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

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.

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.