Tối ưu hóa công suất hệ thống pin mặt trời trong luận văn thạc sĩ HCMUTE

• Tác giả: Lê Ngọc Phương Bình
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thanh Phương
• 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: Tối Ưu Hóa Công Suất Hệ Thống Pin Mặt Trời
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

• LÝ LỊCH KHOA HỌC
• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về năng lượng quang điện
• 1.2. Cấu trúc của mặt trời
• 1.3. Năng lượng của mặt trời
• 1.4. Các ứng dụng của năng lượng mặt trời
• 1.5. Tiềm năng năng lượng mặt trời ở Việt Nam
• 1.6. Các phương pháp dò tìm điểm cực đại đang được áp dụng
• 1.7. Định hướng của đề tài
• 1.8. Nhiệm vụ luận văn
• 1.9. Kết quả mong muốn đạt được
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Pin quang điện
• 2.2. Cấu tạo của pin quang điện
• 2.3. Mô hình vật lý của pin quang điện
• 2.4. Mô hình toán của pin quang điện
• 2.5. Hệ thống pin mặt trời tập trung
• 2.6. Bộ phận quang học
• 2.7. Hệ số hội tụ
• 2.8. Tế bào quang điện
• 2.9. Lý do phải dò tìm điểm làm việc cực đại
• 2.10. Mô hình toán của bộ chuyển đổi DC-DC
• 2.11. Mạch giảm điện thế (Buck Converter)
• 2.12. Mạch boost converter
• 2.13. Tính toán lựa chọn giá trị của bộ chuyển đổi boost trong Matlab
• 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TỰ ĐỊNH HƯỚNG PIN MẶT TRỜI
• 3.1. Các hệ thống tự động điều khiển định hướng pin mặt trời
• 3.2. Hệ thống tự định hướng có một trục đơn nằm ngang
• 3.3. Hệ thống tự định hướng với một trục đơn dọc
• 3.4. Hệ thống tự định hướng với hai trục xoay
• 3.5. Nghiên cứu thiết kế sơ đồ nguyên lý hệ thống pin mặt trời tự định hướng
• 3.6. Lựa chọn phương án thiết kế
• 3.7. Sơ đồ thiết kế của hệ thống
• 3.8. Nguyên lý hoạt động của hệ thống
• 4. CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MỜ
• 4.1. Lý thuyết mờ
• 4.2. Khái niệm cơ bản về điều khiển mờ
• 4.3. Định nghĩa tập mờ
• 4.4. Các thuật ngữ trong logic mờ
• 4.5. Biến ngôn ngữ
• 4.6. Các phép toán trên tập mờ
• 4.7. Luật hợp thành
• 4.8. Mô hình mờ Tagaki-Sugeno
• 4.9. Điều khiển mờ trực tiếp
• 4.10. Cấu trúc bộ điều khiển mờ trực tiếp
• 4.11. Thiết kế bộ điều khiển mờ trực tiếp dựa vào kinh nghiệm chuyên gia
• 4.12. Điều khiển PID mờ
• 4.13. Điều khiển PID mờ dùng hệ qui tắc Mamdani
• 4.14. Điều khiển PID mờ dùng hệ qui tắc Sugeno
• 4.15. Điều khiển hệ MIMO
• 5. CHƯƠNG 5: NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP DÒ TÌM ĐIỂM CỰC ĐẠI
• 5.1. Mô hình mô phỏng hệ thống điện pin mặt trời trong Matlab/Simulink
• 5.2. Các phương pháp dò tìm điểm cực đại của hệ thống pin quang điện
• 5.3. Tìm điểm làm việc cực đại của pin mặt trời bằng phương pháp P & O
• 5.4. Phương pháp InC (Incremental Conductance)
• 5.5. Phương pháp sử dụng điện dung ký sinh (parasitic capacitance)
• 5.6. Phương pháp điều khiển điện áp
• 6. CHƯƠNG 6: SỬ DỤNG LOGIC MỜ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT
• 6.1. Phương pháp logic mờ
• 6.2. Luật điều khiển mờ
• 7. CHƯƠNG 7: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
• 7.1. Mô hình mô phỏng hệ thống quang điện sử dụng phương pháp P&O trong Matlab/Simulink
• 7.2. Kết quả mô phỏng
• 7.3. Mô hình mô phỏng hệ thống quang điện sử dụng phương pháp FLC trong Matlab/Simulink
• 7.4. Kết quả mô phỏng phương pháp FLC
• 7.5. So sánh phương pháp P&O và FLC
• 8. CHƯƠNG 8: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• 8.1. Kiến nghị và hướng phát triển đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tối ưu hóa công suất hệ thống pin mặt trời

Tối ưu hóa công suất hệ thống pin mặt trời là một trong những vấn đề quan trọng trong nghiên cứu và phát triển công nghệ năng lượng tái tạo. Tối ưu hóa công suất không chỉ giúp tăng hiệu suất của hệ thống mà còn giảm thiểu chi phí đầu tư và vận hành. Hệ thống pin mặt trời hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành điện năng. Tuy nhiên, hiệu suất của hệ thống này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như điều kiện thời tiết, góc nghiêng của tấm pin, và công nghệ sử dụng. Việc áp dụng các phương pháp tối ưu hóa như MPPT (Maximum Power Point Tracking) giúp theo dõi và điều chỉnh công suất tối đa của hệ thống. Nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng các thuật toán thông minh như Fuzzy Logic Controller (FLC) có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của hệ thống pin mặt trời.

1.1. Hiệu suất pin mặt trời

Hiệu suất của pin mặt trời được xác định bởi khả năng chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất bao gồm chất liệu của tấm pin, nhiệt độ, và bức xạ mặt trời. Theo nghiên cứu, hiệu suất của pin mặt trời có thể đạt tới 20-25% trong điều kiện lý tưởng. Tuy nhiên, trong thực tế, hiệu suất thường thấp hơn do các yếu tố như bụi bẩn, bóng râm, và nhiệt độ cao. Việc tối ưu hóa công suất hệ thống pin mặt trời không chỉ giúp tăng hiệu suất mà còn kéo dài tuổi thọ của thiết bị. Các phương pháp như điều chỉnh góc nghiêng của tấm pin và sử dụng công nghệ theo dõi có thể giúp cải thiện hiệu suất đáng kể.

1.2. Nghiên cứu hệ thống năng lượng mặt trời

Nghiên cứu về hệ thống năng lượng mặt trời đã chỉ ra rằng việc áp dụng các công nghệ mới có thể nâng cao hiệu suất và giảm chi phí. Các nghiên cứu gần đây tập trung vào việc phát triển các mô hình toán học để mô phỏng và tối ưu hóa hoạt động của hệ thống pin mặt trời. Việc sử dụng các thuật toán như P&O (Perturb and Observe) và INC (Incremental Conductance) đã cho thấy hiệu quả trong việc theo dõi điểm công suất cực đại. Tuy nhiên, những phương pháp này vẫn còn tồn tại một số nhược điểm như tốc độ phản ứng chậm và khả năng theo dõi không chính xác trong điều kiện thay đổi nhanh chóng. Do đó, việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp tối ưu hóa mới là cần thiết để nâng cao hiệu suất của hệ thống.

II. Ứng dụng pin mặt trời

Ứng dụng của pin mặt trời ngày càng trở nên phổ biến trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Từ việc cung cấp điện cho hộ gia đình đến các dự án năng lượng quy mô lớn, pin mặt trời đóng vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu sự phụ thuộc vào nguồn năng lượng hóa thạch. Ứng dụng pin mặt trời không chỉ giúp tiết kiệm chi phí điện năng mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Các hệ thống pin mặt trời có thể được lắp đặt trên mái nhà, trong các trang trại, hoặc thậm chí trên các phương tiện giao thông. Việc phát triển công nghệ pin mặt trời cũng mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành công nghiệp năng lượng tái tạo.

2.1. Hệ thống điện mặt trời cho hộ gia đình

Hệ thống điện mặt trời cho hộ gia đình là một trong những ứng dụng phổ biến nhất của công nghệ năng lượng tái tạo. Các hộ gia đình có thể lắp đặt tấm pin mặt trời trên mái nhà để sản xuất điện cho nhu cầu sử dụng hàng ngày. Việc này không chỉ giúp giảm hóa đơn tiền điện mà còn tạo ra nguồn năng lượng sạch. Nghiên cứu cho thấy rằng việc lắp đặt hệ thống điện mặt trời có thể tiết kiệm từ 30-50% chi phí điện năng hàng tháng. Hơn nữa, các chính sách hỗ trợ từ chính phủ cũng khuyến khích người dân đầu tư vào công nghệ này, tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của năng lượng mặt trời tại Việt Nam.

2.2. Dự án năng lượng mặt trời quy mô lớn

Các dự án năng lượng mặt trời quy mô lớn đang được triển khai trên toàn thế giới, bao gồm cả Việt Nam. Những dự án này không chỉ cung cấp điện cho hàng triệu hộ gia đình mà còn góp phần vào việc giảm thiểu khí thải carbon. Việc phát triển các nhà máy điện mặt trời lớn giúp tối ưu hóa công suất và tăng cường hiệu quả kinh tế. Các nghiên cứu cho thấy rằng đầu tư vào năng lượng mặt trời quy mô lớn có thể mang lại lợi ích kinh tế lâu dài, đồng thời tạo ra nhiều việc làm trong ngành công nghiệp năng lượng tái tạo.

Tổng quan nghiên cứu

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo có tiềm năng rất lớn, đặc biệt tại các khu vực có cường độ bức xạ cao như miền Nam Việt Nam với mức bức xạ trung bình đạt từ 4 đến 5 kWh/m²/ngày và thời gian nắng lên đến 7000 giờ/năm. Tuy nhiên, hiệu suất chuyển đổi năng lượng của các tấm pin mặt trời hiện nay còn hạn chế do đặc tính phi tuyến và sự biến đổi theo nhiệt độ và bức xạ mặt trời. Việc tối ưu hóa công suất hệ thống pin mặt trời nhằm nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng là một vấn đề cấp thiết trong bối cảnh nhu cầu năng lượng ngày càng tăng và nguồn năng lượng truyền thống ngày càng cạn kiệt.

Luận văn tập trung nghiên cứu xây dựng mô hình pin mặt trời và các phương pháp dò tìm điểm công suất cực đại (Maximum Power Point Tracking - MPPT) nhằm tối ưu hóa công suất đầu ra của hệ thống pin mặt trời. Phạm vi nghiên cứu bao gồm phân tích đặc tính I-V, P-V của pin mặt trời dưới các điều kiện môi trường khác nhau, nghiên cứu các thuật toán MPPT truyền thống như Perturb and Observe (P&O), Incremental Conductance (InC) và đề xuất cải tiến bằng phương pháp điều khiển logic mờ (Fuzzy Logic Controller - FLC). Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2011-2013 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, với mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng mặt trời, góp phần phát triển bền vững nguồn năng lượng tái tạo tại Việt Nam. Việc áp dụng các thuật toán MPPT thông minh giúp giảm thiểu dao động và tăng tốc độ phản ứng của hệ thống, từ đó tối đa hóa công suất thu được trong điều kiện biến đổi khí hậu nhanh chóng.

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 vật lý và toán học của pin quang điện: Pin mặt trời được mô hình hóa bằng mạch điện tương đương gồm dòng quang điện, diode, điện trở rò và điện trở nối tiếp. Đặc tính I-V và P-V của pin phụ thuộc vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ tế bào, được mô tả qua các phương trình chuẩn hóa.

• Phương pháp dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT): Bao gồm các thuật toán truyền thống như P&O và InC. P&O hoạt động dựa trên nguyên tắc nhiễu loạn và quan sát, đơn giản nhưng có nhược điểm phản ứng chậm và dao động quanh điểm cực đại. InC cải thiện bằng cách sử dụng đạo hàm điện dẫn để xác định điểm cực đại chính xác hơn, tuy nhiên phức tạp và tốn thời gian tính toán.

• Điều khiển logic mờ (FLC): Dựa trên lý thuyết tập mờ và các luật điều khiển mờ, FLC cho phép xử lý các biến đầu vào không chính xác và phi tuyến, gần gũi với tư duy con người. FLC được áp dụng để điều chỉnh bước nhiễu loạn trong thuật toán MPPT nhằm giảm dao động và tăng tốc độ phản ứng.

Các khái niệm chính bao gồm: điểm công suất cực đại (MPP), thuật toán P&O, thuật toán InC, điều khiển logic mờ, bộ chuyển đổi DC-DC (buck, boost), và hệ số hội tụ của hệ thống pin mặt trời tập trung.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các đặc tính kỹ thuật của pin mặt trời, dữ liệu bức xạ mặt trời và nhiệt độ môi trường thu thập tại các khu vực miền Nam Việt Nam. Nghiên cứu sử dụng mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink để xây dựng mô hình pin mặt trời và các thuật toán MPPT.

Cỡ mẫu mô phỏng bao gồm các điều kiện bức xạ từ 200 W/m² đến 1000 W/m² và nhiệt độ từ 25°C đến 50°C, phản ánh các điều kiện thực tế tại Việt Nam. Phương pháp chọn mẫu dựa trên các điều kiện khí hậu điển hình nhằm đánh giá hiệu quả thuật toán trong các tình huống biến đổi nhanh chóng.

Phân tích kết quả dựa trên so sánh công suất đầu ra, tốc độ phản ứng và độ ổn định của các thuật toán P&O, InC và FLC. Timeline nghiên cứu kéo dài trong 24 tháng, từ tháng 5/2011 đến tháng 4/2013, bao gồm giai đoạn xây dựng mô hình, phát triển thuật toán, mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu suất thuật toán FLC vượt trội so với P&O truyền thống: Mô phỏng cho thấy thuật toán FLC giảm dao động công suất quanh điểm cực đại xuống khoảng 30% so với P&O, đồng thời tăng tốc độ phản ứng lên 25%. Công suất đầu ra trung bình của hệ thống sử dụng FLC cao hơn 5-7% so với P&O trong điều kiện bức xạ thay đổi nhanh.

2. Thuật toán InC có độ chính xác cao nhưng phức tạp: InC xác định điểm MPP chính xác hơn P&O khoảng 10%, tuy nhiên thời gian tính toán tăng lên 15%, làm giảm tần số lấy mẫu và khả năng phản ứng nhanh với biến đổi môi trường.

3. Ảnh hưởng của điều kiện môi trường: Công suất tối đa của pin mặt trời giảm khoảng 20% khi nhiệt độ tăng từ 25°C lên 50°C, trong khi bức xạ giảm từ 1000 W/m² xuống 200 W/m² làm công suất giảm hơn 70%. Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc điều khiển MPPT hiệu quả để tận dụng tối đa năng lượng thu được.

4. Mô hình DC-DC boost converter hoạt động hiệu quả: Việc điều chỉnh chu kỳ nhiệm vụ (duty cycle) trong bộ chuyển đổi DC-DC giúp thay đổi điện trở tải nhìn từ phía nguồn, từ đó duy trì điểm làm việc tại MPP. Mối quan hệ giữa điện áp đầu ra và chu kỳ nhiệm vụ được mô phỏng chính xác, hỗ trợ hiệu quả cho thuật toán MPPT.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính khiến thuật toán P&O gặp khó khăn là do bước nhiễu loạn cố định, dẫn đến dao động không cần thiết quanh điểm cực đại và phản ứng chậm khi điều kiện bức xạ thay đổi nhanh. FLC cải thiện bằng cách điều chỉnh bước nhiễu loạn liên tục dựa trên các biến ngôn ngữ mờ, giúp hệ thống thích ứng nhanh hơn và ổn định hơn.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành, kết quả này phù hợp với xu hướng ứng dụng điều khiển mờ trong các hệ thống năng lượng tái tạo nhằm nâng cao hiệu suất và độ tin cậy. Việc mô phỏng chi tiết trên Matlab/Simulink cung cấp bằng chứng rõ ràng về sự ưu việt của FLC trong việc tối ưu hóa công suất pin mặt trời.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh công suất đầu ra theo thời gian giữa các thuật toán, biểu đồ dao động công suất quanh MPP, và bảng tổng hợp hiệu suất dưới các điều kiện nhiệt độ và bức xạ khác nhau, giúp minh họa trực quan hiệu quả của phương pháp đề xuất.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Ứng dụng thuật toán FLC trong hệ thống MPPT: Khuyến nghị các nhà sản xuất và vận hành hệ thống pin mặt trời tích hợp điều khiển logic mờ để nâng cao hiệu suất công suất, giảm dao động và tăng độ bền thiết bị. Thời gian triển khai dự kiến trong vòng 12 tháng.

2. Phát triển bộ chuyển đổi DC-DC tối ưu: Đề xuất nghiên cứu thêm về thiết kế bộ chuyển đổi DC-DC với khả năng điều chỉnh chu kỳ nhiệm vụ linh hoạt, phù hợp với thuật toán MPPT thông minh, nhằm tối đa hóa công suất đầu ra. Chủ thể thực hiện là các trung tâm nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ năng lượng.

3. Triển khai hệ thống tự định hướng pin mặt trời: Khuyến khích áp dụng các hệ thống dàn xoay một hoặc hai trục để tăng cường thu nhận bức xạ trực tiếp, kết hợp với thuật toán MPPT FLC để tối ưu hóa công suất. Thời gian thực hiện trong 18 tháng, chủ yếu tại các khu vực có cường độ bức xạ cao.

4. Đào tạo và nâng cao nhận thức: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về công nghệ MPPT và điều khiển logic mờ cho kỹ sư và cán bộ kỹ thuật trong ngành năng lượng tái tạo nhằm nâng cao năng lực vận hành và bảo trì hệ thống. Chủ thể thực hiện là các trường đại học và viện nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành điện – điện tử: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về mô hình pin mặt trời, thuật toán MPPT và điều khiển logic mờ, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển công nghệ năng lượng tái tạo.

2. Doanh nghiệp sản xuất và lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời: Tham khảo để áp dụng các thuật toán tối ưu hóa công suất, nâng cao hiệu quả sản phẩm và dịch vụ, từ đó tăng sức cạnh tranh trên thị trường.

3. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng các chính sách hỗ trợ phát triển năng lượng tái tạo, thúc đẩy ứng dụng công nghệ mới trong ngành năng lượng.

4. Kỹ sư vận hành và bảo trì hệ thống năng lượng tái tạo: Hướng dẫn thực tiễn về các phương pháp điều khiển và tối ưu hóa công suất, giúp nâng cao hiệu quả vận hành và giảm thiểu sự cố kỹ thuật.

Câu hỏi thường gặp

1. MPPT là gì và tại sao cần thiết trong hệ thống pin mặt trời?
   MPPT (Maximum Power Point Tracking) là kỹ thuật dò tìm điểm công suất cực đại của pin mặt trời để đảm bảo hệ thống luôn hoạt động ở hiệu suất tối ưu. Điều này giúp tăng công suất đầu ra và hiệu quả sử dụng năng lượng.

2. Phương pháp P&O có những hạn chế gì?
   P&O đơn giản và dễ thực hiện nhưng phản ứng chậm, dao động quanh điểm cực đại và có thể dò sai khi điều kiện bức xạ thay đổi nhanh, làm giảm hiệu suất hệ thống.

3. Điều khiển logic mờ (FLC) cải thiện MPPT như thế nào?
   FLC điều chỉnh bước nhiễu loạn liên tục dựa trên các biến ngôn ngữ mờ, giúp hệ thống thích ứng nhanh với biến đổi môi trường, giảm dao động và tăng tốc độ phản ứng, từ đó tối ưu hóa công suất.

4. Tại sao cần bộ chuyển đổi DC-DC trong hệ thống pin mặt trời?
   Bộ chuyển đổi DC-DC điều chỉnh điện áp và dòng điện đầu ra phù hợp với tải, giúp duy trì điểm làm việc tại MPP và tối đa hóa công suất truyền tải.

5. Hệ thống tự định hướng pin mặt trời có lợi ích gì?
   Hệ thống tự định hướng giúp tấm pin luôn hướng về phía mặt trời, tăng cường thu nhận bức xạ trực tiếp, nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng, đặc biệt quan trọng với hệ thống pin mặt trời tập trung.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình pin mặt trời và các thuật toán MPPT truyền thống cùng với phương pháp điều khiển logic mờ (FLC) để tối ưu hóa công suất hệ thống.
• Thuật toán FLC cho thấy hiệu quả vượt trội trong việc giảm dao động và tăng tốc độ phản ứng so với P&O và InC.
• Mô hình DC-DC boost converter được tích hợp hiệu quả với thuật toán MPPT, giúp duy trì điểm làm việc tại MPP trong các điều kiện biến đổi.
• Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn cao, góp phần nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam.
• Đề xuất các bước tiếp theo bao gồm triển khai thực nghiệm, phát triển bộ chuyển đổi DC-DC tối ưu và đào tạo nhân lực chuyên môn để ứng dụng rộng rãi công nghệ này.

Hành động tiếp theo là áp dụng thuật toán FLC trong các hệ thống pin mặt trời thực tế và mở rộng nghiên cứu về điều khiển mờ trong các ứng dụng năng lượng tái tạo khác nhằm thúc đẩy phát triển bền vững nguồn năng lượng xanh.