Đặt vấn đề: [4],[5] Như chúng ta đã biết mốc lịch sử rất quan trọng trong lịch sử phát triển của loài người là việc phát minh ra lửa và dùng các loại nhiên liệu tự nhiên như củi rừng để duy trì ngọn lửa, nhờ đó đã phát triển thành một nền văn minh của nhân loại và thoát khỏi cuộc sống của động vật. Sau nhiều nghìn năm mãi đến thế kỷ thứ nhất trước công nguyên con người mới biết dùng sức nước để làm quay guồng nước, và đến đầu thế kỷ thứ XII mới biết sử dụng sức gió để làm quay cối xay gió. Khoảng nửa cuối thế kỹ thứ XVIII con người mới phát hiện được nguồn nhiên liệu hóa thạch như: than đá, dầu và khí đốt tự nhiên. Đến giữa thế kỷ XX nhà máy điện nguyên tử đầu tiên của thế giới ra đời, nhờ đó đã thỏa mãn được nhu cầu năng lượng của con người và đưa nền văn minh của nhân loại tiến một bước dài như ngày nay.
Tuy nhiên, các nguồn năng lượng hóa thạch là có hạn, con người khai thác đến một lúc nào đó sẽ hết, hơn nữa khi khai thác và sử dụng các nguồn nhiên liệu hóa thạch, thủy điện và điện nguyên tử… đã để lại cho loài người những hậu quả về tác động môi trường là vô cùng lớn lao. Một trong những hậu quả đó là khi sử dụng các nguồn nhiên liệu này đã thải ra môi trường các loại khí độc làm ô nhiễm bầu khí quyển bao quanh Trái Đất, mà hậu quả tai hại của hiện tượng này đã làm thay đổi khí hậu, tác động xấu đối với cuộc sống hiện nay và tương lai của loài người. Ngày nay, khi mà tiềm năng thủy điện đã được con người khai thác gần hết, còn các nguồn nhiên liệu như: than, dầu khí thì không có khả năng tái tạo và trong tương lai không xa sẽ cạn kiệt, khi mà năng lượng nguyên tử còn đặt ra quá nhiều tranh cãi bởi sự độc hại của nó thì việc nghiên cứu tìm ra các nguồn năng lượng mới và sạch đã trở thành nghiên cứu mũi nhọn của nhiều quốc gia, đặt biệt là các nước phát triển. Trong công cuộc đi tìm nguồn năng lượng mới này, con người đã đạt được những thành công nhất định: Đó là sự ra đời của các trung tâm phát điện dùng năng lượng gió, năng lượng mặt trời với công suất lên tới hàng ngàn mega oát.
Tuy nhiên những nguồn năng lượng trên tương đối phụ thuộc vào tự nhiên. 4 Hòa cùng xu hướng phát triển về khoa học kỹ thuật trên thế giới, thì trong những năm gần đây hoạt động nghiên cứu năng lượng tái tạo nói chung và năng lượng mặt trời nói riêng ở nước ta đã được triển khai khá mạnh mẽ và rộng khắp. Vì vậy, chúng ta cần phải nghiên cứu và ứng dụng nguồn năng lượng vô tận này một cách tốt nhất và có hiệu quả nhất. Việc nghiên cứu và sử dụng năng lượng mặt trời là một trong những hướng phát triển được nhiều sự chú ý vì những tính chất ưu việt của nó như: luôn có sẵn, siêu sạch và gần như vô tận.
Do vậy năng lượng mặt trời ngày càng được nhiều nước trên thế giới sử dụng. Con người đã biết khai thác và sử dụng nguồn năng lượng này từ rất lâu, tuy nhiên việc sử dụng nó một cách có hiệu quả và phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau vẫn là vấn đề mà chúng ta quan tâm. Những thách thức chính liên quan đến sử dụng năng lượng mặt trời, đặc biệt là quang điện: Chi phí lắp đặt cao và chuyển đổi năng lượng hiệu quả thấp. Điều khiển chọn điểm công suất lớn nhất là một phương pháp tiếp cận được sử dụng để tối ưu hóa công suất trong hệ thống pin mặt trời, do đó năng lượng phát ra từ mặt trời có thể được trích xuất tối đa.
Chính vì vậy, đề tài “Tối ưu hóa công suất trong hệ thống pin mặt trời” với mục đích sử dụng logic mờ điều khiển chọn điểm công suất lớn nhất hệ thống pin mặt trời cấp cho tải DC. Trong phạm vi luận văn tôi xin trình bày đến phương thức : Quang năng -> điện năng DC. Muốn thực hiện điều này ta phải thông qua pin quang điện photovotaic (PV) được làm từ các chất bán dẫn. Đặc tính của pin PV là phi tuyến theo hình 1-1 Hình 1- 1Đặc tính pin PV 5 Do đó ở mỗi điểm làm việc khác nhau ở đó công suất ta sẽ thu được khác nhau.
Trong dãy các điểm làm việc sẽ có một điểm mà ở đó công suất thu được cực đại tương ứng với một điện áp xác định, trong hình 1-1 là điểm VR ở đó P = PR = Pmax. Để xác định được điểm công suất cực đại này ta sử dụng một hệ phân tích gọi là thuật toán MPPT và thuật toán nghiên cứu của hệ MPPT trong nội dung luận văn này là thuật toán FLC (fuzzy logic controller). Sơ đồ khối của điều khiển chọn điểm công suất cực đại như hình 1-2 Hình 1- 2Sơ đồ khối của bộ điều khiển MPPT 1.Các thuật toán MPPT:[14] Có nhiều thuật toán MPPT đã được phát triển và thực hiện bởi các nhà nghiên cứu [1-3]. Nói chung, các kỹ thuật MPPT có thể được chia thành hai loại, cụ thể là các phương pháp trực tiếp và gián tiếp [2].
Phương pháp trực tiếp của các thuật toán MPPT là không cần ước lượng trước giá trị MPP của đặc tính mô-đun PV. Các thuật toán MPPT trực tiếp bao gồm: Quan sát và nhiễu loạn (P & O), gia tăng độ dẫn (INCond.), hồi tiếp điện áp hoặc dòng điện, phương pháp logic mờ và phương pháp nơron. Phương pháp gián tiếp đòi hỏi phải ước lượng trước giá trị MPP của máy phát điện PV, nó được dựa trên mối quan hệ toán học thu được từ dữ liệu thực nghiệm. Các phương pháp gián tiếp bao gồm: Điện áp PV vòng hở, Dòng PV ngắn mạch.
Các phương pháp sử dụng phổ biến P&O và INCond. Phương pháp P&O :[14] Phương pháp P & O được sử dụng rộng rãi trong MPPT vì cấu trúc đơn giản và nó đòi hỏi chỉ có một vài các thông số. Hình 1-3 biểu diễn lưu đồ giải thuật 6 phương pháp P&O. Giải thuật P&O dựa trên sự thay đổi ∆P theo ∆V để đưa ra tỷ số độ rộng xung D thích hợp.
Phương pháp INCond : [14] Phương pháp InCond dựa trên việc phân tích đạo hàm của công suất theo điện áp. Ở bên trái điểm cực đại, đạo hàm có giá trị dương. Ở bên phải điểm cực đại đạo hàm có giá trị âm. ∆P ∆V = 0 Taïi ñieåm MPP ∆P (1.1) >0 Beân traùi ñieåm MPP ∆V ∆P ∆V < 0 Beân phaûi ñieåm MPP Giải thuật IncCond dựa trên việc so sánh những biểu thức trên để xác định điểm cực đại.
Tỷ số độ thay đổi dòng điện và điện áp được so sánh với tỷ số dòng điện và điện áp tức thời để biết được PV đang vận hành ở bên trái hay bên phải so với điểm cưc đại. Khi điểm vận hành của PV đến được điểm cực đại, giá trị đặt sẽ 7 được giữ không đổi. Khi có sự thay đổi về điều kiện môi trường và tải, giải thuật sẽ so sánh tiếp để điều chỉnh giá trị đặt nhằm bắt công suất cực đại mới. Lưu đồ giải thuật cho phương pháp IncCond: Hình 1- 4Lưu đồ giải thuật cho phương pháp IncCond [14] Hai phương pháp trên sẽ được phân tích kỹ hơn ở chương 5 của luận văn.
Từ những phân tích cơ bản của hai phương pháp P&O và IncCond ta có nhận thấy: - Đối với phương pháp P&O Khi có sự biến động của ∆P và ∆V thì ∆D sẽ làm tăng tỷ số D hoặc giảm D để chu kỳ tiếp theo buộc các điểm hoạt động di chuyển về phía MPP. Quá trình này sẽ được tiến hành liên tục cho đến khi MPP là 8 đạt. Tuy nhiên, hệ thống sẽ dao động xung quanh MPP suốt quá trình này, và điều này sẽ dẫn đến mất năng lượng. Những dao động này có thể được giảm thiểu bằng cách giảm kích thước ∆P và ∆V nhưng nó làm chậm hệ thống theo dõi MPP.
- Đối với phương pháp IncCond có ưu điểm là đáp ứng MPP tốt theo sự thay đổi của môi trường, sự dao động thấp hơn phương pháp P&O. Tuy nhiên, nó đòi hỏi hai bộ cảm biến để xác định dòng và áp tức thời ngõ ra của hệ thống PV, dẫn đến chi phí cao và mạch điện phức tạp. Từ những nhận xét ưu và khuyết điểm của hai phương pháp trên luận văn nghiên cứu sử dụng logic mờ điều khiển chọn điểm công suất cục đại hệ thống pin mặt trời cấp cho tải DC. Ưu điểm của bộ điều khiển logic mờ thời gian đạt điểm MPP nhanh và đạt độ ổn định MPPT hơn so với bộ điều khiển P & O.
9 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN 2.Tình hình năng lượng mặt trời: 2.1 Tình hình chung: Ngày nay Năng lượng mặt trời đang ngày càng thu hút được nhiều sự quan tâm và đầu tư. Tuy nhiên, vấn đề giá cả nguồn điện mặt trời hiện nay vẫn là một vấn đề lớn cho đến tận bây giờ Hiện nay năng lượng mặt trời chỉ cung cấp một phần nhỏ bé trong nhu cầu về điện cho con người nhưng những người ủng hộ năng lượng này tin tưởng kỉ nguyên năng lượng mặt trời chỉ mới bắt đầu và càng ngày được đẩy mạnh khi các quốc gia phát triển thực hiện chiến dịch chống biến đổi khí hậu và hạn chế việc phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch như dầu mỏ, khí đốt … Các Chính Phủ Nhật Bản, Đức, và Hoa Kỳ đang thúc đẩy việc hỗ trợ người dân dần dần từ bỏ các nhiên liệu hoá thạch. Chẳng hạn tại Đức, một gia đình tại Đức có thể được chính phủ hỗ trợ hơn 2.860 USD) để lắp đặt các tấm pin mặt trời. Họ không phải trả bất kì phí nào trong 10 năm và còn được thu lợi trong 10 năm tiếp theo.
Tuy nhiên, ở các nước phát triển việc tuyên truyền sử dụng năng lượng mặt trời lại hạn chế trong khi chính những nước này càng cần phải tranh thủ nguồn năng lượng mặt trời nhiều hơn – những quốc gia này có nhiều thuận lợi hơn ở điều kiện địa lý gần xích đạo có cường độ năng lượng mặt trời lớn hơn các nước ôn đới. Ứng dụng năng lượng mặt trời ở Việt nam: [5] Vị trí địa lý đã ưu ái cho Việt Nam một nguồn năng lượng tái tạo vô cùng lớn, đặc biệt là năng lượng mặt trời. Trải dài từ vĩ độ 23023’ Bắc đến 8027’ Bắc, Việt Nam nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao.