Luận văn thạc sĩ về thiết kế bộ nghịch lưu năng lượng mặt trời lên lưới điện quốc gia

Luận văn thạc sĩ HCMUTE nghiên cứu thiết kế bộ nghịch lưu hòa năng lượng mặt trời cho lưới điện quốc gia, tối ưu hiệu suất và tiết kiệm năng lượng.

• Tác giả: Tạ Quang Minh
• Người hướng dẫn: TS. Trương Việt Anh
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Thiết Bị Mạng Và Nhà Máy Điện
• Đề tài: Thiết Kế Bộ Nghịch Lưu Năng Lượng Mặt Trời Cho Lưới Điện Quốc Gia
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
• 1.1. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố
• 1.2. Mục đích của đề tài
• 1.3. Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5. Điểm mới của luận văn
• 1.6. Giá trị thực tiễn của luận văn
• 1.7. Bố cục của luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN
• 2.1. Mô hình pin mặt trời
• 2.2. Bộ chuyển đổi DC/DC boots converter
• 2.3. Điểm làm việc cực đại của pin mặt trời
• 2.4. Các phương pháp tìm điểm cực đại của pin mặt trời
• 2.4.1. Phương pháp điện áp hằng số
• 2.4.2. Phương pháp P&O (Perturb and Observe)
• 2.4.3. Phương pháp InC (Incremental Conductance)
• 2.4.4. Nhược điểm của các phương pháp P&O và InC
• 2.5. Xây dựng mô hình pin mặt trời trong Matlab/Simulink
• 3. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG ÁN ĐỀ XUẤT
• 3.1. Phương pháp Voltage Oriented Control
• 3.2. Chuyển tọa độ (a, b, c) sang (d, q) và ngược lại
• 3.3. Các thành phần của bộ nghịch lưu theo phương pháp VOC
• 3.4. Khối hệ thống
• 3.5. Vòng khóa pha PLL
• 3.6. Bộ điều khiển dòng
• 3.7. Ưu nhược điểm của phương pháp VOC
• 3.8. Thông số điều khiển
• 3.9. Kỹ thuật điều khiển PID
• 3.10. Dãy thuật bầy đàn Particle Swarm Optimization
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
• 4.1. Sơ đồ mô hình trên Matlab/Simulink
• 4.2. Kết quả mô phỏng
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT
• 5.1. Hạn chế và hướng phát triển của đề tài
• 5.2. Hướng phát triển của đề tài
• DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH SÁCH CÁC BẢNG
• DANH SÁCH CÁC HÌNH
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời là một trong những nguồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất hiện nay. Với sự gia tăng nhu cầu sử dụng năng lượng sạch, năng lượng mặt trời đã trở thành một lựa chọn hàng đầu cho việc phát điện. Việt Nam, với vị trí địa lý gần đường xích đạo, có tiềm năng lớn về năng lượng mặt trời với cường độ bức xạ trung bình đạt từ 4 đến 5 kWh/m2 mỗi ngày. Tuy nhiên, việc phát triển hệ thống năng lượng tái tạo này vẫn gặp nhiều thách thức, đặc biệt là về công nghệ và chi phí. Các nghiên cứu hiện tại đang tập trung vào việc cải thiện hiệu suất của bộ nghịch lưu và giảm giá thành sản xuất pin mặt trời.

1.1. Tiềm năng và thách thức

Việt Nam có tiềm năng lớn về năng lượng mặt trời, nhưng vẫn đối mặt với nhiều rào cản. Giá thành cao của pin mặt trời và hiệu suất chuyển đổi năng lượng thấp là những vấn đề chính. Giá của một mô đun pin mặt trời hiện tại khoảng 3.5$/Wp, và nếu tính cả chi phí lắp đặt, giá thành điện năng phát ra vẫn còn cao. Để khắc phục, cần có các giải pháp công nghệ và chính sách hỗ trợ từ chính phủ.

II. Thiết kế bộ nghịch lưu năng lượng mặt trời

Bộ nghịch lưu là một phần quan trọng trong hệ thống năng lượng mặt trời. Nó có nhiệm vụ chuyển đổi điện năng từ pin mặt trời thành điện năng có thể sử dụng cho lưới điện quốc gia. Việc thiết kế bộ nghịch lưu cần phải đảm bảo hiệu suất cao và khả năng hoạt động ổn định trong các điều kiện khác nhau. Các phương pháp điều khiển như Voltage Oriented Control (VOC) đã được áp dụng để tối ưu hóa hiệu suất của bộ nghịch lưu. Mô hình này cho phép điều khiển dòng điện và điện áp một cách chính xác, từ đó nâng cao hiệu suất của hệ thống.

2.1. Nguyên lý hoạt động

Bộ nghịch lưu hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển đổi điện áp DC từ pin mặt trời thành điện áp AC phù hợp với lưới điện quốc gia. Việc sử dụng công nghệ biến tần giúp cải thiện hiệu suất và khả năng tương thích với các thiết bị điện khác. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng các phương pháp điều khiển hiện đại có thể nâng cao đáng kể hiệu suất của bộ nghịch lưu, từ đó tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng mặt trời.

III. Ứng dụng và giá trị thực tiễn

Việc thiết kế và phát triển bộ nghịch lưu cho năng lượng mặt trời không chỉ mang lại lợi ích về mặt kinh tế mà còn góp phần vào việc bảo vệ môi trường. Hệ thống này giúp giảm thiểu sự phụ thuộc vào các nguồn năng lượng hóa thạch, đồng thời thúc đẩy sự phát triển bền vững. Các ứng dụng của bộ nghịch lưu trong hệ thống điện thông minh đang ngày càng trở nên phổ biến, cho phép quản lý và phân phối điện năng một cách hiệu quả hơn.

3.1. Tác động đến môi trường

Sử dụng năng lượng mặt trời giúp giảm thiểu khí thải carbon và các tác động tiêu cực đến môi trường. Việc phát triển các hệ thống năng lượng tái tạo như bộ nghịch lưu không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần vào việc bảo vệ môi trường. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng công nghệ này có thể giảm thiểu ô nhiễm và cải thiện chất lượng cuộc sống cho cộng đồng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Năng lượng tái tạo ngày càng trở nên quan trọng trong bối cảnh nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt và gây ra nhiều tác động tiêu cực đến môi trường như hiệu ứng nhà kính và lũ lụt. Trong số các nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng mặt trời được đánh giá cao nhờ ưu điểm về chi phí bảo dưỡng thấp, an toàn và không gây ô nhiễm môi trường. Tại Việt Nam, vị trí địa lý gần xích đạo mang lại nguồn bức xạ mặt trời trung bình từ 4 đến 5 kWh/m² mỗi ngày, tạo điều kiện thuận lợi cho phát triển năng lượng mặt trời. Tuy nhiên, việc ứng dụng năng lượng mặt trời còn gặp nhiều thách thức, đặc biệt là chi phí đầu tư cao và hiệu suất chuyển đổi năng lượng thấp. Giá thành điện năng từ pin mặt trời hiện khoảng 0.65 USD/kWh, cao gấp gần 5 lần so với điện năng từ nguồn hóa thạch.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là thiết kế bộ nghịch lưu hòa năng lượng mặt trời lên lưới điện quốc gia với phương pháp điều khiển Voltage Oriented Control (VOC) nhằm tối ưu hóa hiệu suất và chất lượng điện năng. Nghiên cứu tập trung vào việc xây dựng mô hình pin mặt trời, phát triển giải thuật tìm điểm công suất cực đại (MPPT) và thiết kế bộ nghịch lưu ba pha điều khiển theo điện áp để bơm công suất lên lưới điện. Phạm vi nghiên cứu bao gồm mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink với dữ liệu pin mặt trời thương mại MSX60, áp dụng trong điều kiện bức xạ và nhiệt độ thay đổi.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc góp phần nâng cao hiệu quả khai thác năng lượng mặt trời, giảm chi phí đầu tư và hỗ trợ phát triển nguồn năng lượng tái tạo tại Việt Nam. Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng trong thiết kế hệ thống hòa lưới điện mặt trời, đồng thời làm tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực thiết bị mạng và nhà máy điện.

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:

• Mô hình pin mặt trời: Mô hình điện tương đương của pin mặt trời gồm dòng quang điện, điốt, điện trở dòng rò và điện trở nối tiếp. Dòng quang điện phụ thuộc vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ vận hành, được mô tả bằng các phương trình vật lý chi tiết. Mô hình này giúp mô phỏng đặc tuyến I-V và P-V của pin dưới các điều kiện môi trường khác nhau.

• Phương pháp tìm điểm công suất cực đại (MPPT): Các giải thuật MPPT phổ biến như phương pháp điện áp hằng số, P&O (Perturb and Observe), và InC (Incremental Conductance) được nghiên cứu. Mỗi phương pháp có ưu nhược điểm riêng, ví dụ P&O đơn giản nhưng có thể sai lệch khi bức xạ thay đổi nhanh, InC chính xác hơn nhưng phức tạp hơn.

• Phương pháp điều khiển Voltage Oriented Control (VOC): Đây là phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu ba pha dựa trên hệ tọa độ d-q, trong đó dòng điện và điện áp được phân tích và điều khiển theo trục dọc và trục ngang. VOC cho phép điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng một cách hiệu quả, giúp bộ nghịch lưu hòa lưới ổn định và đạt hệ số công suất gần bằng 1.

Các khái niệm chính bao gồm: điểm công suất cực đại (MPP), bộ biến đổi DC/DC boost converter, hệ tọa độ d-q, vòng khóa pha PLL, điều khiển PID, và thuật toán tối ưu bầy đàn Particle Swarm Optimization (PSO).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink với các bước chính:

• Thu thập dữ liệu: Thông số kỹ thuật của pin mặt trời thương mại MSX60 được sử dụng làm dữ liệu đầu vào, bao gồm công suất đỉnh 60 W, điện áp đỉnh 17.1 V, dòng ngắn mạch 3.8 A, nhiệt độ vận hành bình thường 49°C.

• Xây dựng mô hình toán học: Mô hình pin mặt trời được xây dựng dựa trên các phương trình vật lý, mô phỏng đặc tuyến I-V và P-V dưới các điều kiện bức xạ và nhiệt độ khác nhau.

• Phát triển giải thuật MPPT: Các giải thuật MPPT như P&O và InC được mô phỏng và so sánh, đồng thời đề xuất phương pháp MPPT mới kết hợp ưu điểm của phương pháp điện áp hằng số và điều khiển tựa điện áp lưới.

• Thiết kế bộ nghịch lưu và điều khiển VOC: Bộ nghịch lưu ba pha được thiết kế với điều khiển dòng điện phân lập theo hệ tọa độ d-q, sử dụng điều khiển PID và kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM. Vòng khóa pha PLL được sử dụng để đồng bộ điện áp lưới.

• Phân tích kết quả: Kết quả mô phỏng được đánh giá về công suất tác dụng, công suất phản kháng, điện áp và dòng điện đầu ra, cũng như hệ số méo dạng hài (THD).

Cỡ mẫu nghiên cứu là mô hình mô phỏng với các thông số kỹ thuật thực tế của pin mặt trời và bộ nghịch lưu. Phương pháp chọn mẫu là mô phỏng chi tiết từng thành phần và toàn bộ hệ thống để đánh giá hiệu quả điều khiển. Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng 2 năm học thạc sĩ, từ thu thập tài liệu, xây dựng mô hình đến hoàn thiện luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Mô hình pin mặt trời mô phỏng chính xác đặc tuyến I-V và P-V: Dưới bức xạ 1 kW/m² và nhiệt độ 25°C, pin MSX60 đạt công suất đỉnh 60 W với điện áp đỉnh 17.1 V và dòng ngắn mạch 3.8 A. Khi nhiệt độ tăng lên 49°C, điện áp hở mạch giảm đáng kể, kéo theo công suất giảm khoảng 10-15%.

2. Phương pháp MPPT kết hợp điện áp hằng số và điều khiển tựa điện áp lưới cho hiệu suất cao: Giải thuật MPPT mới không cần đo điện áp hở mạch liên tục, giúp giảm tổn hao công suất và tăng độ ổn định khi bức xạ thay đổi nhanh. So với phương pháp P&O truyền thống, sai số điểm MPP giảm khoảng 5-7%.

3. Bộ nghịch lưu ba pha điều khiển theo phương pháp VOC đạt hệ số công suất gần 1: Mô phỏng cho thấy công suất tác dụng bơm lên lưới đạt giá trị tối ưu, công suất phản kháng gần bằng 0, giúp cải thiện chất lượng điện năng. Hệ số méo dạng hài (THD) dòng điện đầu ra được giữ dưới 5%, đảm bảo tiêu chuẩn kỹ thuật.

4. Điều khiển PID kết hợp thuật toán tối ưu PSO giúp tối ưu đáp ứng hệ thống: Việc điều chỉnh tham số PID bằng thuật toán PSO giúp giảm thời gian đáp ứng và dao động dòng điện, nâng cao độ ổn định của bộ nghịch lưu trong các điều kiện môi trường thay đổi.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng cho thấy mô hình pin mặt trời và bộ nghịch lưu thiết kế phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam, nơi có bức xạ mặt trời trung bình cao. Việc áp dụng phương pháp MPPT kết hợp giúp khắc phục nhược điểm của các giải thuật truyền thống, đặc biệt trong điều kiện bức xạ thay đổi nhanh, từ đó nâng cao hiệu suất khai thác năng lượng mặt trời.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, phương pháp VOC được đánh giá cao về khả năng điều khiển công suất và chất lượng điện năng, phù hợp với yêu cầu hòa lưới điện quốc gia. Việc sử dụng thuật toán PSO để tối ưu tham số PID là điểm mới, giúp cải thiện hiệu quả điều khiển so với các phương pháp điều khiển PID truyền thống.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ đặc tuyến I-V, P-V của pin mặt trời dưới các điều kiện khác nhau, biểu đồ công suất tác dụng và phản kháng đầu ra của bộ nghịch lưu, cũng như biểu đồ THD dòng điện để minh họa chất lượng điện năng.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai thực nghiệm bộ nghịch lưu điều khiển VOC trong môi trường thực tế: Thực hiện lắp đặt và thử nghiệm hệ thống tại các khu vực có cường độ bức xạ cao trong vòng 12 tháng để đánh giá hiệu quả vận hành thực tế.

2. Phát triển giải thuật MPPT kết hợp trí tuệ nhân tạo: Áp dụng các thuật toán học máy hoặc fuzzy logic để nâng cao khả năng thích ứng với biến đổi môi trường, giảm sai số điểm MPP dưới 6 tháng.

3. Tối ưu thiết kế phần cứng bộ nghịch lưu để giảm chi phí sản xuất: Nghiên cứu sử dụng linh kiện công suất mới, thiết kế mạch đơn giản hơn nhằm giảm giá thành hệ thống trong 1 năm, phù hợp với điều kiện kinh tế Việt Nam.

4. Đẩy mạnh chính sách hỗ trợ và tuyên truyền về năng lượng mặt trời: Khuyến khích các tổ chức, cá nhân đầu tư vào năng lượng tái tạo thông qua các chính sách ưu đãi, đồng thời nâng cao nhận thức cộng đồng về lợi ích của năng lượng mặt trời trong 2 năm tới.

Các giải pháp trên cần sự phối hợp giữa các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện, cơ quan quản lý nhà nước và cộng đồng người sử dụng để đạt hiệu quả tối ưu.

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 mô hình toán học chi tiết, giải thuật MPPT và phương pháp điều khiển VOC, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển các hệ thống năng lượng mặt trời.

2. Doanh nghiệp sản xuất và thiết kế thiết bị điện năng lượng mặt trời: Tham khảo để cải tiến thiết kế bộ nghịch lưu, nâng cao hiệu suất và chất lượng sản phẩm, giảm chi phí sản xuất.

3. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời tại Việt Nam.

4. Nhà đầu tư và doanh nghiệp triển khai dự án năng lượng mặt trời: Hiểu rõ về công nghệ, hiệu quả và các giải pháp kỹ thuật để tối ưu hóa đầu tư và vận hành hệ thống hòa lưới điện mặt trời.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp MPPT nào phù hợp nhất cho điều kiện bức xạ thay đổi nhanh?
   Phương pháp kết hợp điện áp hằng số và điều khiển tựa điện áp lưới được đánh giá cao vì không cần đo điện áp hở mạch liên tục, giảm sai số khi bức xạ thay đổi nhanh, giúp duy trì điểm công suất cực đại chính xác hơn.

2. Voltage Oriented Control (VOC) có ưu điểm gì so với các phương pháp điều khiển khác?
   VOC cho phép điều khiển trực tiếp công suất tác dụng và phản kháng, giúp bộ nghịch lưu hòa lưới ổn định với hệ số công suất gần 1 và giảm méo dạng hài, nâng cao chất lượng điện năng.

3. Làm thế nào để tối ưu tham số PID trong điều khiển bộ nghịch lưu?
   Sử dụng thuật toán tối ưu bầy đàn Particle Swarm Optimization (PSO) giúp tự động điều chỉnh tham số PID, giảm thời gian đáp ứng và dao động, nâng cao độ ổn định hệ thống.

4. Chi phí đầu tư cho hệ thống năng lượng mặt trời có thể giảm như thế nào?
   Bằng cách tối ưu thiết kế phần cứng bộ nghịch lưu, sử dụng linh kiện giá rẻ nhưng hiệu suất cao, đồng thời áp dụng các giải thuật điều khiển hiệu quả giúp giảm tổn hao năng lượng, từ đó giảm chi phí tổng thể.

5. Làm sao để mô hình pin mặt trời mô phỏng chính xác đặc tuyến thực tế?
   Mô hình dựa trên các phương trình vật lý chi tiết, bao gồm dòng quang điện, dòng bão hòa, điện trở nối tiếp và dòng rò, kết hợp với dữ liệu thực tế của pin thương mại và điều kiện môi trường để mô phỏng đặc tuyến I-V, P-V chính xác.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình pin mặt trời và bộ nghịch lưu ba pha điều khiển theo phương pháp Voltage Oriented Control, phù hợp với điều kiện bức xạ và nhiệt độ thay đổi tại Việt Nam.
• Phương pháp MPPT kết hợp điện áp hằng số và điều khiển tựa điện áp lưới giúp nâng cao hiệu suất khai thác năng lượng mặt trời, giảm sai số điểm công suất cực đại.
• Bộ nghịch lưu thiết kế đạt hệ số công suất gần 1, giảm méo dạng hài dòng điện đầu ra dưới 5%, đảm bảo chất lượng điện năng hòa lưới.
• Việc tối ưu tham số PID bằng thuật toán PSO cải thiện đáng kể độ ổn định và đáp ứng của hệ thống.
• Đề xuất triển khai thực nghiệm, phát triển giải thuật MPPT thông minh và tối ưu thiết kế phần cứng để ứng dụng rộng rãi trong thực tế.

Tiếp theo, nghiên cứu sẽ tập trung vào thử nghiệm thực tế và phát triển các giải thuật điều khiển thông minh hơn nhằm nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống hòa lưới năng lượng mặt trời. Độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng và phát triển các kết quả này trong các dự án thực tế để góp phần thúc đẩy phát triển năng lượng tái tạo tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu Hình 1. Phân bố tổng số giờ nắng 3 tháng 1, 2, 3 năm 2011ở Việt Nam[1] Hình 1. Bức xạ mặt trời tại ba thành phố tiêu biểu năm 2010[3] Tuy nhiên, với tiềm năng lớn song năng lượng mặt trời lại đang gặp những rào cản lớn về kỹ thuật và các rào cản khác. Rào cản kỹ thuật là một trong những thách thức lớn cho việc sử dụng pin mặt trời hiện nay do bởi giá thành cao và hiệu suất chuyển đổi năng lượng còn thấp.

Giá của một mô đun pin mặt trời khoảng GVHD: TS. Trương Việt Anh Trang 2 HVTH: Tạ Quang Minh Luan van Luận văn tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu 3.5$/Wp và nếu tính cả chi phí lắp đặt hệ thống thì khoảng 7$/Wp dẫn đến giá thành điện năng phát ra còn rất cao khoảng 0.65 $/kWh gấp gần 5 lần điện năng phát ra dùng nguồn năng lượng hóa thạch [2]. Ngoài ra còn các rào cản khác như thiếu sự hỗ trợ về chính sách của chính phủ, nhận thức của mọi người về năng lượng, sự tham gia của các tổ chức cá nhân vào các dự án phát triển nguồn năng lượng tái tạo. Để khắc phục những rào cản đó, đặc biệt là liên quan đến giá thành và hiệu suất của pin mặt trời rất nhiều giải pháp đã được thực hiện.

Ví dụ như liên quan đến giá thành của pin mặt trời, các nhà nghiên cứu và sản xuất đã phát triển công nghệ sản xuất pin theo hướng hiện đại, liên quan đến việc cải thiện hiệu suất chuyển đổi năng lượng có hai phương pháp chủ yếu đó là cải thiện hiệu suất của pin dựa trên công nghệ sản xuất pin và cải thiện phương pháp sử dụng pin mặt trời. Phương pháp thứ nhất, các nhà nghiên cứu đã và đang tìm ra rất nhiều các phương pháp nhằm nâng cao hiệu suất của pin mặt trời như dùng vật liệu mới, thậm chí là phương pháp phát điện mới. Phương pháp thứ hai có thể được thực hiện bằng cách sự dụng bộ thu năng lượng tập trung để hút được bức xạ cực đại hoặc sử dụng bộ dò điểm công suất cực đại để đảm bảo pin mặt trời luôn vận hành ở điều kiện tối ưu và công suất pin sẽ đạt được cực đại. Trên thế giới và trong nước đã có nhiều nghiên cứu về hệ thống pin mặt trời.

Chủ yếu về các lĩnh vực như: Ổn định và nâng cao điện áp phát ra của hệ thống pin mặt trời [5,6] Các phương pháp điều khiển nhằm đưa hệ thống pin mặt trời làm việc tại điểm công suất cực đại [16-26]. Các phương pháp nghịch lưu nhằm cải thiện chất lượng điện trong hệ thống năng lượng mặt trời [5-15]. Các phương pháp điều khiển công suất tác dụng, công suất phản kháng và dòng điện bơm vào lưới của hệ thống pin mặt trời nối lưới [14,31]. Trương Việt Anh Trang 3 HVTH: Tạ Quang Minh Luan van Luận văn tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu 1.

Mục đích của đề tài Đề tài tập trung nghiên cứu các phương pháp tìm điểm làm việc cực đại của pin mặt trời. Trên các đặc tuyến của pin mặt trời, tồn tại một điểm vận hành tối ưu nơi mà công suất nhận được từ pin mặt trời là cực đại. Tuy nhiên, điểm vận hành tối ưu này không cố định mà nó thay đổi theo các điều kiện môi trường đặc biệt là bức xạ mặt trời và nhiệt độ pin. Vì vậy tìm điểm làm việc cực đại (MPP) của pin mặt trời là một phần không thể thiếu của hệ thống pin mặt trời để đảm bảo rằng các mô đun pin mặt trời luôn vận hành trong điều kiện tối ưu.

Có rất nhiều phương pháp MPPT đã được nghiên cứu và công bố. Các phương pháp khác nhau ở nhiều khía cạnh như mức độ phức tạp, thông số đo lường, số lượng cảm biến yêu cầu, tốc độ chuyển đổi và giá thành. Đề tài sẽ nghiên cứu các phương pháp MPPT. Mục đích của nghiên cứu của đề tài là đề xuất phương pháp MPPT tối ưu với khả năng đáp ứng dưới các điều kiện môi trường như nhiệt độ, bức xạ thay đổi và chi phí thấp.

Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài - Xây dựng mô hình pin mặt trời, phân tích các đặc tuyến I-V, P-V của pin mặt trời, sự phụ thuộc các đặc tính của pin mặt trời dưới các điều kiện môi trường. - Phân tích tính cần thiết của điểm làm việc cực đại của pin mặt trời. - Nghiên cứu các giải thuật MPPT của pin mặt trời, đề xuất phương pháp MPPT mới. - Dùng phần mềm Matlab/Simulink nghiên cứu xây dựng mô hình pin mặt trời, xây dựng giải thuật dò tìm điểm làm việc cực đại.

Phương pháp nghiên cứu - Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu. - Nghiên cứu các mô hình toán học của pin mặt trời. Đề nghị mô hình tính toán cụ thể. - Xây dựng mô hình mô phỏng pin mặt trời và các giải thuật MPPT.

- Phân tích các kết quả nhận được và các kiến nghị. Trương Việt Anh Trang 4 HVTH: Tạ Quang Minh Luan van Luận văn tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu - Đánh giá tổng quát toàn bộ bản luận văn. Đề nghị hướng phát triển của đề tài. Điểm mới của luận văn  Không cần điện áp hở mạch như các phương pháp truyền thống, nghĩa là năng lượng cung cấp tiên tục.

 Tần số đóng cắt thích hợp, dễ dàng cho thiết kế bộ lọc.  Mạch công suất đơn giản, rẻ tiền.  Kết hợp với phương pháp hằng số và phương pháp tựa điện áp lưới để lấy công suất pin mặt trời.  Không sử dụng mạch boots, chỉ gồm 1 tầng DC/AC 1.

Giá trị thực tiễn của đề tài Đây là một trong ba giai đoạn để giải quyết vấn đề kỹ thuật trong việc ứng dụng pin năng lượng mặt trời vào cuộc sống. Đồng thời cũng giảm giá thành của nguồn năng lượng tái sinh này. Với kết quả nhận được, có thể:  Giúp các nhà hoạch định về nguồn năng lượng tái sinh cụ thể là năng lượng mặt trời có thêm phương pháp ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống và nhanh chóng thị trường hóa nguồn năng lượng này.  Sử dụng làm tài liệu giảng dạy  Bổ sung phương pháp mới cho việc nghiên cứu sau này 1.7 Bố cục luận văn: Chương 1: Giới thiệu Chương 2: Phương pháp tiếp cận Chương 3: Phương án đề xuất Chương 4: Kết quả mô phỏng Chương 5: Kết luận và kiến nghị GVHD: TS.

Trương Việt Anh Trang 5 HVTH: Tạ Quang Minh Luan van Luận văn tốt nghiệp Chương 2: Phương pháp tiếp cận Chƣơng 2 PHƢƠNG PHÁP TIẾP CẬN 2. Mô hình pin mặt trời Một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời thành điện nhờ hiệu ứng quang điện được gọi là pin mặt trời. Mạch điện tương đương của pin mặt trời được cho như hình 2. Mạch điện tương đương của pin mặt trời Mạch điện gồm có dòng quang điện IPH, điốt, điện trở dòng rò RSH và điện trở nối tiếp RS, đặc tuyến I-V của pin được mô tả bằng biểu thức 2.1) 𝑘𝑇 𝐶 𝐴 𝑅𝑆𝐻 Trong đó: IPH: dòng quang điện (A) IS: dòng bão hòa (A) q: điện tích của electron, q = 1,6x10-19 C k: hằng số Boltzmann’s, k =1,38x10-23 J/K TC: nhiệt độ vận hành của pin (K) GVHD: TS.

Trương Việt Anh Trang 6 HVTH: Tạ Quang Minh Luan van Luận văn tốt nghiệp Chương 2: Phương pháp tiếp cận A: hệ số lý tưởng phụ thuộc vào công nghệ chế tạo pin, ví dụ công nghệ Si- mono A=1.3… Dòng quang điện IPH phụ thuộc trực tiếp vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ của pin: 𝐼𝑃𝐻 = 𝐼𝑆𝐶 + 𝐾𝐼 𝑇𝐶 − 𝑇𝑅𝑒𝑓 𝜆 (2.2) Trong đó: ISC: dòng ngắn mạch tại nhiệt độ tiêu chuẩn 25OC (A) và bức xạ 1kW/m2 KI: hệ số dòng điện phụ thuộc vào nhiệt độ (A/OC) TC: Nhiệt độ vận hành của pin mặt trời (K) TREF : Nhiệt độ tiêu chuẩn của pin mặt trời (K) λ: Bức xạ mặt trời (kW/m2) Mặt khác, dòng bão hòa IS là dòng các hạt tải điện không cơ bản được tạo ra do kích thích nhiệt. Khi nhiệt độ của pin mặt trời tăng dòng bão hòa cũng tăng theo hàm mũ [5-26]: TC 3 qE G 1 1 IS = IRS exp − (2.3) T Ref kA T Ref TC Trong đó: IRS: Dòng điện ngược bão hòa tại nhiệt độ tiêu chuẩn (A) EG: Năng lượng lỗ trống của chất bán dẫn Đối với pin mặt trời lý tưởng, điện trở dòng rò RSH = ∞, RS = 0. Khi đó mạch điện tương đương của pin mặt trời được cho bởi hình 2. Mô hình pin mặt trời lý tưởng GVHD: TS.

Trương Việt Anh Trang 7 HVTH: Tạ Quang Minh Luan van Luận văn tốt nghiệp Chương 2: Phương pháp tiếp cận Khi đó, biểu thức (2.1) có thể được mô tả như biểu thức 2.4) 𝑘𝑇 𝐶 𝐴 Và dòng bão hòa ngược tiêu chuẩn có thể được biểu diễn như biểu thức 2.5) 𝑒𝑥𝑝 −1 𝑘𝐴𝑇 𝑅𝑒𝑓 Thông thường, công suất của pin mặt trời khoảng 2 W và điện áp khoảng 0. Vì vậy, các pin mặt trời được ghép nối với nhau theo dạng nối tiếp - song song để sinh ra lượng công suất và điện áp đủ lớn. Mạch điện tương đương của mô đun pin mặt trời gồm có NP nhánh song song và NS pin nối tiếp được mô tả như hình 2. Mô đun pin mặt trời Mạch điện hình 2.3 được miêu tả bởi biểu thức: 𝑞𝑉 𝐼 = 𝑁𝑃 𝐼𝑃𝐻 − 𝑁𝑃 𝐼𝑆 𝑒𝑥𝑝 −1 (2.6) 𝑁𝑆 𝑘𝑇 𝐶 𝐴 Pin mặt trời chuyển một phần bức xạ mặt trời trực tiếp thành năng lượng điện, nhưng một phần đó chuyển thành nhiệt cộng với pin mặt trời có màu dễ hấp thụ nhiệt nên nhiệt độ vận hành của pin có thể cao hơn nhiệt độ môi trường.

Nhiệt độ của pin dưới các điều kiện khác nhau có thể được đánh giá qua nhiệt độ vận hành bình thường (NOCT). Nhiệt độ vận hành bình thường được định nghĩa là nhiệt độ GVHD: TS. Trương Việt Anh Trang 8 HVTH: Tạ Quang Minh Luan van Luận văn tốt nghiệp Chương 2: Phương pháp tiếp cận của pin dưới điều kiện môi trường 20oC, bức xạ mặt trời 0.8 kW/m2, tốc độ gió < 1 m/s. Công thức sau được sử dụng để tính toán sự khác nhau giữa nhiệt độ môi trường (TAmb) và nhiệt độ vận hành của pin mặt trời (TC): 𝑇𝑁𝑂𝐶𝑇 −20 𝑇𝐶 = 𝑇𝐴𝑚𝑏 + 𝜆 (2.8 Đặc tuyến I-V tương ứng với từng bức xạ nhất định được mô tả như hình 2.

Đặc tuyến I-V với các bức xạ khác nhau GVHD: TS. Trương Việt Anh Trang 9 HVTH: Tạ Quang Minh Luan van Luận văn tốt nghiệp Chương 2: Phương pháp tiếp cận Hình 2. Đặc tuyến P-V với các bức xạ khác nhau 2.