TỔNG QUAN
Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu
Nhu cầu năng lượng toàn cầu đang gia tăng nhanh chóng, đặc biệt là do sự gia tăng dân số Trong bối cảnh nguồn năng lượng truyền thống đang gặp khó khăn về trữ lượng và gây tác động tiêu cực đến môi trường, việc chuyển sang năng lượng tái tạo trở nên cấp thiết Năng lượng mặt trời (NLMT) được xem là nguồn năng lượng dồi dào nhất cho tương lai, đang cạnh tranh mạnh mẽ với nhiên liệu hóa thạch NLMT không chỉ là một giải pháp quan trọng để sản xuất năng lượng sạch mà còn là nguồn năng lượng tự do, phong phú và thân thiện với môi trường Trong khi nhiên liệu hóa thạch có nhiều nhược điểm như cạn kiệt và ô nhiễm, các nguồn năng lượng tái tạo như NLMT được công nhận là lựa chọn sạch hơn, sản xuất năng lượng mà không gây hại cho môi trường.
Các nhà máy điện truyền thống gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người do phát thải khí nhà kính Để hỗ trợ các nhà máy này trong giờ cao điểm, việc áp dụng các công nghệ năng lượng tái tạo là cần thiết Những công nghệ này đóng góp quan trọng cho nhu cầu năng lượng bền vững trong tương lai Do đó, tìm kiếm phương pháp thay thế cho thế hệ năng lượng truyền thống là rất quan trọng để bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.
Tiềm năng năng lượng mặt trời ở thế giới và Việt Nam
Việc sử dụng năng lượng mặt trời (NLMT) để sản xuất điện đã trở thành một hiện tượng phổ biến trong thời gian gần đây, được biết đến như năng lượng tái tạo (NLTT) Trong lịch sử, các nền văn minh đã tận dụng ánh sáng và nhiệt từ mặt trời cho các hoạt động hàng ngày Hiện nay, ánh sáng mặt trời chủ yếu được chuyển đổi thành điện năng thông qua các tế bào quang điện (PV) Một tấm PV hoặc dãy PV bao gồm nhiều tế bào PV, có thể được lắp đặt trong các hệ thống độc lập hoặc quy mô lớn dưới dạng trang trại NLMT nối lưới Một hệ thống PV thường bao gồm tấm PV, bộ lưu trữ năng lượng và biến tần, cho phép kết nối với lưới điện hoặc hoạt động độc lập.
Hệ thống năng lượng mặt trời (PV) có thể kết nối với các đơn vị tiêu dùng theo hai cách: off-grid và on-grid Hệ thống PV độc lập, như được mô tả trong Hình 1.1, thường được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các tải độc lập với công suất nhỏ Những hệ thống pin năng lượng mặt trời này thường được lắp đặt trên mái nhà hoặc các tòa nhà, phục vụ cho việc chiếu sáng đường phố, bãi đậu xe và các ứng dụng sinh hoạt trong gia đình.
Hệ thống pin mặt trời vận hành độc lập được minh họa trong Hình 1.1, trong khi Hình 1.2 mô tả việc thiết lập các tấm pin năng lượng mặt trời (PV) như một hệ thống kết nối lưới điện, được lắp đặt dưới dạng trang trại năng lượng mặt trời Các trang trại năng lượng mặt trời này nhằm đáp ứng nhu cầu về tải có công suất lớn và lưới điện cao hơn, cung cấp điện năng với quy mô lớn hơn.
Hình 1 2 Trang trại gió kết nối lưới điện
Việc sử dụng năng lượng mặt trời (NLMT) ngày càng gia tăng đã dẫn đến sự giảm tiêu thụ các nguồn năng lượng không tái tạo, đồng thời dự đoán sự gia tăng lắp đặt hệ thống điện mặt trời (PV) Đến cuối năm 2015, tổng công suất lắp đặt NLMT toàn cầu đạt 227 GW, theo báo cáo Renewables Global Status Report 2015.
Hình 1 3 Tổng sản lượng PV toàn cầu
Hình 1 4 Top 10 nước phát triển pin PV nhất thế giới đến 2015
Nhiều quốc gia đã xây dựng các trang trại NLMT để tạo ra điện năng rẻ và thay thế các nguồn không tái tạo
Nhu cầu năng lượng mặt trời (NLMT) đã chuyển dịch từ các nước giàu sang các thị trường mới nổi trên toàn cầu, đặc biệt là ở các nước đang phát triển, nơi điện năng cần thiết nhất Trong khi đó, các quốc gia châu Âu trước đây có công suất lớn đã giảm lắp đặt NLMT vào năm 2015 Sự phát triển này được thúc đẩy bởi sự cạnh tranh gia tăng giữa các nhà sản xuất tấm pin NLMT và các chương trình khuyến khích của chính phủ nhằm sử dụng năng lượng tái tạo Đồng thời, nhu cầu điện ngày càng tăng và nhận thức về tiềm năng của năng lượng mặt trời cũng như nỗ lực giảm ô nhiễm và phát thải CO2 đang trở thành động lực chính cho sự chuyển mình này.
1.2.1 Tình hình sử dụng pin NLMT ngoài nước
Trên thế giới hiện đã xây dựng được các nhà máy NLMT công suất lớn Tiêu biểu có thể kể đến các dự án NLMT như sau:
1.2.1.1 Dự án Solar Star 579MW, California
Nhà máy năng lượng mặt trời Solar Star, với công suất 579MW, hiện là nhà máy lớn nhất thế giới, tọa lạc tại Kern và Los Angeles, California Solar Star có khả năng cung cấp điện cho 255.000 hộ dân trong khu vực Công trình xây dựng bắt đầu vào năm 2013 và hoàn thành vào tháng 6 năm 2015, chiếm diện tích 13 km vuông gần Rosamond, California.
5 công suất lớn như vậy, nhà máy đã sử dụng hết 1.7 triệu module pin NLMT được làm từ bán dẫn đơn tinh thể
Công nghệ pin mặt trời tại Solar Star giúp tiết giảm 570,000 tấn khí thải CO2 mỗi năm, tương đương với 108,000 xe hơi hoạt động Nhà máy áp dụng công nghệ Oasis Power Plant từ Sun Power, cho phép các tấm pin năng lượng mặt trời theo dõi ánh sáng mặt trời suốt cả ngày, nâng hiệu suất thu năng lượng lên 25% Công ty BHE sở hữu nhà máy này và bán điện cho Southern California Edison qua một hợp đồng dài hạn.
1.2.1.2 Desert Sunlight Solar Farm 550MW, California
Trang trại năng lượng mặt trời Desert Sunlight, nằm tại quận Riverside và Carrizo Plain, California, là kết quả hợp tác giữa tập đoàn GE và Sumitomo, với công suất 550 MW Nhà máy này có khả năng cung cấp năng lượng cho 160.000 hộ gia đình trong khu vực, đồng thời giúp giảm gần 300.000 tấn khí CO2 thải ra môi trường mỗi năm, tương đương với lượng khí thải của 60.000 xe hơi.
Dự án năng lượng mặt trời do First Solar xây dựng và vận hành, với 8 triệu module pin NLMT công nghệ cadmium telluride Nhà máy chiếm diện tích 15,4 km vuông, trong đó giai đoạn 1 được khởi công vào tháng 9 năm 2011 với công suất 300 MW, và giai đoạn 2 hoàn thành vào năm 2015 với công suất 250 MW.
1.2.1.3 Topaz Solar Farms 550 MW, California
Hình 1 7 Topaz Solar Farms 550 MW, California
Topaz Solar Farms là nhà máy điện năng lượng mặt trời (NLMT) có công suất 550 MW, tọa lạc tại San Luis Obispo County, California, cung cấp năng lượng cho 160.000 hộ gia đình trong khu vực Dự án trị giá 2,5 tỷ USD, thuộc sở hữu của công ty BHE Renewables, giúp giảm thiểu 377.000 tấn CO2 mỗi năm, tương đương với khí thải của 73.000 chiếc xe hơi Để tối ưu hóa năng lượng mặt trời, dự án sử dụng 9 triệu tấm pin mặt trời được lắp đặt nghiêng 25 độ.
Nhà máy được xây dựng từ năm 2011 và hoàn thành vào năm 2014, chiếm diện tích 24,6 km vuông Điện năng sản xuất được bán cho công ty Pacific Gas and Electric thông qua hợp đồng kéo dài 25 năm.
1.2.1.4 Longyangxia Dam Solar Park 530 MW, Qinghai
Hình 1 8 Longyangxia Dam Solar Park 530 MW, Qinghai
Longyangxia Dam Solar Park được đặt gần nhà máy thủy điện Longyangxia Dam trên lưu vực sông Hoàng Hà của Trung Quốc Con đập được hoàn thành năm
Năm 1992, một dự án năng lượng mặt trời (NLMT) đã được triển khai trên diện tích 9.6 km vuông, trở thành một phần của nhà máy hỗn hợp thủy điện và pin mặt trời lớn nhất thế giới Công ty China Power Investment đã bắt đầu xây dựng dự án vào tháng 3 năm 2013 và hoàn thành chỉ sau 9 tháng, với công suất thiết kế đạt 320 MW.
Giai đoạn 2 của dự khởi công vào tháng 8 năm 2015 và hoàn thành vào năm
2015 với công suất thiết kế 530 MW Với kết quả này, dự án đã giảm thiểu được 795.000 tấn khí CO2 phát thải ra môi trường mỗi năm
1.2.2 Tình hình sử dụng pin NLMT ở trong nước
Sự phát triển nhanh chóng của năng lượng mặt trời (NLMT) trên thế giới cũng đang diễn ra mạnh mẽ tại Việt Nam, nhờ vào sự hỗ trợ về giá cả và các cơ chế từ nhà nước cho năng lượng tái tạo Nhiều hệ thống NLMT đã được thi công và vận hành, cùng với sự phát triển rộng rãi của các hệ thống NLMT cho hộ dân trên toàn quốc Dưới đây là một số công trình tiêu biểu trong lĩnh vực này.
1.2.2.1 Nhà máy điện mặt trời Thiên Tân
Vào ngày 29/8/2015, dự án Nhà máy quang điện mặt trời Thiên Tân được khởi công xây dựng với công suất 19,2 MW và tổng mức đầu tư 800 tỉ đồng Nhà máy được xây dựng trên diện tích 24 ha tại thôn Đạm Thủy, xã Đức Minh, huyện Mộ Đức, tỉnh Quảng Ngãi, sử dụng nguồn vốn vay trong nước và nước ngoài Công ty TNHH Full Advantage đảm nhận vai trò tư vấn cho dự án này.
Nhà máy quang điện mặt trời Thiên Tân sử dụng công nghệ và thiết bị hiện đại, mang lại hiệu suất cao và có tuổi thọ dự kiến trên 25 năm Với công suất lắp đặt lên đến 19,2 MW, nhà máy này hứa hẹn sẽ đóng góp tích cực vào nguồn năng lượng tái tạo.
Điểm công suất cực đại và tác động do bóng che của Pin NLMT
Tế bào năng lượng mặt trời, hay còn gọi là tế bào quang điện (PV), là thiết bị chuyển đổi bức xạ mặt trời thành điện năng Khi được kết nối với nhau, các tế bào quang điện tạo thành một mô-đun, và khi kết nối nhiều mô-đun, chúng có thể tạo thành một mảng năng lượng mặt trời lớn hơn.
[2] Mảng PV chứa một số mô đun được liên kết trong cấu trúc nối tiếp hoặc song
Hệ thống năng lượng mặt trời (NLMT) có thể gặp phải một số thách thức trong quá trình phát triển, bao gồm hiệu suất thấp và sự xuất hiện của các điểm công suất cực đại địa phương Kỹ thuật bám theo điểm công suất cực đại (MPPT) là một giải pháp hiệu quả để tối ưu hóa công suất đầu ra của hệ thống PV Mặc dù MPPT giúp xác định công suất tối đa trên đường cong phi tuyến P-V dưới bức xạ liên tục, việc theo dõi MPP thực tế trong điều kiện bóng mờ lại trở nên khó khăn do sự tồn tại của nhiều điểm công suất cực đại địa phương, như minh họa trong Hình 1.11.
Hình 1 11 Đường cong P-V trong tấm PV dưới điều kiện bóng che một phần Mặc dù nguồn quang điện (PV) gặp một số hạn chế như các đặc tính đầu ra phi tuyến, sự thay đổi của bức xạ, bóng che, nhiệt độ và cấu hình mảng, nhưng nó đang được ứng dụng ngày càng nhiều Khi các tấm pin PV không nhận cùng một mức bức xạ, các đặc tính trở nên phức tạp hơn, đặc biệt là trong điều kiện bị bóng che từng phần, dẫn đến giảm hiệu quả của các chương trình tìm điểm công suất.
Sự xuất hiện của nhiều cực đại công suất trong hệ thống PV là do không thể phân biệt giữa các đỉnh địa phương và đỉnh cao toàn cục Điều này dẫn đến đặc tính I-V phi tuyến tính, do sự khác biệt về chiếu sáng và nhiệt độ trong điều kiện bóng che, làm cho đặc điểm P-V trở nên phức tạp hơn với nhiều đỉnh công suất khác nhau.
Nhiều nghiên cứu trên thế giới và trong nước đã tập trung vào việc xác định điểm công suất cực đại (GMPPT) Tại Việt Nam, TS H.C.Duy đã đề xuất một giải pháp mới dựa trên phương pháp tăng tổng dẫn cũ (INC), cụ thể là thuật toán INC cải tiến Thuật toán này không chỉ cải thiện tốc độ hội tụ của bộ điều khiển mà còn nâng cao khả năng đáp ứng với sự thay đổi đột ngột của bức xạ mặt trời.
PGS.TS Trương Việt Anh và Trần Quang Thọ đã đề xuất một giải thuật mới để tìm điểm công suất cực đại (MPPT) và trình bày phương pháp giảm thiểu sóng hài trong hệ thống pin mặt trời nối lưới 3 pha Giải pháp này sử dụng bộ điều chỉnh điện áp MPPT có gia số biến thiên, cho phép hệ thống đáp ứng nhanh chóng với các thay đổi của điều kiện thời tiết.
Trên thế giới Reset đường cong và quét chu kỳ, quét toàn bộ đường cong P-V
Phương pháp hai giai đoạn [47], [56], [60], [61]
Kỹ thuật dựa trên quan sát đặc tuyến P-V; I-V [62], [63]
Trong luận văn này, một phương pháp mới được trình bày nhằm theo dõi điểm công suất cực đại toàn cục (GMPP) của hệ thống năng lượng mặt trời (PV) Phương pháp này vượt trội hơn so với các kỹ thuật MPPT truyền thống, đặc biệt khi gặp hiện tượng bóng che từng phần, bằng cách dự đoán vị trí của GMPP và LMPP trên đường cong P-V Nhờ khả năng xác định nhanh chóng GMPP, phương pháp này giúp giảm thiểu mất mát năng lượng do quét mù Kết quả thử nghiệm cho thấy phương pháp đảm bảo sự hội tụ đến MPP toàn cục ngay cả trong điều kiện có bóng che.
Mục tiêu luận văn
Qua phân tích tổng quan vấn đề bóng che một phần trong phần trên, luận văn đặt ra các mục tiêu sau:
− Đề xuất một phương pháp xác định điểm GMPP khi có hiện tượng bóng che từng phần, không đồng đều
− Thực hiện mô hình mô phỏng hệ thống PV để ghi nhận và đánh giá hiệu quả của giải thuật được đề xuất.
Nhiệm vụ luận văn
Dựa vào mục tiêu trong phần 1.4, để đạt được các yêu cầu này, luận văn đề ra các nhiệm cụ thể như sau:
− Nghiên cứu các tài liêu liên quan đến nguyên liệu, cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các PV thông dụng hiện nay
− Thực hiện tìm kiếm tài liệu rộng rãi về mô hình hóa các tế bào PV
− Nghiên cứu tính phù hợp của một bộ mô hình PV được lựa chọn sử dụng các nghiên cứu mô phỏng (MATLAB)
− Xem xét các kỹ thuật hiện tại để điều tra hiệu ứng bóng che một phần
− Nghiên cứu các phương pháp xác định điểm MPP trong trường hợp dãy
PV bị bóng che một phần Xác định các ưu nhược điểm của từng phương pháp.
Phạm vi luận văn
Giải quyết bài toán bóng che trong dãy pin năng lượng mặt trời không chỉ là một phần của việc điều khiển hệ thống pin NLMT mà còn liên quan đến nhiều vấn đề và lĩnh vực khác nhau Để đảm bảo luận văn đi đúng hướng và đạt được mục tiêu đã đề ra, nghiên cứu sẽ được thực hiện trong các phạm vi cụ thể.
− Nghiên cứu cấu trúc các pin NLMT thông dụng
− Nghiên cứu các phương trình toán về pin mặt trời thông dụng hiện nay
− Nghiên cứu các phương pháp xác định điểm GMPP đã được đề xuất hiện nay
Xây dựng mô hình MatLab nhằm ghi nhận kết quả và đánh giá hiệu quả của thuật toán đề xuất, sử dụng các mô hình và công cụ hỗ trợ có sẵn trong MatLab.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Tế bào quang điện
Pin mặt trời (PV) là thiết bị bán dẫn chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành điện năng thông qua hiệu ứng quang điện Hệ thống pin năng lượng mặt trời chủ yếu bao gồm tế bào PV, được chế tạo từ các loại chất bán dẫn khác nhau Silicon (Si) là vật liệu bán dẫn phổ biến nhất, với mỗi tế bào thường có một màng mỏng Si kết nối với các đầu cuối điện, pha tạp để tạo thành đường nối PN và được phủ lưới kim loại để tối ưu hóa khả năng hấp thụ ánh sáng mặt trời.
Cấu trúc vật lý của một tế bào PV có thể thấy trong Hình 2.1 được mô tả như trong [26, 27]
Bức xạ mặt trời chứa các photon với mức năng lượng khác nhau, khi ánh sáng chiếu vào tế bào quang điện (PV), tạo ra sóng mang điện tích và dòng điện Các photon có năng lượng cao va chạm với chất bán dẫn, giải phóng điện tích âm, tạo ra hai lớp vật chất tích điện trái dấu, từ đó hình thành nguồn điện DC Ngược lại, photon với năng lượng thấp không gây ra dòng điện Tốc độ phát điện của tấm bán dẫn phụ thuộc vào tần số ánh sáng và khả năng hấp thụ ánh sáng của chất bán dẫn.
14 yếu tố như năng lượng ngưỡng, nồng độ nội tại các hạt mang điện và tốc độ kết hợp của chất bán dẫn
2.1.1 Đặc tính của tế bào quang điện
Một tế bào quang điện (PV) khi hoạt động ở cường độ ánh sáng nhất định sẽ tạo ra điện áp (V), dòng điện (I) và công suất (P), từ đó phản ánh hiệu suất và đặc tính của tế bào Mối tương quan giữa các yếu tố I-V (điện áp - dòng điện) và P-V (công suất - điện áp) là rất quan trọng, vì tế bào PV có đặc tính phi tuyến tính cần được phân tích, đồng thời cần xem xét các yếu tố ảnh hưởng đến chúng như đã nêu trong các nghiên cứu trước đó Hình 2.2 trong nghiên cứu [31] minh họa các đặc tính của một tế bào PV tiêu chuẩn, trong đó I SC là dòng ngắn mạch, V OC là điện áp hở, MPP là công suất cực đại, và I MP cùng V MP là dòng điện và điện áp tại điểm công suất cực đại.
Tại điểm VOC, giá trị của ISC bằng không, và ngược lại, tại điểm ISC, giá trị của VOC cũng bằng không, như đã phân tích trong nghiên cứu.
Hiệu suất của tế bào PV bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như vật liệu, nhiệt độ không khí, cường độ ánh sáng mặt trời, góc nghiêng và sự khác biệt trong chiếu xạ giữa các tế bào Hai yếu tố quan trọng nhất là sự chiếu nắng và nhiệt độ: khi chiếu nắng tăng, đầu ra (I & V) cũng tăng, nhưng nhiệt độ cao lại làm giảm điện áp đầu ra Thời tiết mùa đông và độ cao có thể dẫn đến giá trị chiếu sáng thấp, và giống như các thiết bị điện tử khác, pin mặt trời hoạt động hiệu quả hơn khi được giữ mát.
2.1.2 Các tấm pin quang điện và các dãy pin quang điện
Các tấm pin mặt trời (PV) được tạo ra từ các tế bào PV bằng cách kết nối chúng theo kiểu nối tiếp hoặc song song Một tế bào đơn, tấm pin và dãy pin có thể được minh họa như trong Hình 2.3.
Hình minh họa cho thấy tấm pin năng lượng mặt trời (PV) được lắp ráp bằng cách kết nối các tế bào theo cách đấu nối tiếp và song song Trong trường hợp này, 6 tấm PV được sử dụng để tạo ra cấu hình phù hợp với điện áp và công suất cần thiết cho nhu cầu sử dụng.
Khi kết nối các tế bào pin mặt trời theo kiểu nối tiếp, tổng điện áp đầu ra sẽ là tổng điện áp của từng tế bào, trong khi dòng điện đầu ra giữ nguyên bằng dòng điện của một tế bào đơn lẻ Ngược lại, khi các tế bào được kết nối song song, tổng dòng điện đầu ra sẽ là tổng các dòng điện từ từng tế bào, trong khi điện áp đầu ra vẫn không đổi và bằng điện thế của một tế bào đơn lẻ.
2.1.3 Các loại tế bào quang điện
Hiện nay, có nhiều loại tế bào PV khác nhau, với sự khác biệt chủ yếu nằm ở vật liệu sản xuất Hiệu suất của pin mặt trời thường phụ thuộc vào loại vật liệu được sử dụng Vật liệu phổ biến nhất hiện nay là silicon (Si) Hiện tại, có bốn loại tế bào PV dựa trên silicon có sẵn trên thị trường, phù hợp cho nhiều ứng dụng khác nhau.
PV Si đơn tinh thể được sản xuất bằng cách trồng tinh thể Si từ tinh thể lỏng tinh khiết, mang lại hiệu suất từ 13-17% Loại tế bào này được xem là hiệu quả nhất trong ba loại chính và cũng là một trong những loại tế bào đắt đỏ nhất hiện nay.
PV Si đa tinh thể được sản xuất bằng cách sử dụng quy trình đúc tương tự như tế bào mono-tinh thể, nhưng trong quá trình này, các tế bào được làm mát để hình thành dạng đa tinh thể Hiệu suất của các tế bào này dao động từ 11-15%, và lớp chống phản xạ được áp dụng là nguyên nhân tạo ra màu xanh đặc trưng.
PV Silicon vô định hình là loại tế bào gốc không chứa tinh thể silicon, yêu cầu ít nguyên liệu trong quá trình sản xuất Mặc dù hiệu suất của các tế bào này khá thấp, chỉ đạt từ 6-8%, nhưng chúng vẫn được sử dụng cho các ứng dụng nhỏ.
Tế bào quang điện hybrid kết hợp hai kỹ thuật khác nhau, bao gồm tế bào đơn tinh thể được bao phủ bởi lớp silicon vô định hình Mặc dù chi phí sản xuất cao, nhưng loại tế bào này hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ cao và đạt hiệu suất trên 18%.
Hình 2.4 từ nghiên cứu [33] minh họa các vật liệu và loại tế bào khác nhau trong ngành công nghiệp năng lượng mặt trời (PV) hiện đại, cùng với hiệu suất đầu ra của chúng Biểu đồ cũng chỉ ra rằng hiệu quả dự kiến sẽ tiếp tục tăng cho đến năm 2015.
Hình 2 4 Hiệu suất hoạt động của các loại nguyên liệu PV khác nhau (Nguồn
Các ứng dụng chủ yếu của PV
Việc áp dụng pin năng lượng mặt trời đã diễn ra trong nhiều năm, và những tiến bộ gần đây trong sản xuất pin đã được tích hợp vào việc chế tạo các thiết bị tương thích với hầu hết các hệ thống lắp đặt trên toàn cầu.
Gần đây, vật liệu mới cho tế bào năng lượng mặt trời (PV) đã được giới thiệu cùng với các kỹ thuật tiên tiến nhằm nâng cao hiệu quả hệ thống PV Hiện nay, các hệ thống PV được lắp đặt trên mái nhà, trong các tòa nhà lớn nhỏ, và trong các trang trại năng lượng mặt trời kết nối lưới Chúng cũng được sử dụng trong các ứng dụng độc lập như đèn đường, nhà ở, trạm điện thoại, và các thiết bị nhỏ như quạt năng lượng mặt trời và đèn pin Với sự phát triển công nghệ PV, tương lai có thể chứng kiến sự xuất hiện của các trang trại pin mặt trời trên mặt nước, xe không gian, ô tô, và máy bay không người lái.
Chương này sẽ cung cấp cái nhìn chi tiết về các phương trình toán học liên quan đến các thành phần của hệ thống năng lượng mặt trời (NLMT) Bên cạnh đó, các lưu đồ và thuật toán tính toán được sử dụng trong luận văn cũng sẽ được thảo luận Nội dung cụ thể sẽ được trình bày một cách rõ ràng và chi tiết như dưới đây.
Pin NLMT và phương trình toán của pin NLMT
Ngày nay, pin năng lượng mặt trời chủ yếu sử dụng công nghệ bán dẫn silicon với tiếp xúc p-n Để thuận tiện cho việc tính toán và thiết kế, một mạch điện tương đương đã được phát triển để thay thế cho pin mặt trời.
Mạch điện tương đương của pin mặt trời bao gồm các thành phần chính như dòng quang điện Iph, điot, điện trở dòng rò Rsh và điện trở nối tiếp Rs Trong mạch này, dòng điện ngõ ra được ký hiệu là I và điện áp ngõ ra là V.
2.3.1 Phương trình tương đương của pin NLMT
Dựa vào mạch điện tương đương của pin năng lượng mặt trời như trong Hình 2.5, một phương trình toán học đã được thiết lập để thể hiện mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp đầu ra của pin năng lượng mặt trời.
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)
A: hệ số lý tưởng phụ thuộc vào công nghệ chế tạo pin, ví dụ công nghệ Si-mono
2.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến pin NLMT
Dòng quang điện Iph phụ thuộc trực tiếp vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ của pin:
Isc: dòng ngắn mạch tại nhiệt độ tiêu chuẩn 250C (A) và bức xạ 1kW/m2
K1: hệ số dòng điện phụ thuộc vào nhiệt độ (A/0C)
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)
Dòng bão hòa Is là dòng điện do các hạt tải không cơ bản sinh ra từ kích thích nhiệt Khi nhiệt độ của pin mặt trời gia tăng, dòng bão hòa cũng tăng theo hàm mũ.
IRS: Dòng điện ngược bão hòa tại nhiệt độ tiêu chuẩn (A)
Năng lượng lỗ trống trong chất bán dẫn là yếu tố quan trọng đối với hiệu suất của pin mặt trời lý tưởng Trong trường hợp này, điện trở dòng rò Rsh được coi là vô hạn (Rsh = ∞) và điện trở nối Rs bằng 0 (Rs = 0) Mạch điện tương đương của pin mặt trời được mô tả qua hình 2.6, cho thấy cấu trúc và hoạt động của nó trong việc chuyển đổi năng lượng.
Hình 2 6 Mô hình pin mặt trời lý tưởng Khi đó, biểu thức (2.1) có thể được mô tả như sau:
Và dòng bão hòa ngược tiêu chuẩn có thể được biểu diễn như sau:
2.3.3 Phương trình tương đương của bộ pin NLMT
Thông thường, công suất của pin mặt trời khoảng 2 W và điện áp khoảng 0.5 V
Các pin mặt trời được kết nối theo hình thức nối tiếp và song song để tạo ra công suất và điện áp tối ưu Mạch điện tương đương của mô đun pin mặt trời bao gồm Np nhánh song song và Ns pin nối tiếp, như được minh họa trong Hình 2.7.
Hình 2 7 Mô đun pin mặt trời Mạch điện Hình 2.7 được miêu tả bởi biểu thức sau:
Pin mặt trời chuyển đổi một phần bức xạ mặt trời trực tiếp thành năng lượng điện, trong khi phần còn lại biến thành nhiệt Do màu sắc của pin mặt trời dễ hấp thụ nhiệt, nhiệt độ vận hành của pin có thể cao hơn nhiệt độ môi trường xung quanh Nhiệt độ của pin dưới các điều kiện khác nhau có thể được đánh giá thông qua nhiệt độ vận hành bình thường (NOCT - Normal Operating Cell Temperature) Đặc tuyến I-V tương ứng với từng mức bức xạ cụ thể được mô tả rõ ràng.
Hình 2 8 Đặc tuyến I-V với các bức xạ khác nhau
Đặc tuyến P-V của pin mặt trời thay đổi không chỉ theo cường độ bức xạ mà còn phụ thuộc vào nhiệt độ của pin Mối tương quan giữa nhiệt độ và đặc tuyến I-V, P-V được thể hiện rõ qua các hình ảnh minh họa.
Hình 2 10 Đường đặc tuyến I-V tại S00W/m2 khi nhiệt độ pin thay đổi
Điểm MPP trên đường đặc tuyến P-V tại S00W/m2 luôn thay đổi tùy thuộc vào điều kiện bức xạ và nhiệt độ Để theo dõi điểm MPP này, cần thiết phải có một thuật toán, đóng vai trò quan trọng trong bộ điều khiển MPPT.
Các thuật toán phổ biến xác định điểm công suất cực đại của pin mặt trời
Cấu trúc của hệ thống MPPT điều khiển theo điện áp tham chiếu được trình bày như Hình 2.12
Hình 2 12 Cấu trúc điều khiển MPPT của dàn PV
2.4.1 Thuật toán nhiễu loạn và quan sát P&O
Trong thuật toán này, điện áp hoạt động của pin mặt trời (PMT) bị ảnh hưởng bởi một gia số nhỏ ΔV, dẫn đến sự thay đổi công suất ΔP Kết quả này đã được trình bày trong các nghiên cứu của Sivagamasundari và Chaudhari [16, 17].
Hình 2.13 mô tả nguyên lý hoạt động của thuật toán P&O, từ đó có thể suy ra cách thức hoạt động của thuật toán như sau:
Khi điểm hoạt động của hệ thống di chuyển theo hướng 1 (ΔP < 0 và ΔV < 0), cần tăng điện áp hoạt động để đưa điểm hoạt động đến điểm MPP.
Khi điểm hoạt động của hệ thống di chuyển theo hướng 2 (ΔP > 0 và ΔV > 0), cần tăng điện áp hoạt động để đưa điểm hoạt động đến điểm MPP.
− Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang di chuyển theo hướng 3 (ΔP > 0 và ΔV < 0) thì cần giảm điện áp hoạt động để di chuyển điểm hoạt động tới điểm MPP
− Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang di chuyển theo hướng 4 (ΔP < 0 và ΔV > 0) thì cần giảm điện áp hoạt động để di chuyển điểm hoạt động tới điểm MPP
Hình 2 13 Đường đặc tính P-V và thuật toán P&O Để thực hiện được nguyên tắc xác định điểm MPP, một lưu đồ thuật toán được đưa như trong Hình 2.14 như sau:
− Bộ điều khiển MPPT sẽ đo các giá trị dòng điện I và điện áp V, sau đó tính toán độ sai lệch ∆P, ∆V và kiểm tra:
− Nếu ∆P ∆V > 0 thì tăng giá trị điện áp tham chiếu Vref
− Nếu ∆P ∆V < 0 thì giảm giá trị điện áp tham chiếu Vref
− Sau đó cập nhật các giá trị mới thay cho giá trị trước đó của V, P và tiến hành đo các thông số I, V cho chu kỳ làm việc tiếp theo
Hình 2 14 Lưu đồ thuật toán P&O
2.4.2 Thuật toán điện dẫn gia tăng INC
Thuật toán INC dựa trên độ dốc của đường cong công suất tại điểm MPP, như đã được trình bày trong các nghiên cứu [25-28], cho thấy hiệu quả trong việc tối ưu hóa quá trình thu năng lượng.
− Độ dốc dương ở bên trái điểm MPP
− Độ dốc âm ở bên phải điểm MPP Đặc tính P-V và thuật toán INC được minh hoạ trên Hình 2.15
− dP/dV > 0, ở bên trái MPP
− dP/dV < 0, ở bên phải MPP dP / dV=d(IV) / dV=I+V(dI / dV)≈I+V(ΔI /ΔV) nên ta có thể viết lại là :
Hình 2.15 trình bày đường đặc tính P-V, trong khi lưu đồ thuật toán ở Hình 2.16 mô tả hoạt động của thuật toán INC điều khiển theo điện áp tham chiếu Thuật toán này sử dụng các giá trị dòng điện và điện áp của hệ thống PV được đo đạc, sau đó tính toán các giá trị gia tăng dựa trên các giá trị tức thời và giá trị trước đó.
∆I và ∆V Thuật toán sẽ kiểm tra điều kiện của phương trình ở Hình 2.15
− Nếu điểm hoạt động nằm phía bên trái điểm MPP thì chúng ta phải di chuyển nó sang bên phải bằng cách tăng điện áp của PMT
− Nếu điểm hoạt động nằm bên phải điểm MPP thì chúng ta lại phải di chuyển nó sang bên trái tức là phải giảm điện áp PMT
− Khi điều kiện ∆I/∆V = -I/V được thỏa mãn (chính là các điểm MPP) thì thuật toán này sẽ bỏ qua việc điều chỉnh điện áp
Một kiểm tra quan trọng của thuật toán này là phát hiện điều kiện của môi trường Khi điểm hoạt động duy trì ở điểm MPP (ΔV= 0) và bức xạ không thay đổi (ΔI = 0), không cần điều chỉnh điện áp Tuy nhiên, nếu bức xạ tăng (ΔI > 0), điện áp MPP sẽ giảm và thuật toán INC cần tăng điện áp hoạt động để theo dõi điểm MPP Ngược lại, khi bức xạ giảm (ΔI < 0), điện áp MPP sẽ cao hơn, yêu cầu giảm điện áp hoạt động để tiếp tục theo dõi.
Trong chu kỳ cuối, 27 điểm MPP sẽ cập nhật lịch sử bằng cách lưu trữ các giá trị điện áp và dòng điện hiện tại, sử dụng chúng làm giá trị tham chiếu cho chu kỳ tiếp theo.
Hình 2 16 Lưu đồ thuật toán INC
Hiện tượng bóng che một phần và các ảnh hưởng
Bóng che một phần (Partial Shading Conditions - PSC) xảy ra khi ánh sáng mặt trời không chiếu sáng đều lên các tấm pin và tế bào quang điện, dẫn đến hiện tượng bất ổn và các đặc tính I-V, P-V phức tạp Thông thường, bóng che một phần xuất hiện do các yếu tố như cây cối xung quanh, mây, nhà cửa, phân chim, bụi, lá, nước và góc độ nghiêng của tấm pin mặt trời Mặc dù bóng che hoàn toàn cũng gây ra vấn đề tương tự cho hệ thống PV, nhưng nó ít được thảo luận hơn vì lượng bức xạ mặt trời chiếu xuống các tấm pin PV là đồng nhất.
Hình 2 17 Minh họa hiện tượng bóng che một phần
Hình 2.17 minh họa rằng cây cối, tòa nhà và đám mây xung quanh là những yếu tố chính gây ra hiện tượng che bóng cho hệ thống PV Ngoài ra, hiệu suất của hệ thống còn bị ảnh hưởng bởi các yếu tố khác như nhiệt độ, điều kiện thời tiết và mức độ cách ly.
Phương pháp theo dõi điểm cực đại (MPPT) là yếu tố quan trọng trong hệ thống năng lượng mặt trời (PV) do đặc tính phi tuyến tính của mảng PV Trong điều kiện khí quyển đồng nhất, mảng PV có thể đạt được điểm công suất lớn nhất (MPP) thông qua các kỹ thuật MPPT thông thường Tuy nhiên, khi gặp bóng che từng phần, tình hình trở nên phức tạp với nhiều điểm công suất cực đại cục bộ (LMs) xuất hiện, trong đó có một điểm công suất cực đại toàn cục (GM) Bóng che phần lớn xảy ra do một số mô-đun nhận được mức chiếu xạ khác nhau từ bụi, thời tiết, hoặc bóng của các công trình, cây cối, và núi Việc che chắn này là điều khó tránh khỏi trong các hệ thống PV tích hợp Đáng tiếc, các phương pháp MPPT truyền thống không đủ khả năng xử lý tình huống bóng che này, dẫn đến tổn thất năng lượng lớn, có thể lên tới 70% khi thuật toán hội tụ đến điểm công suất cực đại địa phương (LM) thay vì GM Do đó, cần phát triển các phương pháp MPPT mới có khả năng xác định GM từ tất cả các LM hiện có.
Hình 2.18 (a) minh họa một cách sắp xếp hiệu quả cho mảng PV với hai loại điốt, bao gồm điốt đi vòng và điốt chặn Trong điều kiện bóng râm, một số mô-đun PV sẽ bị chiếu sáng ít hơn, dẫn đến việc chúng hoạt động như một bộ phận thay thế máy phát, từ đó làm giảm tổng sản lượng điện và có thể gây ra hiện tượng nóng Để bảo vệ các mô-đun khỏi tình trạng này, nhiều điốt bypass được kết nối song song với từng nhóm tế bào trong mỗi mô-đun PV Ngoài ra, các điốt khóa cũng được lắp đặt ở cuối mỗi chuỗi PV nhằm ngăn chặn sự mất cân bằng dòng điện giữa các dãy PV khác nhau, giúp hạn chế các dòng điện ngược.
Hình 2.18 (a) minh họa rằng trong điều kiện bức xạ đồng đều, các điốt bypass của mảng PV đều phân cực ngược, cho phép dòng điện chảy qua mô-đun PV và tạo ra một đường cong P-V với một MPP duy nhất Ngược lại, trong tình huống bóng mờ như thể hiện trong hình 2.18 (b), chuỗi S1 nhận bức xạ đồng đều trong khi chuỗi S2 bị che khuất và nhận bức xạ giảm Sự chênh lệch điện áp giữa các mô-đun của S2 dẫn đến việc diode bypass hoạt động, tạo ra một đường cong P-V cho S2 với hai LMs khác nhau.
30 bóng mờ một phần, việc kích hoạt các điốt bằng đường vòng biến đổi đường cong P-V thành đường cong phức tạp hơn - đặc trưng bởi nhiều LM
Hình 2 19 Đồ thị mối tương quan P-V khi có hiện tượng bóng che
Các đặc tính P-V của tấm PV trong điều kiện bình thường được thể hiện qua Hình 2.2 Tuy nhiên, Hình 2.19 cho thấy rằng các đặc tính P-V của mảng PV có thể bị ảnh hưởng bởi bóng che trong các điều kiện khác nhau Đường cong P-V có nhiều đỉnh, dẫn đến sự xuất hiện của nhiều điểm công suất cực đại (MPP), trong đó có ba điểm được xác định Trong số này, chỉ có một MPP toàn cục với giá trị cao nhất và hai MPP địa phương.
Theo dõi điểm công suất cực đại (MPP) là yếu tố quan trọng trong hệ thống quang điện, đặc biệt khi hệ thống mở rộng và phải đối mặt với điều kiện môi trường không đồng nhất Các kỹ thuật MPPT truyền thống thường hoạt động hiệu quả trong điều kiện đồng nhất, nơi chỉ có một MPP Tuy nhiên, trong môi trường không đồng nhất, với sự hiện diện của các điốt bypass trong mạch, đường đặc tính công suất - điện áp trở nên phức tạp hơn, dẫn đến sự xuất hiện của nhiều MPP Do đó, các kỹ thuật MPPT thông thường có thể không theo kịp MPP lớn nhất, gây ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống.
Bài viết này phân tích 31 tổn thất năng lượng đáng kể trong hệ thống năng lượng mặt trời (PV) Luận văn đánh giá các phương pháp nhằm giảm thiểu sự phức tạp do điều kiện môi trường không đồng đều gây ra trong hoạt động của hệ thống PV.
Các tế bào quang điện (PV) hoạt động với dòng điện và điện áp thấp, thường được kết nối theo chuỗi nối tiếp và sau đó là song song để tạo thành mô-đun PV Những mô-đun này tiếp tục được kết nối thành chuỗi và song song để hình thành các mảng quang điện.
V và P-V của ba mô-đun kết nối với nhau trong điều kiện môi trường thống nhất được thể hiện trong Hình 2.20
Khi tất cả các tế bào trong một mô-đun hoặc các mô-đun trong một mảng đều trải qua cùng điều kiện môi trường, đặc tính I-V và P-V chỉ đơn giản là mở rộng từ tế bào đơn lẻ Tuy nhiên, nếu một tế bào trong chuỗi bị che khuất, khả năng đầu ra của toàn bộ chuỗi sẽ bị giới hạn bởi tế bào bị che khuất nhiều nhất Để giảm thiểu tác động này, diode bypass được sử dụng để cung cấp một đường dẫn thay thế, ngăn ngừa sự hình thành điểm nóng và tổn hại cho tế bào PV Khi điều kiện môi trường không đồng nhất xảy ra, các đặc tính trở nên phức tạp hơn, với ba điểm có thể là Điểm năng lượng cực đại (MPP), nhưng chỉ một trong số đó là GMPP thực tế toàn cục (GMPP), và hoạt động tại các điểm khác có thể làm giảm đáng kể công suất.
Các chiến lược MPPT được phát triển nhằm tối ưu hóa khả năng theo dõi công suất tối đa của hệ thống PV dưới ảnh hưởng của bức xạ khác nhau như 1000W/m2, 700W/m2 và 300W/m2 Nhiều kỹ thuật MPPT sử dụng gradient của đường cong P-V để xác định điểm công suất tối đa (MPP), như đã được đề cập trong các nghiên cứu [36-39] Tuy nhiên, các phương pháp này có thể theo dõi điểm công suất tối đa ở mức độ toàn cục hoặc cục bộ mà không có cơ chế phân biệt rõ ràng giữa hai loại này.
Các kỹ thuật MPPT phổ biến như theo dõi và quan sát (P&O), tăng tổng dẫn (INC), điện áp mạch hở và dòng ngắn mạch, cùng với các phương pháp khác, chủ yếu được thiết kế cho điều kiện môi trường đồng nhất và chỉ xác định được cực đại đầu tiên Trong các điều kiện không đồng nhất, những kỹ thuật này có thể dẫn đến việc thu năng lượng từ hệ thống thấp hơn so với năng lượng PV thực tế Ngoài ra, các hạn chế khác bao gồm tốc độ theo dõi chậm và khả năng ổn định kém, không phân biệt được cực đại toàn cục hay cục bộ, và chỉ hoạt động hiệu quả trong một số điều kiện không đồng nhất nhất định Cuối cùng, những kỹ thuật này cũng dễ bị ảnh hưởng bởi các thông số hệ thống thay đổi theo thời gian, dẫn đến nhầm lẫn trong các điều kiện môi trường biến đổi nhanh chóng.
[46] và tổn thất công suất trong các phép đo như điện áp hở mạch và Dòng ngắn mạch
Trong môi trường ngoài trời, độ chiếu sáng có thể thay đổi nhanh chóng, và trên các hệ thống năng lượng mặt trời (PV) lớn, hiện tượng bóng che do mây có thể xảy ra Các trở ngại như cây cối và tòa nhà cũng gây ra hiện tượng che bóng các bộ phận trong hệ thống Luận văn này nghiên cứu sự kết hợp của bóng tĩnh từ các vật thể để hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của chúng đối với hiệu suất của hệ thống PV.
Điều kiện bóng che từng phần (Partial Shading Conditions - PSC) xảy ra khi 33 bóng động từ việc mây che phủ ảnh hưởng đến hiệu suất của các tấm pin mặt trời Trong các điều kiện đồng nhất, kỹ thuật theo dõi điểm công suất tối đa (MPPT) yêu cầu khả năng theo dõi nhanh, phản ứng kịp thời với biến động môi trường, và hiệu suất cao trong phạm vi công suất rộng Tuy nhiên, trong điều kiện PSC, MPPT cần phải theo dõi điểm cực đại toàn cục (GMPP) thay vì chỉ điểm cực đại địa phương Kỹ thuật GMPPT yêu cầu khả năng xác định nhanh chóng điểm cực đại toàn cục dưới các điều kiện thay đổi, đồng thời đảm bảo chi phí hợp lý và giảm thiểu độ phức tạp trong triển khai mà không phụ thuộc vào các tham số hệ thống.
Luận văn này đề xuất giải pháp nhằm xử lý các điều kiện bức xạ thay đổi nhanh chóng, trong đó chỉ ra những hạn chế của các kỹ thuật MPPT thông thường như P&O và INC không thể đáp ứng.
ĐỀ XUẤT THUẬT TOÁN ĐÁP ỨNG CÁC ĐIỀU KIỆN THAY ĐỔI
Phân tích các đường cong đặc trưng trong điều kiện PSC
Để tránh việc quét ngẫu nhiên toàn bộ điện áp của pin, việc xác định sự hiện diện của PSC là rất quan trọng Khi một dãy PV hoạt động dưới điều kiện bức xạ mặt trời đồng nhất, mỗi mô đun PV hoạt động như một nguồn năng lượng đồng nhất về điện áp, dòng điện và công suất Tuy nhiên, trạng thái này sẽ bị thay đổi khi có sự xuất hiện của bóng che.
Hình 3 1 Cấu hình pin NLMT với hai mức bức xạ khác nhau
Hình 3.2 (a) Các đường đặc tính P-V và I-V trong các điều kiện bóng che khác nhau Mảng PV không bị bóng che
Hình 3 2 (b) Các đường đặc tính P-V và I-V trong các điều kiện bóng che khác nhau
Một module PV bị bóng che với mức bức xạ 400W/m2
Hình 3.2 (c) Các đường đặc tính P-V và I-V trong các điều kiện bóng che khác nhau Hai module PV bị bóng che với mức bức xạ 400W/m2
Hình 3.2 (d) Các đường đặc tính P-V và I-V trong các điều kiện bóng che khác nhau Ba module PV bị bóng che với mức bức xạ 400W/m2
Hình 3 3 Điện áp ngõ ra mỗi mô đun với công suất ngõ ra
Hình 3 4 Công suất đầu ra của module PV với điện áp đầu ra mô đun không bị che và điện áp đầu ra module bị che
Hình 3.2 (c) minh họa một ví dụ trong phân tích, trong đó các mô-đun nối tiếp được tiếp xúc với hai cường độ bức xạ mặt trời khác nhau là 1000 và 400 W/m² Điện áp của các mô-đun này hoàn toàn khác nhau, dẫn đến hai đỉnh riêng biệt trên đường cong P-V Phần A của đường cong chứa đỉnh trái (đường cong D-A-C), trong khi phần B chứa đỉnh phải.
Trong phần A của đường cong C-B-E, dòng điện của mô-đun quang điện (PV) lớn hơn dòng điện tối đa mà mô-đun có thể sản xuất khi bị bóng che (M3 và M4) Kết quả là, dòng điện sẽ chảy qua diode đấu ngược của mỗi mô-đun Ở giai đoạn này, chỉ có PV M1 và M2 cung cấp nguồn điện, trong khi PV M3 và M4 bị bỏ qua nhờ các điốt.
Điện áp của mô đun PV với công suất ra được thể hiện trong Hình 3.3 (a) và 3.3 (b) Trong phần A, điện áp của PV M3 và M4 xấp xỉ âm 0.7 V, tương ứng với điện áp chuyển tiếp của diode, cho thấy rằng điện áp mô đun có thể dùng để ước tính tình trạng che bóng một phần Ở phần B, tất cả các mô đun PV đều cung cấp năng lượng, nhưng điều kiện làm việc khác nhau giữa các mô đun không bị bóng che và bị bóng che do nhận được lượng bức xạ mặt trời khác nhau.
Điện áp của các mô đun không bị bóng che (đường cong C-B-E) luôn cao hơn so với mô-đun bị bóng che, như thể hiện trong Hình 3.4 Điều này rõ ràng cho thấy ảnh hưởng của bóng che một phần.
Theo phân tích trên, một số các quan sát được tóm tắt lại như sau:
− Các đường cong I-V trong điều kiện bóng che một phần có nhiều bước, trong khi các đường cong P-V được đặc trưng bởi nhiều đỉnh
Số lượng đỉnh trên mảng PV tương ứng với các mức độ bức xạ khác nhau, và mỗi đỉnh đều có thể là điểm công suất tối đa (GMPP).
Điện áp của mô đun PV thay đổi tùy theo mức độ bức xạ mặt trời mà nó nhận được Giá trị điện áp này bị ảnh hưởng bởi một diode, với điện áp của mô đun PV bằng với giá trị âm của điện áp diode tại lớp tiếp giáp PN.
Giải thuật đề xuất tìm điểm MPPT khi các dãy pin bị bóng che một phần (Mức bức xạ trên các PV bị che là đồng đều)
Hình 3 5 Các dãy pin màu đen có mức bức xạ (Ir@0W/m2) với dãy pin màu trắng có mức bức xạ (Ir00W/m2) trên một mảng PV
Trong hình minh họa 3.5, chúng ta nhận thấy rằng trên một mảng PV, các module bị bóng che một phần đều có mức bức xạ chung là 400W/m2, trong khi các module không bị che đạt mức bức xạ 1000W/m2 Điều này cho thấy rằng mặc dù mảng PV bị bóng che một phần, mức bức xạ của các pin bị che vẫn đồng nhất Thuật toán được trình bày dưới đây áp dụng cho trường hợp này và đã được kiểm chứng trong phần kết quả mô phỏng ở Chương 4.
Thuật toán MPPT cải tiến được trình bày trong hình 3.6 nhằm theo dõi GMPP trong điều kiện bóng che một phần, bắt đầu với giá trị điện áp tham chiếu (V ref) là 85% điện áp hở mạch (V oc) và số lượng module PV (N) Dưới bức xạ mặt trời đồng nhất, chỉ có một đỉnh trong đường cong P-V, cho phép các phương pháp MPPT truyền thống như P & O hoạt động hiệu quả Khi bóng che xảy ra, thuật toán duy trì hoạt động tại GMPP bằng cách liên tục thực hiện phương pháp P & O và lưu trữ thông tin về công suất và điện áp của dãy PV Một chương trình ngắt định thời được sử dụng để kiểm tra thường xuyên điều kiện bóng Khi điện áp mô đun PV lớn hơn một điện áp khác tại cùng một điểm, điều này cho thấy bóng che đã xảy ra Nếu sự sai số tuyệt đối giữa hai điện áp này lớn hơn một hằng số xác định, "Chương trình chính" sẽ gọi "chương trình con theo GMPP" để xác định GMPP mới và chuyển quyền kiểm soát trở lại, đảm bảo duy trì hoạt động tại GMPP mới.
Chương trình con theo dõi GMPP xác định vị trí của MPP cuối cùng trên đường cong P-V Khi điện áp của mô đun PV nhỏ hơn 0, điều này cho thấy đỉnh MPP là đỉnh cuối cùng bên trái trên đường cong P-V, và điện áp tham chiếu của đỉnh cần được đặt khoảng 85% điện áp hở mạch V oc Sau đó, kỹ thuật MPP thông thường như P & O được áp dụng để theo dõi đỉnh này.
Nếu 39 nhỏ hơn 0, đỉnh MPP sẽ là đỉnh cuối cùng bên phải trên đường cong P-V, chia các mô-đun PV thành hai nhóm điện áp Giá trị M (số lượng mô-đun theo nhóm điện áp) sẽ được xác định, trong đó nhóm điện áp nhỏ hơn (khối 12) sẽ không xuất ra công suất nào Điện áp tham chiếu của đỉnh trái lúc này khoảng 85% của 1M N / *V oc.
Kỹ thuật MPP được áp dụng để theo dõi đỉnh MPP mới và so sánh với MPP cuối cùng, từ đó xác định giá trị lớn nhất của hệ thống tại điểm GMPP Điện áp tham chiếu sẽ được đặt thành điện áp của GMPP thực sự, và tín hiệu điều khiển sẽ được truyền vào "Chương trình chính" để duy trì hoạt động tại GMPP cho đến khi có sự ngắt định thời.
Hình 3 6 Lưu đồ tìm MPPT cải tiến cho dãy pin bị bóng che một phần
(các mức bức xạ trên các pin bị che giống nhau)
Nhập số lượng PV moudule, N
2 Đo giá trị điện áp, dòng điện; Gọi thuật toán P&O
7 Gọi thuật toán tìm điểm GP
12 Chia các module điện áp
PV thành hai nhóm; tính toán số lượng PV module trong từng nhóm nhỏ, M
14 Đo giá trị V current , Gọi thuật toán P&O
16 Lưu trữ giá trị MPP: P max_last , V m_new
10 Đo giá trị điện áp và dòng điệng Gọi thuật toán P&O
9 V ref =0.85*V oc Đo giá trị V(n), I(n) Start
Để minh họa thuật toán, giả sử có một mảng PV như trong Hình 3.2(c) Các đỉnh địa phương, chẳng hạn như điểm B, được theo dõi bằng phương pháp P & O Việc xác định liệu MPP có đạt được hay không được kiểm tra qua dấu hiệu công suất trong hai sự nhiễu loạn tiếp theo Khi điểm B được theo dõi, thông tin hiện tại được lưu trữ với P max_last = 2112W và V m last = 73.7V Thuật toán đo điện áp mô đun V1 = V2 = 21.6V và V3 = V4 = 20.8V cho thấy phán đoán (Vi > Vj) được thiết lập, dẫn đến việc gọi "chương trình con theo dõi GMPP" Trong chương trình này, không có điện áp mô đun nào nhỏ hơn không, do đó các điện áp mô đun được chia thành hai nhóm (VV1,2 và VV3,4) với M = 2 Cuối cùng, điện áp tham chiếu mới được đặt là 36.04V, và phương pháp P & O tiếp tục được áp dụng để theo dõi đỉnh khác (điểm A), với thông tin mới là max_new = 2226.
P W, V m new _ 32.2V ) được lưu trữ Công suất đầu ra của MPP mới lớn hơn so với cái cũ, vì vậy điểm A là GMPP.
Giải thuật đề xuất tìm điểm MPPT khi bị bóng che một phần (Mức bức xạ trên các PV bị che là không đồng đều)
Mảng PV thường nhận tối đa hai mức độ bức xạ khác nhau khi có bóng che một phần Tuy nhiên, trong một số tình huống, mảng PV có thể trải qua nhiều hơn hai mức bức xạ Hình 3.7 minh họa các đặc tính của mảng trong những trường hợp này.
Trong hệ thống PV với bốn mô đun nối chuỗi và bốn mức độ bức xạ khác nhau, thuật toán hiện tại không còn phù hợp Tuy nhiên, các quan sát trước đó vẫn có giá trị Sau khi thực hiện một số sửa đổi trong chương trình con GMPP, các thuật toán trước có thể được áp dụng thành công cho các tình huống này mà không cần thay đổi "chương trình chính", giúp nó tiếp tục hoạt động hiệu quả Lưu đồ mới của chương trình con theo dõi GMPP được trình bày trong Hình 3.8.
Để xác định số lượng các mức độ bức xạ khác nhau trên một mảng PV, chương trình con theo dõi GMPP bắt đầu bằng cách theo dõi đỉnh cao nhất bên phải trên đường cong P-V Nếu điện áp mô đun PV không nhỏ hơn 0, MPP cuối cùng sẽ là đỉnh cuối cùng bên phải Nếu không, đỉnh cuối cùng bên phải sẽ được theo dõi đầu tiên và thông tin MPP sẽ được lưu trữ Tất cả các mô đun PV được chia thành các nhóm theo điện áp và cách sắp xếp, với các mô đun được dán nhãn từ điện áp thấp nhất (G1) đến điện áp cao nhất (Gq).
G 1G 2 G q Một chương trình con sẽ tính toán số lượng các mô đun
Trong mỗi nhóm (khối 7), số lượng các mức độ cách ly khác nhau chiếu xạ trên mảng PV được xác định bởi q Có (q-1) thông tin MPPs cần tìm, và quá trình theo dõi diễn ra từ đỉnh phải đến đỉnh trái Khi mảng PV hoạt động tại đỉnh thứ hai từ bên phải trên đường cong P-V, các mô đun có bức xạ thấp nhất sẽ không phát ra công suất, dẫn đến điện áp tham chiếu tương đương khoảng 85% của 1 N Mj / N * V oc (khối 9) Phương pháp tương tự được áp dụng để xác định tất cả các MPP khác (các khối 8-13) Bằng cách so sánh công suất của tất cả các đỉnh, GMPP thật sự sẽ được ghi nhận (khối 14) Cuối cùng, điện áp tham chiếu được đặt thành điện áp của GMPP (điểm MPPT cuối cùng) và được điều khiển truyền vào "Chương trình chính", duy trì hoạt động tại GMPP này cho đến khi ngắt hẹn giờ đến.
Hình 3 8 Lưu đồ chương trình con sửa đổi tìm MPPT mới với số bức xạ mặt trời nhiều hơn hai (các mức bức xạ khác nhau)
10 Đo giá trị điện áp mảng PV, Gọi thuật toán P&O
12 Lưu trữ giá trị MPP
1 }, V = điện áp tương ứng từ Pmax_last
4 Đo giá trị điện áp, dòng điện mảng PV, điện áp module PV;
6 Lưu trữ giá trị MPP
(G1
