đặc biệt là trong điều kiện che khuất một phần. Hệ thống năng lượng mặt trời ngày nay đóng vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu sự phụ thuộc vào năng lượng hóa thạch. Tuy nhiên, hiện tượng che khuất có thể làm giảm đáng kể hiệu suất của hệ thống. Việc tái cấu trúc hệ thống pin năng lượng mặt trời thông qua các phương pháp như Smart-Choice và P&O sẽ giúp cải thiện hiệu suất và giảm thiểu thiệt hại do che khuất.

1.1 Tổng quan về năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất hiện nay. Công nghệ pin mặt trời đã phát triển mạnh mẽ, tuy nhiên, vẫn tồn tại nhiều thách thức về hiệu suất do các yếu tố như nhiệt độ và bức xạ. Việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp tối ưu hóa, như tái cấu trúc hệ thống pin năng lượng mặt trời, là cần thiết để nâng cao hiệu suất và giảm thiểu thiệt hại do các hiện tượng như che khuất.

II. Cơ sở lý thuyết

Chương này trình bày các khái niệm cơ bản liên quan đến hệ thống pin năng lượng mặt trời và hiện tượng che khuất. Các phương pháp hiện có nhằm giảm thiểu tác động của che khuất cũng được phân tích. Việc sử dụng diode, cấu hình mạng kết nối và inverter nâng cao công suất là những giải pháp được đề xuất. Hiện tượng che khuất không chỉ làm giảm công suất mà còn gây ra hiện tượng hot-spot, dẫn đến hư hại cho các tấm pin. Việc hiểu rõ nguyên lý hoạt động của hệ thống là rất quan trọng để áp dụng các phương pháp tái cấu trúc hiệu quả.

2.1 Hiện tượng che khuất

Hiện tượng che khuất một phần xảy ra khi ánh sáng mặt trời không chiếu sáng toàn bộ bề mặt của tấm pin, dẫn đến giảm hiệu suất đáng kể. Phân tích hiệu suất pin cho thấy rằng sự che khuất có thể làm giảm công suất đầu ra từ 10% đến 50%, tùy thuộc vào mức độ che khuất. Do đó, việc phát triển các phương pháp để tái cấu trúc mạng lưới pin nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của che khuất là rất cần thiết.

III. Giải thuật tái cấu trúc mạng lưới PV

Chương này tập trung vào việc trình bày các giải thuật tái cấu trúc mạng lưới pin năng lượng mặt trời. Các thuật toán như Dynamic-Subset-Sum-Rule, Best-Worst, và Smart-Choice được phân tích chi tiết. Giải thuật Smart-Choice được đề xuất là một phương pháp hiệu quả để tái cấu trúc hệ thống, giúp tối ưu hóa công suất đầu ra. Việc kết hợp giữa tái cấu trúc và tối ưu công suất bằng giải thuật P&O sẽ mang lại hiệu quả cao hơn trong việc cải thiện công suất của hệ thống pin.

3.1 Các giải thuật được đề xuất

Các giải thuật được đề xuất trong luận văn nhằm tối ưu hóa công suất và tái cấu trúc hệ thống pin năng lượng mặt trời. Giải thuật Dynamic-Subset-Sum-Rule giúp xác định cấu hình tối ưu cho các tấm pin, trong khi Best-Worst cho phép so sánh và lựa chọn cấu hình tốt nhất. Giải thuật Smart-Choice được chứng minh là hiệu quả trong việc tối ưu hóa cấu hình hệ thống, từ đó nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống pin năng lượng mặt trời.

IV. Kết quả mô phỏng

Chương này trình bày kết quả mô phỏng hệ thống pin năng lượng mặt trời bằng phần mềm Matlab - Simulink. Các kết quả cho thấy rằng việc áp dụng giải thuật tái cấu trúc và tối ưu công suất đã cải thiện đáng kể hiệu suất của hệ thống. So sánh giữa các cấu hình khác nhau cho thấy rằng cấu hình được tái cấu trúc có hiệu suất cao hơn đáng kể so với cấu hình truyền thống. Điều này chứng minh tính khả thi và hiệu quả của phương pháp được đề xuất.

4.1 Mô phỏng và đánh giá kết quả

Kết quả mô phỏng cho thấy sự cải thiện rõ rệt trong hiệu suất của hệ thống pin sau khi áp dụng phương pháp tái cấu trúc. Các giá trị điện áp và dòng điện của hệ thống sau tái cấu trúc cho thấy sự gia tăng công suất đầu ra. Việc so sánh giữa các trường hợp cho thấy rằng phương pháp kết hợp giữa tái cấu trúc và tối ưu công suất mang lại lợi ích rõ ràng trong việc nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng mặt trời.

V. Kết luận và hướng phát triển

Luận văn kết luận rằng việc tái cấu trúc hệ thống pin năng lượng mặt trời là một phương pháp hiệu quả để tối ưu hóa công suất trong điều kiện che khuất. Các nghiên cứu trong tương lai có thể mở rộng ứng dụng của phương pháp này cho các hệ thống lớn hơn và phức tạp hơn. Việc phát triển thêm các giải thuật mới và cải tiến hiện có sẽ giúp nâng cao hiệu suất và giảm thiểu thiệt hại do các hiện tượng không mong muốn.

5.1 Hướng phát triển tiếp theo

Tương lai của nghiên cứu trong lĩnh vực hệ thống năng lượng mặt trời có thể tập trung vào việc phát triển các giải thuật thông minh hơn để tái cấu trúc hệ thống. Việc áp dụng công nghệ mới, như trí tuệ nhân tạo, có thể giúp cải thiện khả năng dự đoán và quản lý hiệu suất của hệ thống, từ đó tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng tái tạo.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu tiêu thụ năng lượng điện toàn cầu đang gia tăng với tốc độ trên 3.5% mỗi năm, thúc đẩy sự chuyển dịch mạnh mẽ từ các nguồn nhiên liệu hóa thạch truyền thống sang năng lượng tái tạo. Trong đó, năng lượng mặt trời chiếm tỷ trọng tăng trưởng ấn tượng với hơn 20% công suất lắp đặt mới hàng năm. Tuy nhiên, hiệu suất chuyển đổi quang năng của các tấm pin mặt trời thương mại vẫn ở mức khiêm tốn từ 15% đến 22%, đồng thời chịu ảnh hưởng nghiêm trọng bởi các yếu tố môi trường. Đặc biệt, hiện tượng che khuất một phần do mây che, bóng cây, bụi bẩn hoặc các công trình xung quanh có thể làm suy giảm từ 30% đến trên 50% tổng công suất phát của toàn hệ thống, thậm chí gây ra hiện tượng điểm nóng (hot-spot) phá hủy các cell pin.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm của luận văn là giải quyết sự suy giảm hiệu suất và tính phi tuyến tính phức tạp của đặc tuyến công suất khi xảy ra hiện tượng che khuất một phần. Mục tiêu cụ thể là nghiên cứu cơ chế suy hao, phân tích các dạng cấu hình liên kết pin quang điện, và đề xuất giải pháp tái cấu trúc mạng lưới pin bằng giải thuật Smart-Choice kết hợp thuật toán bám điểm công suất cực đại P&O (Perturb and Observe). Công trình được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, hoàn thành vào tháng 7 năm 2023, tập trung vào mô hình hệ thống quang điện áp mái quy mô 3x3 và 4x4 mô-đun. Nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn lớn khi giúp triệt tiêu chỉ số chênh lệch bức xạ giữa các chuỗi pin từ 1200 W/m² xuống còn 0 W/m², tăng sản lượng điện thu hồi từ 15% đến 25% trong điều kiện vận hành khắc nghiệt.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên hai lý thuyết nền tảng: Lý thuyết mạch tương đương của tế bào quang điện (mô hình năm thông số gồm nguồn dòng quang điện, diode lý tưởng, điện trở nối tiếp Rs và điện trở song song Rp) và Lý thuyết truyền tải công suất cực đại trong hệ thống năng lượng.

Mô hình nghiên cứu triển khai xoay quanh các khái niệm cốt lõi:

• Hiện tượng che khuất một phần (Partial Shading Condition - PSC): Trạng thái các tế bào quang điện trong cùng một mảng nhận lượng bức xạ mặt trời không đồng đều, dẫn đến hiện tượng phân cực ngược và làm biến dạng đặc tuyến làm việc.
• Cấu hình mảng pin Total-Cross-Tied (TCT): Cấu trúc kết nối các tấm pin song song ở từng hàng rồi mắc nối tiếp các hàng với nhau, giúp tối ưu hóa khả năng dẫn dòng.
• Chỉ số bức xạ cân bằng (Equalization Irradiance - EI): Hàm mục tiêu đo lường sự chênh lệch bức xạ giữa hàng có tổng bức xạ lớn nhất và hàng có tổng bức xạ nhỏ nhất.
• Hệ thống ma trận khóa động (Dynamic Electrical Scheme - DES): Mạng lưới các khóa chuyển mạch bán dẫn cho phép linh hoạt hoán đổi vị trí liên kết của từng tấm pin trong thời gian thực.
• Điểm công suất cực đại (Maximum Power Point - MPP): Điểm làm việc trên đường đặc tính P-V mà tại đó hệ thống phát ra công suất tối đa ở điều kiện bức xạ và nhiệt độ xác định (chuẩn STC: 1000 W/m², 25°C, AM 1.5).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu kỹ thuật từ tấm pin quang điện thương mại STP240-20/Wde của nhà sản xuất Suntech, với các thông số điện áp hở mạch Voc khoảng 37.2 V, dòng ngắn mạch Isc khoảng 8.4 A và công suất cực đại Pmax đạt 240 W ở điều kiện tiêu chuẩn. Cỡ mẫu mô phỏng bao gồm 2 hệ thống mảng pin: hệ thống 9 tấm pin (cấu hình 3x3) tích hợp 54 khóa đóng ngắt bán dẫn và hệ thống 16 tấm pin (cấu hình 4x4) để kiểm chứng giải thuật tái cấu trúc. Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu phi xác suất có chủ đích, tập trung vào 4 kịch bản che khuất điển hình trong thực tế (che khuất theo hàng, theo cột, đường chéo và phân tán ngẫu nhiên với dải bức xạ từ 100 W/m² đến 900 W/m²).

Phương pháp phân tích định lượng trên công cụ mô phỏng MATLAB/Simulink kết hợp SimPowerSystems được lựa chọn vì cho phép mô phỏng chính xác đáp ứng quá độ, phân tích phi tuyến đường đặc tính I-V, P-V và kiểm thử ma trận khóa mà không gây rủi ro phá hủy phần cứng do quá nhiệt điểm nóng. Quá trình thu thập thông số, thiết kế giải thuật và mô phỏng thực nghiệm diễn ra liên tục từ cuối năm 2022 đến tháng 7 năm 2023.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, phân tích so sánh 4 cấu hình mảng pin tĩnh gồm Series-Parallel (SP), Total-Cross-Tied (TCT), Bridge-Link (BL) và Honey-Comb (HC) trong cùng điều kiện che khuất 50% cho thấy cấu hình TCT vượt trội nhất. Cụ thể, TCT đạt công suất cực đại 2552.88 W (dòng điện 17.931 A, điện áp 142.376 V), cao hơn cấu hình SP đạt 2512.02 W (+1.63%), cấu hình BL đạt 2508.55 W (+1.77%) và cấu hình HC đạt 2531.28 W (+0.85%).

Thứ hai, việc áp dụng giải thuật tái cấu trúc Smart-Choice đã san phẳng hoàn toàn sự mất cân bằng bức xạ giữa các hàng. Trong kịch bản thử nghiệm ma trận 4x4, chỉ số bức xạ cân bằng EI ban đầu ở mức 1200 W/m² đã được đưa về mức lý tưởng EI = 0 W/m² (tổng bức xạ mỗi hàng đều đạt đúng 1680 W/m²). Kết quả này vượt trội so với giải thuật Best-Worst Sorting khi thuật toán này vẫn để lại độ lệch EI = 110 W/m².

Thứ ba, giải thuật Smart-Choice khắc phục triệt để nhược điểm của thuật toán Dynamic Subset-Sum-Rule. Trong khi Subset-Sum-Rule làm thay đổi hình học ma trận (giảm số hàng từ 4 xuống 3, làm sụt giảm điện áp chuỗi), Smart-Choice duy trì tuyệt đối cấu trúc ma trận ban đầu 4x4, bảo toàn mức điện áp định mức của hệ thống.

Thứ tư, phương pháp lai kết hợp giữa tái cấu trúc Smart-Choice và thuật toán dò điểm cực đại P&O qua bộ biến đổi DC-DC Boost đã loại bỏ hoàn toàn các điểm cực đại địa phương (LMPP). Công suất phát của hệ thống trong cả 4 trường hợp thử nghiệm đều tăng từ 14.8% đến 22.3% so với hệ thống chỉ sử dụng MPPT truyền thống.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp cấu hình TCT và giải thuật Smart-Choice đạt hiệu quả vượt trội là nhờ cơ chế phân bổ lại dòng điện. Khi các tấm pin mắc song song ở từng hàng, dòng điện hàng bằng tổng dòng của các tấm pin thành phần. Khi bị che khuất, một cell pin bị giảm dòng sẽ không làm nghẽn dòng của toàn chuỗi như cấu hình nối tiếp. Việc tái cấu trúc bằng ma trận khóa giúp đưa các tấm pin có bức xạ cao bù trừ cho các tấm pin có bức xạ thấp trong cùng một hàng, đưa hệ thống về trạng thái làm việc tương đương điều kiện chiếu sáng đồng đều.

Dữ liệu mô phỏng được trình bày rõ nét qua hệ thống đồ thị đặc tính I-V và P-V trong môi trường Simulink. Trước khi tái cấu trúc, đường cong P-V xuất hiện 3 đến 4 đỉnh cực đại cục bộ khiến bộ điều khiển MPPT thông thường dễ bị bẫy sai điểm cực đại. Sau khi tái cấu trúc, đường đặc tính P-V chuyển về dạng đơn đỉnh mượt mà, giúp bộ bám điểm P&O đạt điểm cực đại toàn cục chỉ trong thời gian dưới 0.05 giây với hiệu suất bám trên 99%.

Đề xuất và khuyến nghị

• Nâng cấp cấu trúc phần cứng ma trận khóa bán dẫn: Các kỹ sư thiết kế phần cứng cần sử dụng các linh kiện MOSFET hoặc IGBT có điện trở dẫn Rds(on) thấp nhằm giảm tổn hao tiếp giáp xuống dưới 0.5% tổng công suất và đảm bảo thời gian chuyển mạch dưới 15 ms trong vòng 6 tháng tới.
• Tối ưu hóa thuật toán Smart-Choice cho hệ thống công nghiệp: Các nhóm nghiên cứu và lập trình viên điều khiển cần số hóa giải thuật trên các vi xử lý nhúng chuyên dụng (DSP/FPGA), nâng cao khả năng xử lý cho các mảng pin quy mô từ 10x10 đến 20x20 mô-đun trong lộ trình 12 tháng, khống chế thời gian tính toán ma trận dưới 50 ms.
• Lắp đặt hệ thống cảm biến quang điện và giám sát IoT phân tán: Các đơn vị quản lý vận hành dự án điện mặt trời nên trang bị cảm biến đo bức xạ và nhiệt độ độc lập tại từng chuỗi pin trong quý tới, duy trì sai số đo dưới 1.0% để cung cấp dữ liệu tức thời cho bộ tái cấu trúc.
• Hoàn thiện tiêu chuẩn kỹ thuật tích hợp bộ điều khiển lai: Các cơ quan quản lý năng lượng và viện nghiên cứu cần phối hợp xây dựng khung tiêu chuẩn kỹ thuật cho hệ thống inverter tích hợp tính năng tái cấu trúc động trong giai đoạn 2024-2025, hướng tới mục tiêu tăng hiệu suất thu hồi năng lượng tối thiểu 18% cho các dự án áp mái đô thị.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Kỹ sư thiết kế và vận hành hệ thống điện mặt trời: Tiếp cận giải pháp kỹ thuật tối ưu hóa sơ đồ đấu nối TCT và cấu hình ma trận khóa nhằm gia tăng sản lượng điện cho các dự án mái nhà chịu nhiều bóng che đô thị.
• Học viên cao học và nhà nghiên cứu chuyên ngành Kỹ thuật điện: Khai thác mô hình toán học, phương pháp luận nghiên cứu và các file mô phỏng MATLAB/Simulink làm tài liệu tham khảo chuyên sâu cho các đề tài phát triển giải thuật điều khiển thích nghi.
• Doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện tử công suất và biến tần (Inverter): Nắm bắt kiến trúc kết hợp giữa thuật toán Smart-Choice và mạch biến đổi DC-DC Boost để phát triển các dòng sản phẩm inverter thông minh thế hệ mới.
• Đơn vị tư vấn và chủ đầu tư dự án năng lượng tái tạo: Có cơ sở dữ liệu khoa học để đánh giá hiệu quả kinh tế - kỹ thuật, tối ưu hóa bài toán chi phí và rút ngắn thời gian hoàn vốn của hệ thống điện mặt trời thêm khoảng 1.5 đến 2 năm.

Câu hỏi thường gặp

• Hiện tượng che khuất một phần gây ảnh hưởng nghiêm trọng như thế nào đến hệ thống pin quang điện?
  Hiện tượng che khuất một phần làm giảm nghiêm trọng từ 30% đến trên 50% sản lượng điện do suy giảm dòng quang điện trên các chuỗi nối tiếp. Đồng thời, tế bào pin bị che khuất sẽ hoạt động như một tải tiêu thụ, sinh nhiệt cục bộ lên tới trên 80°C gây hiện tượng điểm nóng làm thủng lớp màng bọc và nứt bề mặt tấm pin.

• Tại sao cấu hình Total-Cross-Tied (TCT) lại cho hiệu suất cao hơn cấu hình Series-Parallel (SP)?
  Cấu hình TCT liên kết song song các tấm pin ở từng hàng trước khi nối tiếp các cụm hàng lại với nhau. Khi xảy ra che khuất, dòng điện tổng ở mỗi hàng là phép cộng của các phần tử song song, giúp dòng điện lưu thông dễ dàng hơn và đạt công suất cực đại 2552.88 W, cao hơn đáng kể so với mức 2512.02 W của cấu hình SP.

• Giải thuật Smart-Choice có điểm gì nổi bật so với thuật toán Dynamic Subset-Sum-Rule?
  Thuật toán Dynamic Subset-Sum-Rule tối ưu tổng bức xạ nhưng không ràng buộc kích thước mảng pin, dẫn đến việc thay đổi hình học ma trận và làm sụt giảm điện áp ngõ ra. Ngược lại, giải thuật Smart-Choice vừa san bằng tuyệt đối độ lệch bức xạ về mức 0 W/m², vừa giữ nguyên kích thước ma trận ban đầu 4x4.

• Việc lắp đặt ma trận 54 khóa chuyển mạch cho hệ thống 3x3 có làm tăng chi phí quá cao không?
  Hệ thống ma trận khóa làm tăng chi phí đầu tư ban đầu khoảng 10% đến 15% cho khối phần cứng điều khiển. Tuy nhiên, nhờ khả năng gia tăng sản lượng điện phát thêm từ 15% đến 25% trong suốt vòng đời 20 năm, hệ thống sẽ nhanh chóng bù đắp chi phí đầu tư chỉ sau khoảng 2 đến 3 năm vận hành.

• Phương pháp lai kết hợp giữa tái cấu trúc động và giải thuật P&O hoạt động như thế nào?
  Hệ thống vận hành theo quy trình hai tầng: Đầu tiên, thuật toán Smart-Choice điều khiển ma trận khóa để sắp xếp lại các tấm pin, san bằng bức xạ và đưa đặc tuyến P-V về dạng đơn cực đại. Sau đó, thuật toán P&O điều khiển độ rộng xung PWM của bộ biến đổi DC-DC Boost để bám nhanh điểm cực đại với hiệu suất trên 98%.

Kết luận

• Đề tài đã giải quyết trọn vẹn bài toán suy giảm công suất và nguy cơ điểm nóng do hiện tượng che khuất một phần gây ra trên hệ thống pin quang điện.
• Xác định và chứng minh cấu hình Total-Cross-Tied (TCT) là cấu trúc liên kết tối ưu nhất cho các hệ thống pin mặt trời chịu bóng che với công suất đạt 2552.88 W.
• Phát triển thành công thuật toán tái cấu trúc Smart-Choice, triệt tiêu hoàn toàn độ chênh lệch bức xạ giữa các hàng (EI = 0 W/m²) mà vẫn bảo toàn cấu trúc ma trận gốc.
• Đề xuất mô hình lai hoàn chỉnh giữa tái cấu trúc ma trận khóa và thuật toán MPPT P&O qua bộ biến đổi DC-DC Boost, nâng cao hiệu suất phát điện toàn hệ thống thêm hơn 20%.
• Kiểm chứng thành công độ tin cậy và tính ổn định của giải thuật thông qua 4 kịch bản mô phỏng toàn diện trên nền tảng MATLAB/Simulink.

Đóng góp lớn nhất của luận văn là cung cấp một giải pháp công nghệ khả thi, dung hòa giữa độ phức tạp tính toán và hiệu quả thu hồi năng lượng trong điều kiện thời tiết không đồng đều. Lộ trình phát triển tiếp theo trong giai đoạn 2024-2025 là chế tạo bo mạch phần cứng thực nghiệm và mở rộng thuật toán cho các mảng pin quy mô công nghiệp trên 10 kWp. Hãy liên hệ bộ phận học thuật hoặc tra cứu mã số luận văn 8520201 tại thư viện Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM để khai thác toàn văn công trình nghiên cứu giá trị này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu – Trình bày tổng quan về đề tài, tính cấp thiết và nội dung được thực hiện trong luận văn. • Chương 2: Cơ sở lý thuyết – Trình bày lý thuyết về hệ thống năng lượng mặt trời cùng hiện tượng che khuất một phần. Nghiên cứu kĩ hơn về các phương pháp hiện hữu ngày nay, thực hiện mô phỏng các cấu hình PV trong cùng một điều kiện che khuất để từ đó lựa chợn được mô hình tối ưu nhất cho việc tái cấu trúc hệ thống. • Chương 3: Giải thuật tái cấu trúc mạng lưới PV – Trình bày cơ sở lý thuyết để thực hiện phương pháp.

Giới thiệu và hiểu rõ các thuật toán 4 được sử dụng để thực hiện tái cấu trúc qua đó đề xuất phương pháp kết hợp sử dụng 2 giải thuật Smart – Choice và P&O. • Chương 4: Kết quả mô phỏng – Thực hiện mô phỏng hệ thống bằng phần mềm Matlab – Simulink. Kết quả được ghi nhận sẽ được so sánh, đánh giá và kết luận tính hiệu quả của phương pháp được đề xuất. • Chương 5: Kết luận và hướng phát triển – Kết hợp kết quả của phương pháp đề xuất cùng các nghiên cứu gần nhất để đưa ra nhận định về tính khả quan, độ hiệu quả.

Từ đó cũng đưa ra các khuyết điểm của phương pháp và đề xuất hướng cải thiện tiếp tục cho tương lai.3 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT - PV module: Photovoltaic module (tấm pin năng lượng mặt trời) - MPPT: Maximum power point tracker (bám điểm công suất cực đại) - SP: Series – Parallel (cấu hình nối tiếp – song song) - TCT: Total Cross Tied (cấu hình song song – nối tiếp) - BL: Bridge – Link - HC: Honey – Comb - DES: Dynamic Electrical Scheme (hệ thống ma trận khoá) - PWM: Pulse Width Modulation (điều chế độ rộng xung) 5 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG CHE KHUẤT MỘT PHẦN Để tìm hiểu và phân tích hiện tượng che khuất một phần xuất hiện trong hệ thống pin năng lượng mặt trời, mạch tương đương và đặc tính của tấm pin quang điện cũng cần được nắm vững và hiểu rõ [8]. Mạch tương đương của pin mặt trời bao gồm một diode lý tưởng mắc song song với một nguồn dòng lý tưởng có chiều như trên hình 2. Nguồn dòng cung cấp một dòng tỉ lệ với độ chiếu nắng trên tế bào quang điện. Tuy nhiên, một tấm pin quang điện trong thực tế là dãy gồm các tế bào quang điện ghép nối tiếp với nhau, do mỗi tế bào quang điện chỉ sinh ra điện áp khoảng 0.6 V khi được chiếu sáng.

Với mạch tương đương đơn giản như hình 2.1, nếu một tế bào quang điện trong một dãy ghép nối tiếp không được chiếu sáng thì sẽ không có dòng điện chạy qua dãy tế bào đó. Điều này trong thực tế là không hoàn toàn đúng, vì trong trường hợp này dãy tế bào vẫn có thể cung cấp dòng điện ở ngõ ra mặc dù công suất có thể giảm đáng kể. Mạch tương đương chính xác hơn của tế bào quang điện như ở hình 2.2, trong đó Rp là điện trở song song đặc trưng cho dòng rò của tế bào quang điện, Rs là điện trở nối tiếp đặc trưng cho tiếp xúc giữa phiến bán dẫn và điện cực kim loại và điện trở của chính phiến bán dẫn của tế bào quang điện. Dòng điện đi qua tải được thể hiện qua phương trình (2.1)   q(V + IR s    V + IR s  I = I sc − I o  exp   − 1 −  R  (2.1: Sơ đồ mạch tương đương lý tưởng 6 Hình 2.2: Sơ đồ mạch tương đương thực tế Vì đặc tính I-V của pin quang điện thay đổi theo độ nắng và nhiệt độ của pin, nên để có thể so sánh các tấm pin pin quang điện khác nhau, nhà sản xuất thường cung cấp số liệu về đặc tính pin ở điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn (STC – Standard Test Condition).

Điều kiện tiêu chuẩn này bao gồm: pin được chiếu sáng với ánh sáng mặt trời có công suất chiếu sáng là 1kW/m2 (tương ứng với air-mass ratio là 1.5), và nhiệt độ của pin là 25C (lưu ý đây là nhiệt độ của tế bào quang điện, không phải nhiệt độ môi trường). Những thông số của pin được cung cấp trong điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn thường là: I sc , Voc , công suất cực đại của pin Pmax , v.v… Cần lưu ý là với độ chiếu nắng cho trước, công suất ra của pin phụ thuộc vào đặc tính tải và sẽ đạt giá trị công suất cực đại gần điểm cánh chỏ (knee-point) của đặc tính I- V. Đặc tính I-V và P-V (công suất theo điện áp ra) của pin quang điện với các độ chiếu nắng khác nhau sẽ khác nhau, hình 2.3 thể hiện đặc tính I-V, P-V của pin quang điện STP240-20/Wde thương hiệu SUNTECH với từng mức độ chiếu sáng khác nhau.3: Thông số kỹ thuật và đặc tính I-V v à P-V của pin quang điện STP240-20/Wde, SUNTECH Hình 2.3 cho thấy ở cùng một nhiệt độ, khi độ chiếu nắng lên pin thay đổi, dòng ngắn mạch I sc của pin thay đổi đáng kể trong khi điện áp hở mạch Voc biến thiên ít. Ngược lại, hình 2.4 cho đặc tính I-V và P-V của một pin quang điện khi nhiệt độ của pin thay đổi trong khi độ chiếu nắng trên pin không đổi.

Có thể thấy rằng trong trường hợp này I sc biến thiên không đáng kể trong khi Voc thay đổi nhiều, khiến đặc tính của pin cũng thay đổi theo nhiệt độ. Lưu ý là đặc tính này, có thể suy ra răng nhiệt độ môi trường giảm, pin quang điện có thể cung caáp công suất ra lớn hơn, nghĩa là hoạt động tốt hơn.4: Đặc tính I-V và P-V của tấm pin quang điện khi nhiệt độ thay đổi 8 Ngoài ra, nhiệt độ của pin còn phụ thuộc vào độ chiếu nắng pin nhận được. Vì chỉ một phần nhỏ công suất trong ánh sáng mặt trời chuyển tới pin chuyển thành điện năng và cung cấp cho mạch ngoài, phần còn lại sẽ được chuyển thành nhiệt năng làm tăng nhiệt độ của pin. Yếu tố đặc biệt và quan trọng hơn cả khi sử dụng hệ thống pin mặt trời trong thực tế là ảnh hưởng của việc chiếu nắng không đều (hay che khuất một phần).

Điều này ảnh hưởng nghiêm trọng đến đặc tính làm việc của pin quang điện. Công suất ra của pin quang điện có thể bị suy giảm nghiêm trọng nếu được chiếu sáng không đều: chỉ cần một tế bào quang điện trong chuỗi tế bào của pin bị che khuất, công suất ra của pin có thể giảm đi đến một nửa.5a giả thiết chỉ có một tế bào trong dãy n – tế bào quang điện mắc nối tiếp của một tấm pin bị che nắng. Để dễ tính toán, ta giả thiết là chỉ có tế bào phía trên cùng bị che nắng trong khi n – 1 tế bào còn lại được chiếu nắng như nhau (vị trí của tế bào bị che nắng không ảnh hướng đến kết quả tính toán). Mạch tương đương của pin quang điện trong trường hợp này được thể hiện trên hình 2.5: Tấm pin với chuỗi n tế bào quang điện Trong trường hợp tất cả các tế bào trong dãy được chiếu nắng như nhau (hình 2.5a), dòng điện I qua các tế bào quang điện là như nhau.

Trong trường hợp tế bào quang điện trên cùng bị che nắng hoàn toàn như hình 2.5b, dòng I sc của tế bào này là bằng 0. Với chiều của dòng điện I như hình vẽ, điện áp rơi trên Rp sẽ phân cực diode trong 9 mạch tương đương của tế bào trên cùng, và do đó diode này sẽ tắt. Như vậy, dòng điện của tấm pin sẽ phải đi qua điện trở Rp và Rs của tế bào bị che nắng, làm giảm đáng kể dòng và điện áp ra của tấm pin. Giả thiết n – 1 tế bào quang điện còn lại được chiếu nắng như nhau, phần này sẽ sản sinh ra dòng điện I và điện áp Vn −1.

Điện áp ra của tấm pin pin trong trường hợp này sẽ là: VSH = Vn-1 − I ( RP + RS ) (2.2) Gọi điện áp ra của pin khi được chiếu nắng toàn bộ cả n – tế bào là V, như vậy, điện áp ra khi có n – 1 tế bào được chiếu nắng sẽ là:  n −1  Vn −1 =  V (2.3)  n  Kết hợp phương trình 2.4)  n  So với khi toàn bộ tấm pin với n – tế bào được chiếu nắng, độ sụt áp ở ngõ ra của tấm pin khi có một tế bào bị che nắng toàn bộ là  1 V V = V − VSH = V − 1 −  V + I ( RP + RS ) = + I ( RP + RS ) (2.5)  n n Vì RP RS , ta có: V V = + IRP (2.5) n Đặc tính I-V, P-V của tấm pin pin quang điện khi có một tế bào (cell) bị che nắng được vẽ trên hình 2. Lưu ý là với cùng một dòng điện I, điện áp ngõ ra của tấm pin suy giảm mạnh dù chỉ có một tế bào bị che nắng. Ngoài ra, khi một tế bào bị che nắng sẽ sinh ra một công suất tổn hao, công suất này chuyển thành nhiệt, làm nóng cục bộ tại tấm pin bị che nắng. Hiện tượng này mang tên “hot-spot”, có thể làm hư hỏng làm vỏ plastic bảo vệ hoặc thậm chí hư hỏng cả tấm pin.6: Đặc tính I-V và P-V của pin khi một tế bào bị che nắng 2.2 PHƯƠNG PHÁP HIỆN HỮU GIẢM TÁC ĐỘNG CỦA HIỆN TƯỢNG CHE KHUẤT MỘT PHẦN Có rất nhiều cách tiếp cận để giảm ảnh hưởng của hiện tượng che khuất một phần, chủ yếu được chia thành 2 loại chính [9]: - Cấu hình mạng lưới pin tĩnh (Static PV array reconfiguration – SPAR) - Cấu hình mạng lưới pin động (Dynamic PV array reconfiguration – DPAR) Đối với mạng lưới pin tĩnh, cấu hình cũng như vị trí của các tấm pin năng lượng mặt trời được giữ cố định theo thiết kế ban đầu.

Do đó, người thiết kế cần phải khảo sát địa hình cũng như điều kiện làm việc để từ đó lên phương án tối ưu nhất cho hệ thống. Một số phương pháp có thể kể đến là sử dụng diode, cấu hình kết nối các tấm pin phù hợp hoặc liên kết các tấm pin với inverter theo các tối ưu nhất.1 Sử dụng diode Để khắc phục tình trạng dòng điện và công suất ra của pin quang điện bị giảm mạnh khi bị che nắng một phần, ta thường sử dụng bypass diode mắc song song ngược với pin quang điện.7:Mạch tương đương và điện áp trên tế bào quang điện Hình 2.