Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu năng lượng toàn cầu ngày càng tăng trong bối cảnh nguồn nhiên liệu hóa thạch dần cạn kiệt và gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Theo ước tính, năng lượng mặt trời chiếm khoảng 0.5% nhu cầu điện toàn cầu hiện nay và dự kiến tăng lên 2.5% vào năm 2025, thậm chí đạt 16% vào năm 2040. Việt Nam, với vị trí địa lý thuận lợi và cường độ bức xạ mặt trời trung bình từ 130 đến 150 kWh/m²/năm cùng số giờ nắng trung bình khoảng 2800 giờ/năm, đặc biệt là tại tỉnh Ninh Thuận, có tiềm năng lớn để phát triển năng lượng mặt trời. Tuy nhiên, hiệu suất của các tấm pin mặt trời (PV) còn thấp và phụ thuộc mạnh vào điều kiện môi trường như độ bức xạ và nhiệt độ. Do đó, việc xây dựng thuật toán điều khiển bám điểm công suất cực đại (MPPT) nhằm tối ưu hóa công suất đầu ra của hệ thống điện mặt trời là rất cần thiết.

Mục tiêu nghiên cứu là phát triển và kiểm nghiệm thuật toán điều khiển bám điểm công suất cực đại trong hệ thống điện mặt trời, giúp điều chỉnh điện áp làm việc của tấm pin PV để đạt công suất tối đa trong mọi điều kiện môi trường thay đổi. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mô hình hệ thống PV, xây dựng thuật toán MPPT dựa trên phương pháp nhiễu và quan sát (P&O), mô phỏng và đánh giá hiệu quả trên phần mềm MATLAB/SIMULINK. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng mặt trời, góp phần phát triển nguồn năng lượng sạch, bền vững và giảm thiểu tác động môi trường.

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 tạo pin mặt trời (PV): Pin mặt trời là thiết bị bán dẫn chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành điện năng dựa trên hiệu ứng quang điện, với cấu tạo gồm lớp tiếp xúc p-n và các diode bán dẫn. Điện áp và dòng điện đầu ra của pin phụ thuộc vào cường độ bức xạ và nhiệt độ môi trường.

  • Mô hình toán học hệ thống PV: Mô hình tương đương của pin mặt trời bao gồm nguồn dòng điện quang điện, diode, điện trở nối tiếp và song song. Phương trình đặc tính I-V và P-V được xây dựng dựa trên định luật Kirchhoff và các tham số kỹ thuật của pin.

  • Phương pháp bám điểm công suất cực đại (MPPT): Thuật toán P&O được sử dụng để điều khiển điện áp làm việc của pin nhằm tìm điểm công suất cực đại. Phương pháp này dựa trên việc tăng hoặc giảm điện áp theo chu kỳ và quan sát sự thay đổi công suất để điều chỉnh phù hợp.

  • Mô hình chuyển đổi DC/DC: Các bộ chuyển đổi như Buck, Boost, Buck-Boost và Cuk được áp dụng để điều chỉnh điện áp đầu ra của pin mặt trời phù hợp với yêu cầu tải và hệ thống.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu bao gồm các thông số kỹ thuật của tấm pin mặt trời 40W, dữ liệu bức xạ mặt trời và nhiệt độ tại các địa phương như TP.HCM, Nha Trang, Đà Nẵng và Hà Nội. Cỡ mẫu mô phỏng là hệ thống pin gồm 36 tấm nối tiếp và song song, với các thông số như điện áp hở mạch 21.24V, dòng điện ngắn mạch 1.55A.

Phương pháp phân tích chính là mô phỏng trên phần mềm MATLAB/SIMULINK, xây dựng mô hình toán học chi tiết của hệ thống PV và thuật toán MPPT P&O. Quá trình nghiên cứu được thực hiện theo timeline gồm: khảo sát tài liệu và dữ liệu thực tế, xây dựng mô hình toán học (3 tháng), phát triển thuật toán điều khiển (2 tháng), mô phỏng và kiểm nghiệm (3 tháng), tổng hợp kết quả và hoàn thiện luận văn (2 tháng).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả thuật toán MPPT P&O: Thuật toán P&O đã được mô phỏng thành công trên MATLAB/SIMULINK, cho phép tìm điểm công suất cực đại trong điều kiện bức xạ thay đổi từ 1000 W/m² đến 200 W/m² và nhiệt độ từ 25°C đến 60°C. Kết quả mô phỏng cho thấy công suất đầu ra đạt gần 98% công suất cực đại lý thuyết, tăng khoảng 15% so với hệ thống không sử dụng MPPT.

  2. Ảnh hưởng của bức xạ và nhiệt độ: Công suất cực đại của tấm pin giảm khoảng 20% khi bức xạ giảm từ 1000 W/m² xuống 200 W/m². Nhiệt độ tăng từ 25°C lên 60°C làm giảm điện áp hở mạch khoảng 10%, ảnh hưởng trực tiếp đến công suất đầu ra.

  3. Độ ổn định của thuật toán: Thuật toán P&O duy trì ổn định trong các điều kiện biến đổi nhanh của môi trường, tuy nhiên xuất hiện hiện tượng dao động nhỏ quanh điểm cực đại khi bức xạ thay đổi đột ngột, với biên độ dao động công suất dưới 3%.

  4. So sánh với các phương pháp khác: Thuật toán P&O có ưu điểm đơn giản, dễ triển khai và hiệu quả cao trong điều kiện thực tế, phù hợp với các hệ thống PV quy mô nhỏ và vừa.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân hiệu quả cao của thuật toán P&O là do khả năng tự động điều chỉnh điện áp làm việc dựa trên quan sát sự thay đổi công suất, giúp hệ thống thích ứng nhanh với biến đổi môi trường. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trong ngành cho thấy MPPT là giải pháp tối ưu để nâng cao hiệu suất hệ thống PV.

Biểu đồ công suất theo điện áp (P-V) và dòng điện theo điện áp (I-V) được sử dụng để minh họa điểm công suất cực đại và sự thay đổi của nó theo điều kiện bức xạ và nhiệt độ. Bảng so sánh hiệu suất giữa hệ thống có và không có MPPT cũng được trình bày để làm rõ đóng góp của thuật toán.

Tuy nhiên, hiện tượng dao động nhỏ trong thuật toán P&O khi bức xạ thay đổi nhanh có thể ảnh hưởng đến tuổi thọ thiết bị và hiệu suất tổng thể. Do đó, cần nghiên cứu thêm các thuật toán cải tiến hoặc kết hợp để giảm thiểu hiện tượng này.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai thuật toán MPPT P&O trong hệ thống PV thực tế: Áp dụng thuật toán trên các hệ thống điện mặt trời quy mô nhỏ và vừa nhằm tối ưu hóa công suất đầu ra, dự kiến hoàn thành trong vòng 12 tháng, do các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp năng lượng thực hiện.

  2. Nâng cấp phần mềm điều khiển: Phát triển phần mềm điều khiển tích hợp thuật toán MPPT với giao diện thân thiện, hỗ trợ giám sát và điều chỉnh từ xa, nhằm tăng tính tiện dụng và hiệu quả vận hành, hoàn thành trong 6 tháng.

  3. Nghiên cứu cải tiến thuật toán: Kết hợp thuật toán P&O với các phương pháp khác như Incremental Conductance để giảm dao động và tăng độ chính xác, tiến hành trong 18 tháng bởi các nhóm nghiên cứu chuyên sâu.

  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật cho kỹ sư và kỹ thuật viên về thiết kế, vận hành hệ thống MPPT, giúp nâng cao năng lực và thúc đẩy ứng dụng rộng rãi, thực hiện liên tục hàng năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về mô hình hệ thống PV và thuật toán MPPT, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển công nghệ năng lượng tái tạo.

  2. Doanh nghiệp sản xuất và lắp đặt hệ thống điện mặt trời: Tham khảo để áp dụng thuật toán điều khiển tối ưu, nâng cao hiệu suất sản phẩm và dịch vụ, giảm chi phí vận hành.

  3. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chính sách phát triển năng lượng sạch, thúc đẩy ứng dụng công nghệ MPPT trong các dự án năng lượng mặt trời.

  4. Các tổ chức đào tạo và phát triển nguồn nhân lực: Sử dụng làm tài liệu giảng dạy và đào tạo kỹ thuật viên, kỹ sư trong lĩnh vực năng lượng tái tạo và điều khiển tự động.

Câu hỏi thường gặp

  1. Thuật toán MPPT là gì và tại sao cần thiết?
    MPPT (Maximum Power Point Tracking) là thuật toán giúp hệ thống pin mặt trời luôn hoạt động tại điểm công suất cực đại, tối ưu hóa lượng điện năng thu được. Điều này rất quan trọng vì công suất đầu ra của pin thay đổi theo điều kiện môi trường như bức xạ và nhiệt độ.

  2. Phương pháp P&O hoạt động như thế nào?
    Phương pháp P&O điều chỉnh điện áp làm việc của pin bằng cách tăng hoặc giảm điện áp theo chu kỳ và quan sát sự thay đổi công suất. Nếu công suất tăng, tiếp tục điều chỉnh theo hướng đó; nếu giảm, đổi hướng điều chỉnh để tìm điểm cực đại.

  3. Ảnh hưởng của nhiệt độ và bức xạ đến hiệu suất pin mặt trời ra sao?
    Nhiệt độ tăng làm giảm điện áp hở mạch và công suất đầu ra của pin, trong khi bức xạ giảm trực tiếp làm giảm dòng điện và công suất. Do đó, hiệu suất pin phụ thuộc chặt chẽ vào hai yếu tố này.

  4. Tại sao cần mô phỏng trên MATLAB/SIMULINK?
    MATLAB/SIMULINK cho phép xây dựng mô hình toán học chi tiết và kiểm nghiệm thuật toán trong môi trường giả lập, giúp đánh giá hiệu quả và điều chỉnh trước khi triển khai thực tế, tiết kiệm chi phí và thời gian.

  5. Thuật toán P&O có hạn chế gì?
    Thuật toán P&O có thể gây dao động nhỏ quanh điểm công suất cực đại khi điều kiện bức xạ thay đổi nhanh, ảnh hưởng đến độ ổn định và tuổi thọ thiết bị. Do đó, cần nghiên cứu các thuật toán cải tiến để khắc phục hạn chế này.

Kết luận

  • Thuật toán điều khiển bám điểm công suất cực đại P&O được xây dựng và mô phỏng thành công, đạt hiệu suất gần 98% công suất lý thuyết trong điều kiện biến đổi môi trường.
  • Công suất đầu ra của hệ thống PV chịu ảnh hưởng lớn bởi độ bức xạ và nhiệt độ, giảm khoảng 20% khi bức xạ giảm từ 1000 W/m² xuống 200 W/m².
  • Thuật toán P&O đơn giản, dễ triển khai, phù hợp với các hệ thống PV quy mô nhỏ và vừa, tuy nhiên cần cải tiến để giảm dao động khi bức xạ thay đổi nhanh.
  • Nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng mặt trời, thúc đẩy phát triển nguồn năng lượng sạch tại Việt Nam.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai thực tế, nâng cấp phần mềm điều khiển, nghiên cứu thuật toán cải tiến và đào tạo nguồn nhân lực chuyên môn cao.

Quý độc giả và các đơn vị quan tâm được khuyến khích áp dụng và phát triển tiếp nghiên cứu nhằm góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành năng lượng tái tạo.