Giới thiệu chung
Giới thiệu
Khủng hoảng năng lượng điện đang trở thành mối quan tâm hàng đầu của nhiều quốc gia, bao gồm cả Việt Nam Để đối phó với tình trạng này, các giải pháp sử dụng nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời, đã được đề xuất nhằm tạo ra điện năng bền vững.
Mặt trời là một khối cầu lửa khổng lồ, nơi diễn ra các phản ứng nhiệt hạch liên tục, tạo ra nguồn năng lượng dường như vô tận Những phản ứng này đã tồn tại hàng triệu năm mà chưa ai có thể dự đoán được thời điểm kết thúc Mặc dù cách trái đất hàng triệu km, mặt trời chỉ truyền một phần nhỏ năng lượng của nó xuống trái đất Năng lượng mặt trời không chỉ mang lại sự sống cho hành tinh mà còn có thể gây hại nghiêm trọng nếu không có tầng ô zôn và khí quyển bảo vệ.
Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch, khác biệt với các nguồn năng lượng khác như thủy điện, nhiệt điện và điện hạt nhân, vốn có thể gây ra những tác động tiêu cực đến môi trường Việc khai thác năng lượng mặt trời không chỉ phục vụ cho đời sống mà còn góp phần bảo vệ môi trường sinh thái, mang lại lợi ích cho sự phát triển bền vững của đất nước.
Năng lượng mặt trời đóng vai trò quan trọng trong sản xuất điện qua hệ thống pin quang điện (PV) Các ứng dụng của PV có thể phục vụ cho hộ gia đình, chiếu sáng công cộng, phương tiện di chuyển, quân sự và ứng dụng không gian, hoặc được kết nối với lưới điện quốc gia Tuy nhiên, trong các hệ thống PV hiện tại vẫn tồn tại hai vấn đề lớn cần được giải quyết.
- Hiệu suất chuyển đổi của năng lượng mặt trời thành năng lượng điện là rất thấp (9 ÷ 17%), đặc biệt là trong các điều kiện bức xạ thấp;
- Năng lượng điện được tạo ra bởi PV thay đổi liên tục dưới các điều kiện thời tiết khác nhau
Đặc tính V–I của pin năng lượng mặt trời (PV) là phi tuyến và biến đổi theo nhiệt độ và bức xạ Trên các đặc tuyến V–I hoặc V–P, tồn tại một điểm công suất cực đại (Maximum Power Point - MPP) duy nhất Vị trí của MPP không thể xác định trước, nhưng có thể được tính toán hoặc tìm kiếm qua các thuật toán trong quá trình vận hành Sau khi xác định MPP, các kỹ thuật bám MPP sẽ được áp dụng để đảm bảo rằng pin năng lượng mặt trời luôn hoạt động tại điểm công suất cực đại.
Kết nối hệ thống điện năng lượng mặt trời là một giải pháp hiệu quả cho việc lưu trữ năng lượng mặt trời, giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường do việc sử dụng ắc-quy.
Hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng của hệ thống PV có thể được tối ưu hóa để nâng cao hiệu quả khai thác Việc này không chỉ cải thiện năng suất mà còn giảm bớt áp lực lên các nguồn năng lượng truyền thống như thủy điện và nhiệt điện.
Lưu trữ năng lượng điện từ nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời, là một thách thức lớn Kết nối hệ thống điện năng lượng mặt trời với lưới điện quốc gia được coi là một giải pháp hiệu quả để giải quyết vấn đề này.
Với những lý do nêu trên, luận văn này tập trung vào việc nghiên cứu và phát triển phương pháp điều khiển để tối ưu hóa việc bám điểm công suất cực đại cho hệ thống pin mặt trời.
Tính cấp thiết của đề tài
Nguồn điện đang đối mặt với áp lực từ sự cạn kiệt các nguồn nhiên liệu sơ cấp truyền thống như nước và nhiên liệu hóa thạch Để giảm thiểu gánh nặng này và nâng cao hiệu quả khai thác năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời, nghiên cứu về điều khiển bám điểm công suất cực đại và kết nối lưới cho hệ thống điện năng lượng mặt trời là vô cùng cần thiết.
Đối tượng nghiên cứu
Các nghiên cứu sẽ được thực hiện trên mô hình hệ thống điện năng lượng mặt trời bao gồm:
- Hệ thống pin quang điện, PV
- Bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại.
Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu của đề tài là:
- Khảo sát tình hình khai thác và sử dụng năng lượng điện mặt trời ở Việt Nam
- Tổng quan các kết quả nghiên cứu đã đạt được liên quan đến đề tài
- Nghiên cứu lý thuyết pin quang điện (PV)
Nghiên cứu các thuật toán bám điểm công suất cực đại cho hệ thống năng lượng mặt trời (PV) dưới các điều kiện bức xạ và nhiệt độ khác nhau nhằm tối ưu hóa năng lượng thu được là rất quan trọng Việc áp dụng các thuật toán này giúp cải thiện hiệu suất của hệ thống PV, từ đó tăng cường khả năng khai thác nguồn năng lượng tái tạo hiệu quả hơn.
Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
Đề tài "Nghiên cứu điều khiển bám điểm công suất cực đại của một hệ pin mặt trời" nhằm mục tiêu tối ưu hóa hiệu suất năng lượng từ hệ thống pin mặt trời Nội dung nghiên cứu sẽ tập trung vào việc phát triển các phương pháp điều khiển hiệu quả, giúp hệ thống duy trì công suất hoạt động ở mức tối đa trong các điều kiện ánh sáng khác nhau.
- Khảo sát tình hình khai thác và sử dụng năng lượng điện mặt trời ở Việt Nam
- Nghiên cứu các đặc tính của PV
- Nghiên cứu và xây dựng một hệ thống điện sử dụng năng lượng mặt trời thông qua PV
- Nghiên cứu điều khiển bám điểm công suất cực đại của một hệ thống điện năng lượng mặt trời thông qua PV
- Mô phỏng nguyên lý làm việc của hệ thống điện sử dụng năng lượng mặt trời thông qua PV
- Mô phỏng điều khiển bám điểm công suất cực đại của một hệ thống điện sử dụng năng lượng mặt trời thông qua PV.
Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu các tài liệu về điều khiển bám điểm công suất cực đại của một hệ thống điện năng lượng mặt trời sử dụng PV
- Phân tích, tổng hợp và đề xuất thuật toán điều khiển bám điểm công suất cực đại của một hệ thống điện năng lượng mặt trời sử dụng PV.
Bố cục của luận văn
Bố cục của luận văn gồm 6 chương:
+ Chương 2: Tổng quan tình hình nghiên cứu và khai thác nguồn năng lượng điện mặt trời
+ Chương 4: Giải thuật bám điểm công suất cực đại
+ Chương 5: Mô phỏng điều khiển bám điểm công suất cực đại của một hệ pin mặt trời
+ Chương 6: Kết luận và hướng phát triển tương lai
Tổng quan tình hình nghiên cứu và khai thác nguồn năng lượng mặt trời
Cấu trúc mặt trời
Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1,39010 6 km (lớn hơn
Khoảng cách từ Mặt Trời đến Trái Đất là 150 triệu km, tương đương với 1 đơn vị thiên văn (AU), và ánh sáng Mặt Trời cần khoảng 8 phút để di chuyển quãng đường này Điều này tương đương với 110 lần đường kính của Trái Đất.
Khối lượng của Mặt Trời khoảng 2×10^30 kg, với nhiệt độ trung tâm dao động từ 10×10^6 K đến 20×10^6 K, trung bình khoảng 15,6×10^6 K Ở nhiệt độ này, vật chất không giữ được cấu trúc thông thường mà trở thành plasma, trong đó các hạt nhân nguyên tử chuyển động tách biệt với electron Khi các hạt nhân va chạm, sẽ xảy ra các vụ nổ nhiệt hạch Các nhà khoa học đã quan sát tính chất của vật chất nguội hơn trên bề mặt Mặt Trời và kết luận rằng có phản ứng nhiệt hạch diễn ra trong lòng Mặt Trời.
Hình 2.1 Cấu trúc của mặt trời
Mặt trời được cấu trúc thành bốn vùng chính, tạo thành một khối cầu khí khổng lồ Vùng trung tâm, gọi là nhân hay “lõi”, diễn ra các chuyển động đối lưu và phản ứng nhiệt hạt nhân, sản sinh ra nguồn năng lượng mặt trời Vùng này có bán kính khoảng 175.000 km.
160 kg/dm 3 , nhiệt độ ước tính từ 14 đến 20 triệu độ, áp suất vào khoảng hàng trăm tỷ atmotphe
Vùng trung gian, hay còn gọi là vùng “đổi ngược”, là nơi năng lượng được truyền từ bên trong ra bên ngoài, bao gồm các nguyên tố như sắt (Fe), canxi (Ca), natri (Na), stronti (Sr), crôm (Cr), niken (Ni), cacbon (C), silic (Si) và các khí như hiđrô (H2), hêli (He), với chiều dày khoảng 400.000 km Tiếp theo là vùng “đối lưu” dày 125.000 km, và vùng “quang cầu” có nhiệt độ khoảng 6.000 K, dày 1.000 km, nơi xuất hiện các bọt khí sôi sục, cùng với các vết đen là các hố xoáy có nhiệt độ thấp khoảng 4.500 K, và các tai lửa có nhiệt độ từ 7.000 K đến 10.000 K.
Vùng ngoài cùng của Mặt trời, được gọi là "khí quyển", có nhiệt độ bề mặt khoảng 5.762 K, đủ cao để các nguyên tử tồn tại trong trạng thái kích thích và cũng cho phép sự xuất hiện của các nguyên tử bình thường và cấu trúc phân tử Phân tích các phổ bức xạ và hấp thụ cho thấy Mặt trời chứa ít nhất 2/3 số nguyên tố tìm thấy trên Trái đất, với nguyên tố phổ biến nhất là Hydrogen, chiếm khoảng 73,46% Hêlium đứng thứ hai với gần 24,85%, trong khi các nguyên tố khác như Oxygen (0,77%), Carbon (0,29%), Iron (0,16%), và một số nguyên tố khác như Neon, Nitrogen, Silicon, Magnesium, và Sulphur có mặt với tỷ lệ rất nhỏ.
Nguồn năng lượng bức xạ chính của Mặt trời đến từ phản ứng nhiệt hạch tổng hợp hạt nhân Hyđrô, tạo ra Hêli Hạt nhân Hyđrô chứa proton, một hạt mang điện dương Dưới điều kiện nhiệt độ cao, chuyển động nhanh của các hạt này cho phép chúng tiến gần nhau, vượt qua lực đẩy giữa các hạt cùng dấu.
Tài liệu HUTECH cho thấy rằng dưới tác dụng của các lực hút, 4 hạt nhân Hyđrô có thể kết hợp với nhau để tạo ra 1 hạt nhân Hêli, 2 Neutrino và một lượng bức xạ.
Neutrino là hạt không mang điện, có độ bền cao và khả năng xuyên thấu mạnh mẽ Sau khi hình thành từ các phản ứng, neutrino ngay lập tức thoát khỏi mặt trời và không tham gia vào các hiện tượng tiếp theo.
Trong quá trình phản ứng nhiệt hạch, Mặt Trời mất khoảng 4 triệu tấn khối lượng mỗi giây, nhưng trạng thái của nó sẽ không thay đổi trong hàng tỷ năm tới Hằng ngày, Mặt Trời sản xuất năng lượng lên đến 9 x 10^24 kWh, tương đương với lượng điện năng mà Trái Đất sản xuất trong một năm chỉ trong chưa đầy một phần triệu giây.
Quỹ đạo của trái đất quanh mặt trời
Trái đất quay quanh mặt trời theo quỹ đạo hình elip, với một vòng quay kéo dài 365,25 ngày Điểm cận nhật, khi trái đất gần mặt trời nhất, xảy ra vào ngày 2 tháng 1, với khoảng cách khoảng 147 triệu km Ngược lại, điểm viễn nhật, nơi trái đất xa mặt trời nhất, diễn ra vào một thời điểm khác trong năm.
3 tháng 7, lúc đó nó cách mặt trời khoảng 152 triệu km
Trong đó: n: ký hiệu của ngày đầu tiên trong tháng, ví dụ như ngày 1 tháng 1 thì n = 1, ngày 31 tháng 12 thì n = 365
Bảng 2.1 Bảng ngày số n của ngày đầu tiên của mỗi tháng
Tháng Một Hai Ba Bốn Năm Sáu Bảy Tám Chín Mười Mười một
Góc cao độ của mặt trời vào buổi trưa
Mặt trời mọc ở hướng đông và lặn ở hướng tây, đạt độ cao tối đa vào giữa ngày Hình 2.2 cho thấy Trái Đất quay quanh Mặt Trời, khiến việc xác định góc của Mặt Trời so với mặt phẳng Trái Đất trở nên khó khăn.
Hình 2.2 Quỹ đạo trái đất quay quanh mặt trời
Trái đất được coi là cố định và quay quanh trục Bắc-Nam, trong khi mặt trời di chuyển từ từ trong không gian theo tiến độ mùa Vào ngày 21 tháng 6, mặt trời đạt điểm cao nhất và tạo thành một góc 23,45 độ với mặt phẳng xích đạo khi kẻ một tia từ trung tâm trái đất đến trung tâm mặt trời Góc này, được gọi là góc thiên độ (δ), thay đổi khi trái đất di chuyển và dao động trong khoảng từ -23,45 độ đến 23,45 độ.
Một cách tính xấp xỉ gần đúng cho rằng một năm có 365 ngày và đặt xuân phân vào ngày n = 81 Khi ấy, góc δ sẽ được tính:
Hình 2.3 Một cách nhìn quỹ đạo trái đất để dễ tính góc δ
Từ công thức (2.3) ta có thể tính được góc δ:
Bảng 2.2 Bảng thống kê góc δ của ngày 21 mỗi tháng
Tháng Một Hai Ba Bốn Năm Sáu Bảy Tám Chín Mười Mười một
Hình 2.3 không thể hiện quỹ đạo của trái đất quanh mặt trời, nhưng lại hữu ích trong việc hiển thị các vĩ độ và góc tính toán thu nhận năng lượng mặt trời Cụ thể, nó cho thấy góc cao độ βN của mặt trời vào buổi trưa, là góc giữa tia sáng mặt trời và đường chân trời.
Hình 2.4 Góc cao độ mặt trời
Góc cao độ của mặt trời vào buổi trưa là một thông số quan trọng để tham chiếu với việc tính toán về năng lượng mặt trời
Bức xạ mặt trời
Bức xạ mặt trời chủ yếu liên quan đến các phản ứng hạt nhân trong nhân mặt trời, nhưng chỉ chiếm khoảng 3% tổng bức xạ Khi bức xạ γ đi qua lớp vật chất dày 5.10^5 km, nó bị biến đổi mạnh mẽ Tất cả các dạng bức xạ điện từ đều có bản chất sóng và khác nhau ở bước sóng, trong đó bức xạ γ là sóng ngắn nhất Khi di chuyển ra khỏi tâm mặt trời, năng lượng của bức xạ này giảm do va chạm hoặc tán xạ, dẫn đến sự chuyển đổi thành bức xạ Rơngen với bước sóng dài hơn Gần bề mặt mặt trời, nơi nhiệt độ đủ thấp để tồn tại vật chất ở trạng thái nguyên tử, các cơ chế khác bắt đầu hoạt động Bức xạ mặt trời truyền trong không gian có phổ rộng, với cường độ bức xạ tối đa nằm trong dải 10^-1 - 10^6, và gần một nửa tổng năng lượng mặt trời tập trung trong khoảng bước sóng 0,38 - 0,78 μm, thuộc vùng nhìn thấy của phổ.
Hình 2.5 Dải bức xạ điện từ
Bức xạ trực xạ là chùm tia truyền thẳng từ Mặt trời, trong khi tổng xạ là sự kết hợp giữa bức xạ trực xạ và bức xạ tán xạ Mật độ dòng bức xạ trực xạ ngoài lớp khí quyển được tính cho 1m² bề mặt vuông góc với tia bức xạ.
: hệ số góc bức xạ giữa trái đất và mặt trời
C0=5,67 W/m 2 K 4 : hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối;
TW62 0 K: nhiệt độ bề mặt mặt (xem giống như vật đen tuyệt đối)
Hình 2.6 Góc nhìn mặt trời
Khoảng cách giữa Trái đất và Mặt trời thay đổi theo mùa, dẫn đến sự thay đổi của β và q Tuy nhiên, độ thay đổi này không lớn, vì vậy q có thể được coi là không đổi và được gọi là hằng số mặt trời.
Khi đi qua khí quyển Trái đất, bức xạ bị hấp thụ và tán xạ bởi tầng ôzôn, hơi nước và bụi, chỉ một phần năng lượng đến được bề mặt Ôxy phân tử O2 bị phân ly thành ôxy nguyên tử O cần photon có bước sóng ngắn hơn 0,18μm, dẫn đến sự hấp thụ hoàn toàn của các photon này Phần lớn nguyên tử ôxy kết hợp để tạo thành ôzôn O3, cũng hấp thụ bức xạ tử ngoại nhưng ở mức độ thấp hơn Dưới tác động của photon có bước sóng ngắn hơn 0,32μm, O3 phân tách thành O2 và O Quá trình phân ly và hợp nhất này duy trì sự ổn định, khiến bức xạ tử ngoại biến đổi thành bức xạ có năng lượng thấp hơn khi đi qua khí quyển.
Bức xạ với bước sóng trong vùng nhìn thấy và hồng ngoại tương tác với các phân tử khí và hạt bụi mà không phá vỡ liên kết của chúng, dẫn đến hiện tượng tán xạ photon theo nhiều hướng, trong đó một số photon quay trở lại không gian Bức xạ tán xạ chủ yếu là bức xạ có bước sóng ngắn, tạo ra màu xanh lam của bầu trời trong sáng khi phản xạ từ khí quyển Các giọt nước cũng tán xạ mạnh bức xạ mặt trời Tuy nhiên, bức xạ mặt trời khi đi qua khí quyển còn bị hấp thụ bởi hơi nước, khí carbonic và các hợp chất khác, với mức độ hấp thụ mạnh nhất ở vùng hồng ngoại Trong những ngày quang đãng, năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới bề mặt trái đất đạt khoảng 1000W/m² vào thời điểm cao nhất.
Hình 2.7 Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển của trái đất
Cường độ bức xạ mặt trời tại một điểm trên Trái đất phụ thuộc vào quãng đường mà bức xạ đi qua, cùng với sự mất mát năng lượng do tán xạ và hấp thụ Những yếu tố này biến đổi theo thời gian trong ngày, mùa và vị trí địa lý Các mùa được hình thành bởi sự nghiêng của trục Trái đất khoảng 66,5 độ so với mặt phẳng quỹ đạo quanh Mặt trời, và sự nghiêng này gần như không thay đổi trong không gian Hướng nghiêng của trục quay Trái đất ảnh hưởng đến sự biến đổi độ dài ngày và đêm trong suốt năm.
Ứng dụng năng lượng mặt trời
Năng lượng mặt trời (NLMT) đã được con người sử dụng từ sớm, nhưng việc ứng dụng nó vào sản xuất quy mô lớn chỉ thực sự phát triển từ cuối thế kỷ 18, chủ yếu ở các khu vực nhiều ánh sáng mặt trời như sa mạc Sau các cuộc khủng hoảng năng lượng toàn cầu năm 1968 và 1973, NLMT càng trở nên quan trọng và thu hút sự chú ý của nhiều quốc gia công nghiệp phát triển.
Tài liệu HUTECH nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời, tập trung vào hai lĩnh vực chính Các ứng dụng năng lượng mặt trời hiện nay đang ngày càng phổ biến và đa dạng hóa, góp phần vào việc phát triển bền vững và bảo vệ môi trường.
Năng lượng mặt trời được chuyển đổi trực tiếp thành điện năng thông qua các tế bào quang điện bán dẫn, hay còn gọi là pin mặt trời Các pin mặt trời này sản xuất điện năng liên tục miễn là có bức xạ mặt trời chiếu tới.
Lĩnh vực thứ hai là khai thác năng lượng mặt trời dưới dạng nhiệt năng, trong đó chúng ta sử dụng các thiết bị thu thập bức xạ nhiệt mặt trời và lưu trữ nó dưới dạng nhiệt để phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau.
Việt Nam là nước có tiềm năng về NLMT, trải dài từ vĩ độ 8 0 Bắc đến
Việt Nam, nằm ở vĩ độ 23 0 Bắc, có cường độ bức xạ mặt trời cao với tổng xạ từ 100-175 kcal/cm².năm, mang lại tiềm năng lớn cho việc sử dụng năng lượng mặt trời (NLMT) Hiện nay, các thiết bị NLMT chủ yếu bao gồm hệ thống cung cấp điện bằng pin mặt trời, hệ thống nấu cơm bằng gương phản xạ, hệ thống cung cấp nước nóng, chưng cất nước, và ứng dụng NLMT cho động cơ nhiệt như động cơ Stirling Các nghiên cứu về ứng dụng NLMT trong làm lạnh cũng đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước.
Hình 2.8 Hệ thống pin mặt trời
Pin mặt trời là công nghệ sản xuất điện trực tiếp từ năng lượng mặt trời thông qua thiết bị biến đổi quang điện Ưu điểm nổi bật của pin mặt trời là tính gọn nhẹ, cho phép lắp đặt ở bất kỳ đâu có ánh sáng mặt trời, đặc biệt là trong lĩnh vực tàu vũ trụ Ứng dụng năng lượng mặt trời theo hình thức này đang phát triển nhanh chóng, đặc biệt ở các nước phát triển.
Ngày nay, pin năng lượng mặt trời (NLMT) đang dần thay thế nguồn năng lượng truyền thống trong việc vận hành xe Mặc dù vậy, giá thành của thiết bị pin mặt trời vẫn còn cao, trung bình khoảng 5 USD/WP, khiến cho ở các nước đang phát triển, chúng chủ yếu chỉ có thể cung cấp điện cho những vùng sâu, xa chưa có điện lưới quốc gia Tại Việt Nam, nhờ sự hỗ trợ từ một số tổ chức quốc tế, nhiều trạm pin mặt trời với công suất khác nhau đã được xây dựng để phục vụ nhu cầu sinh hoạt và văn hóa của các địa phương, đặc biệt là ở đồng bằng sông Cửu Long và Tây Nguyên Tuy nhiên, pin mặt trời vẫn còn là một sản phẩm xa xỉ đối với các nước nghèo như Việt Nam.
2.5.2 Nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời
Nhà máy điện mặt trời sử dụng năng lượng mặt trời (NLMT) để sản xuất điện bằng cách tạo nhiệt độ cao thông qua hệ thống gương phản chiếu và hội tụ Hệ thống này gia nhiệt cho môi chất làm việc, từ đó truyền động cho máy phát điện Hiện nay, công nghệ này đang được áp dụng trong các nhà máy nhiệt điện.
Tài liệu HUTECH đề cập đến các hệ thống thu năng lượng mặt trời (NLMT) chính, bao gồm: hệ thống parabol trụ, tập trung tia bức xạ mặt trời vào ống môi chất với nhiệt độ đạt tới 400 °C; hệ thống nhận nhiệt trung tâm sử dụng gương phản xạ định vị theo phương mặt trời, cho phép nhiệt độ vượt quá 1500 °C; và hệ thống gương parabol tròn xoay, cũng định vị theo phương mặt trời để tập trung NLMT vào bộ thu tại tiêu điểm, với nhiệt độ có thể lên đến trên 1500 °C.
Hình 2.10 Tháp năng lượng mặt trời
2.5.3 Động cơ Stirling chạy bằng năng lượng mặt trời
Hình 2.11 Động cơ Stirling dùng năng lượng mặt trời
Tài liệu HUTECH về ứng dụng năng lượng mặt trời (NLMT) trong việc vận hành động cơ nhiệt, đặc biệt là động cơ Stirling, đang ngày càng được nghiên cứu và áp dụng rộng rãi Các động cơ này được sử dụng để bơm nước sinh hoạt và tưới cây tại các nông trại Tại Việt Nam, động cơ Stirling chạy bằng NLMT đã được nghiên cứu và chế tạo, nhằm triển khai ứng dụng thực tiễn, như trong việc bơm nước sử dụng năng lượng mặt trời.
2.5.4 Thiết bị đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời Ứng dụng đơn giản, phổ biến và hiệu quả nhất hiện nay của NLMT là dùng để đun nước nóng Các hệ thống nước nóng dùng NLMT đã được dùng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới Ở Việt Nam hệ thống cung cấp nước nóng bằng NLMT đã và đang được ứng dụng rộng rãi ở Hà Nội, TP HCM và Đà Nẵng Các hệ thống này đã tiết kiệm cho người sử dụng một lượng đáng kể về năng lượng, góp phần rất lớn trong việc thực hiện chương trình tiết kiệm năng lượng của nước ta và bảo vệ môi trường chung của nhân loại
Hệ thống cung cấp nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời (NLMT) tại Việt Nam và trên toàn thế giới chủ yếu áp dụng bộ thu cố định kiểu tấm phẳng hoặc dãy ống có cánh nhận nhiệt Với nhiệt độ nước sử dụng đạt 60°C, hiệu suất của bộ thu khoảng 45%, tuy nhiên, khi sử dụng ở nhiệt độ cao hơn, hiệu suất sẽ giảm.
Hình 2.12 Hệ thống cung cấp nước nóng dùng năng lượng mặt trời
2.5.5 Thiết bị làm lạnh và điều hoà không khí dùng năng lượng mặt trời
Ứng dụng năng lượng mặt trời (NLMT) trong làm lạnh và điều hòa không khí đang trở thành xu hướng quan trọng, đặc biệt ở những vùng khí hậu nóng và thiếu điện lưới, như các nước đang phát triển Máy lạnh hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển đổi NLMT thành điện năng qua pin mặt trời, tuy nhiên, chi phí pin mặt trời vẫn còn cao Bên cạnh đó, hệ thống lạnh sử dụng NLMT dưới dạng nhiệt năng cho máy lạnh hấp thụ đang ngày càng được áp dụng, nhưng vẫn chưa phổ biến do giá thành cao và hiệu suất bộ thu thấp (dưới 45%), yêu cầu diện tích lắp đặt lớn Tại Việt Nam, một số nhà khoa học đã nghiên cứu tối ưu hóa bộ thu năng lượng mặt trời kiểu hộp phẳng mỏng có gương phản xạ, giúp tạo nhiệt độ cao cho máy lạnh hấp thụ, nhưng vẫn cần diện tích lắp đặt rộng.
Hình 2.13 Tủ lạnh dùng pin mặt trời
Hình 2.14 Hệ thống lạnh hấp thụ dùng năng lượng mặt trời
Hình 2.15 Hệ thống máy lạnh năng lượng mặt trời
2.6 Tình hình khai thác năng lượng mặt trời tại Việt Nam
Lãnh thổ Việt Nam trải dài từ vĩ độ 8 đến 23 độ Bắc, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời cao, với tổng trị số bức xạ đạt từ 100 đến 175.
Việc sử dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam mang lại hiệu quả kinh tế lớn, với giải pháp này được xem là tối ưu nhờ vào nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm và có trữ lượng dồi dào Phát triển ngành công nghiệp sản xuất năng lượng mặt trời (PV) không chỉ giúp thay thế nguồn năng lượng hóa thạch mà còn giảm phát thải khí nhà kính, góp phần bảo vệ môi trường Mặc dù nhiều quốc gia đã áp dụng năng lượng mặt trời như một giải pháp thay thế cho tài nguyên truyền thống, Việt Nam mới chỉ khai thác khoảng 25% nguồn năng lượng tái tạo này Với lãnh thổ trải dài, tiềm năng năng lượng mặt trời ở mỗi vùng của Việt Nam cũng khác nhau, được chia thành 5 vùng với các mức tiềm năng khác nhau.
Bảng 2.3 Tiềm năng năng lượng mặt trời tại Việt Nam
Năng lượng mặt trời trung bình (kcal/cm 2 năm)
Số giờ nắng trung bình năm (giờ/năm)
Tổng quan tình hình nghiên cứu
Các kỹ thuật tìm kiếm điểm công suất cực đại bao gồm thuật toán xáo trộn và giám sát (P&O), thuật toán gia tăng độ dẫn (InC), mạng nơ-rôn nhân tạo, và logic mờ Những phương pháp này có sự khác biệt về tính đơn giản, tốc độ hội tụ, độ phức tạp trong thực hiện ứng dụng thực nghiệm, cũng như chi phí thực hiện cho từng giải pháp.
Dựa trên thuật toán P&O, J Jiang, T Huang, Y Hsiao, và C Chen đã phát triển phương pháp so sánh 3 điểm, được xem như một phiên bản cải tiến của thuật toán P&O truyền thống, vốn chỉ so sánh 2 thời điểm Phương pháp này cho phép ra quyết định về việc tăng, giảm hay giữ nguyên giá trị điện áp bằng cách so sánh 3 thời điểm, giúp khắc phục những sai sót của thuật toán P&O trong điều kiện môi trường biến đổi nhanh chóng như cường độ bức xạ hay nhiệt độ Tuy nhiên, phương pháp so sánh 3 điểm cũng gặp phải một số hạn chế, đặc biệt khi cường độ bức xạ thay đổi mạnh và kéo dài so với chu kỳ lấy mẫu, dẫn đến khả năng xác định sai khi tất cả 3 điểm cùng tăng hoặc cùng giảm, từ đó ảnh hưởng đến độ chính xác trong việc điều chỉnh giá trị điện áp và hiệu quả của thuật toán.
Để khắc phục các khuyết điểm của thuật toán P&O truyền thống, D Sera, T Kerekes, R Teodorescu và F Blaabjerg đã phát triển một thuật toán bám điểm công suất cực đại cải tiến, sử dụng thêm các mẫu trung gian Thuật toán này giúp bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại hoạt động chính xác hơn khi cường độ sáng thay đổi tuyến tính Tuy nhiên, nhược điểm của nó là có thể hoạt động sai khi cường độ chiếu sáng thay đổi không tuyến tính.
M A Younis, T Khatib, M Najeeb và A M Ariffin [12] đã tiếp tục nghiên cứu để kết hợp công nghệ mạng nơ-rôn nhân tạo và thuật toán P&O cho việc xây dựng một bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại Các tác giả đã sử dụng mạng nơ-rôn nhân tạo để dự báo giá trị điện áp tối ưu của hệ thống PV sao cho có thể đạt được điểm công suất cực đại Cấu trúc mạng nơ-rôn được sử dụng trong nghiên cứu là cấu trúc lan truyền ngược với bốn tín hiệu ngõ vào mà tương ứng là cường độ bức xạ, nhiệt độ, hệ số nhiệt của dòng điện ngắn mạch và hệ số nhiệt độ của điện áp hở mạch của PV và tín hiệu ngõ ra của mạng nơ-rôn là giá trị điện áp tối ưu Các kết quả mô phỏng trong nghiên cứu
Bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại sử dụng công nghệ mạng nơ-rôn cho thấy khả năng đáp ứng nhanh hơn so với bộ điều khiển áp dụng thuật toán P&O Đồng thời, hiệu suất bám trung bình cũng được cải thiện đáng kể so với thuật toán P&O.
B Das, A Jamatia, A Chakraborti, P R Kasari và M Bhowmik [13] đã giới thiệu phương pháp chia đôi (Bisection method) cho bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ thống PV Thuật toán tìm ra được giá trị điện áp của mô-đun PV, tính toán công suất và cuối cùng là xác định và bám theo điểm công suất cực đại Các kết quả mô phỏng trong nghiên cứu này cũng được sử dụng để so sánh với các kết quả khác bằng việc sử dụng kỹ thuật P&O thông thường Kết quả so sánh cho thấy rằng phương pháp đề xuất có khả năng đạt được giá trị công suất cực đại nhanh hơn thuật toán P&O Tài liệu HUTECH
Pin quang điện
Giới thiệu
Mặt trời phát ra một dải bức xạ năng lượng rộng, nhưng không phải tất cả bức xạ đều có khả năng gây ra hiện tượng quang điện Chỉ những bức xạ có bước sóng tương ứng với năng lượng lớn hơn mức năng lượng kích hoạt electron mới có thể tạo ra hiện tượng này Hiện tượng ánh sáng có bước sóng ngắn làm bật electron ra khỏi bề mặt kim loại được gọi là hiện tượng quang điện, và các electron bị bật ra trong quá trình này được gọi là electron quang điện.
Phổ năng lượng mặt trời ảnh hưởng đến hiệu suất của pin mặt trời (PV), trong đó 20,2% năng lượng mặt trời bị tổn hao do không đủ năng lượng kích hoạt electron (hv < Eg) Thêm vào đó, 30,2% năng lượng bị mất ở các vùng năng lượng cao hơn (hv > Eg), dẫn đến chỉ 49,6% năng lượng hữu ích có thể được thu thập bởi PV.
Hình 3.1 Phổ năng lượng mặt trời
Chiều dài sóng (m) Công suất bức xạ (W/m2 m)
Chiều dài mức năng lượng kích hoạt 1,11m
Tài liệu HUTECH có thể được biến đổi thành điện năng Về cơ bản có 2 hình thức biến đổi:
- Quang năng được chuyển thành nhiệt năng và nhiệt năng được chuyển thành điện năng
- Quang năng được trực tiếp chuyển thành điện năng
Trong 2 hình thức phát điện trên, có thể nhận ra rằng hình thức thứ 2 với quang năng được chuyển đổi trực tiếp thành điện năng được nghiên cứu và khai thác mạnh mẽ hơn Hình thức khai thác này sẽ được thực hiện thông qua hệ thống PV (Photovoltaic, PV) mà được cấu thành từ các chất bán dẫn
Công nghệ năng lượng mặt trời (PV) sử dụng chất bán dẫn để chuyển đổi ánh sáng thành điện năng, tương tự như quy trình sản xuất các linh kiện bán dẫn như diode và transistor Nguyên liệu chính để sản xuất PV chủ yếu là tinh thể silicon, thuộc nhóm IV Có thể coi PV là phiên bản ngược lại của diode quang, khi mà diode quang nhận điện năng để phát ra ánh sáng, thì PV lại hấp thụ ánh sáng để tạo ra điện năng.
Bảng 3.1 Bảng phân loại tuần hoàn trích lược với tinh thể Silicon thuộc nhóm IV
29 Cu 30 Zn 31 Ga 32 Ge 33 As 34 Se
47 Ag 48 Cd 49 In 50 Sn 51 Sb 52 Te
Hình 3.2 Nguyên tắc chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện của PV
Mô hình đơn giản của PV được mô tả như sau, Hình 3.3 a) b) Hình 3.3 Mô hình đơn giản của PV
Sơ đồ thay thế đơn giản của PV
Sơ đồ thay thế đơn giản của PV được biểu diễn như sau, hình 3.4 [16]
Hình 3.4 Sơ đồ thay thế đơn giản của PV
Trong PV, hai tham số quan trọng của nó là dòng điện ngắn mạch, I sc và điện áp hở mạch, V 0c
Photon Điện nạp âm Photon
Các lỗ trống Điện nạp dương
Các tiếp điểm điện Electron
Tài liệu HUTECH a) Dòng điện ngắn mạch, I sc b) Điện áp hở mạch, V 0c
Hình 3.5 Các tham số quan trọng của PV: dòng điện ngắn mạch, I sc và điện áp hở mạch, V oc
Các đặc tuyến mô tả PV:
I: cường độ dòng điện của PV
I sc : cường độ dòng điện ngắn mạch của PV
V oc : điện áp hở mạch của PV
I 0 : dòng điện ngược của diode, có giá trị rất nhỏ khoảng 10 -12 A/cm 2 q: điện tích electron, q = 1,602.10 -19 (C) k: hằng số Boltzman, k = 1,381 x 10 -23 (J/K)
Trong điều kiện 25 0 C, ta có:
Sơ đồ thay thế của PV có xét đến các tổn hao
Trong thực tế, PV luôn có tổn hao, đặc trưng cho sự tổn hao này là các thông số
R s và R p Khi ấy, mô hình PV được mô tả như sau:
Hình 3.6 Mô hình thay thế PV có xét đến các tổn hao
Biểu thức đặc trưng của PV có xét đến các ảnh hưởng của R s và R p :
I 0 exp 1 (3.5) Đặc tính PV có xét đến các ảnh hưởng của R s và R p
Hình 3.7 Đặc tính PV có xét đến các ảnh hưởng của R s và R p
Module PV
Một khuyết điểm của PV là điện áp và dòng điện làm việc của nó rất nhỏ Một
Điện áp làm việc của pin mặt trời (PV) khoảng 0,5 V Để tăng điện áp làm việc, cần mắc nối tiếp nhiều pin PV, trong khi để tăng dòng điện, các pin PV phải được mắc song song.
Khi ấy, điện áp của module PV có thể được xác định như sau:
V module : điện áp của module PV n: số PV của module PV
R s : giá trị điện trở nối tiếp
Các đường đặc tính của một module PV được mô tả như sau:
Hình 3.9 Đặc tính của module PV
Mắc nối tiếp các cell
Mảng PV
3.5.1 Nối nối tiếp nhiều module PV
Hình thức này được sử dụng để nâng điện áp của hệ thống PV
Hình 3.10 Các module PV được kết hợp nối tiếp với nhau
3.5.2 Nối song song nhiều module PV
Hình thức này được sử dụng để nâng cường độ dòng điện của hệ thống PV
Hình 3.11 Các module PV được kết hợp song song với nhau
Hình thức này được sử dụng để nâng cả điện áp và cường độ dòng điện của hệ thống PV a) b)
Hình 3.12 Các module PV được kết hợp hỗn hợp với nhau
Các ảnh hưởng đến PV
Các PV có bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như cường độ chiếu sáng, nhiệt độ, hiện tượng bóng râm,
3.6.1 Ảnh hưởng của cường độ chiếu sáng
Cường độ chiếu sáng càng lớn thì công suất thu được của PV càng lớn, dòng Isc càng lớn, Hình 3.13
Hình 3.13 Đặc tuyến V-I của PV với các cường độ chiếu sáng khác nhau và nhiệt độ
3.6.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ
Nhiệt độ PV càng cao thì V oc càng thấp, Hình 3.14
Hình 3.14 Đặc tuyến V-I của PV với các nhiệt độ khác nhau và cường độ chiếu sáng không đổi 1 kW/m 2 Điện áp (V)
Cường độ chiếu sáng, 1 kW/m 2
Hiện tượng bóng râm xảy ra khi một phần của pin mặt trời (PV) bị che phủ, dẫn đến những tác động tiêu cực đến hiệu suất hoạt động của nó Ví dụ, nếu một pin mặt trời trong một mảng bị che khuất, hiệu suất tổng thể của hệ thống sẽ bị ảnh hưởng nghiêm trọng.
Hình 3.15 Module PV với n PV trong trường hợp module không bị che khuất
Hình 3.16 Module PV với n PV trong trường hợp module bị che khuất một phần
Khi ấy, điện áp của module PV sẽ là:
PV thứ n bị che khuất
Khi ấy, sụt áp gây ra bởi hiện tượng bóng râm được xác định như sau:
Mặt khác, do R p >> R s Khi ấy:
~ (3.12) Đặc tính của module PV khi bị ảnh hưởng bởi hiện tượng bóng râm được biểu diễn như hình 3.16
Hình 3.17 Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm đối với module PV
~ Đặc tuyến V-I với trường hợp PV không bị che khuất Đặc tuyến V-I với trường hợp PV bị che khuất Điện áp
Tài liệu HUTECH diễn như hình 3.18
Để giảm thiểu tác động của bóng râm lên mô-đun năng lượng mặt trời (PV), việc sử dụng các diode bypass là rất quan trọng Hình 3.18 minh họa sự khác biệt giữa PV không bị che khuất và PV bị che khuất, cho thấy rằng các diode bypass giúp bảo vệ hiệu suất của PV khi có hiện tượng che khuất xảy ra.
Hình 3.19 Module PV sử dụng diode bypass
Cường độ dòng điện (A) Điện áp (V)
Hình 3.20 Đặc tính của PV trong trường hợp sử dụng diode bypass
Xét một mảng PV dùng nạp điện cho một bộ ắc-quy, 65V khi không có và có diode bypass bảo vệ
Hình 3.21 Đánh giá so sánh giữa các trường hợp có và không có diode bypass
Bị che khuất với diode bypass
Bị che khuất và không sử dụng diode bypass Điện áp ắc-quy Điện áp (V)
I = 2,2 A a) Không bị che khuất b) Bị che khuất và không sử dụng dioide bypass b) Bị che khuất và sử dụng dioide bypass
Tài liệu HUTECH sát này có điện áp là 65 V Khi ấy, dựa vào đặc tuyến (V, I) của PV và giá trị điện áp
Khi mô-đun PV có điện áp 65 V và cường độ dòng điện 3,3 A, hiện tượng bóng râm che khuất sẽ làm cho mô-đun không còn hoạt động như một nguồn phát Dòng điện sẽ chạy qua điện trở song song R p, dẫn đến sự xuất hiện của điện áp rơi, được tính bằng công thức ΔV = I x.
Giá trị điện áp rơi, ΔV, cộng với điện áp của ắc-quy 65 V sẽ tạo ra điện áp trên các mô-đun PV còn lại, dẫn đến việc dòng điện sẽ giảm Khi các diode bypass được sử dụng, dòng điện sẽ chạy qua diode này, cho thấy rằng PV sẽ bị ảnh hưởng nhiều hơn khi hiện tượng che khuất xảy ra.
Các hệ thống PV ứng dụng
3.7.1 Hệ thống PV kết nối lưới
Hệ thống điện mặt trời kết lưới (PV) không chỉ gia tăng công suất cho lưới điện quốc gia mà còn giúp tiết kiệm chi phí điện cho hộ gia đình và doanh nghiệp ở các nước phát triển Đặc biệt, hệ thống này không yêu cầu thiết bị lưu trữ, vì công suất dư thừa có thể được cung cấp trực tiếp lên lưới Trong những năm gần đây, sự phát triển của hệ thống PV kết lưới đã tăng trưởng mạnh mẽ trên toàn cầu, với gần 1 tỷ watt hệ thống được lắp đặt tại Đức vào năm 2004.
Hệ thống điện mặt trời kết lưới cần được lắp đặt đúng cách và tuân thủ các tiêu chuẩn của chính phủ để đảm bảo hiệu quả sử dụng Chất lượng điện năng là yếu tố quan trọng quyết định sự hoạt động ổn định và hiệu suất của các hệ thống này.
Hình 3.22 Hệ thống PV kết nối lưới
Hệ thống năng lượng mặt trời (PV) độc lập là giải pháp thiết yếu cho các vùng nông thôn, vùng núi cao và khu vực hẻo lánh ở các nước đang phát triển, nơi mà lưới điện quốc gia chưa tiếp cận Nguồn điện từ hệ thống PV có thể cung cấp cho tải DC trực tiếp hoặc được chuyển đổi qua hệ thống nghịch lưu để cấp cho tải AC Bên cạnh đó, phần lưu trữ năng lượng đóng vai trò quan trọng trong việc giữ và phát lại năng lượng khi cần thiết.
Hình 3.23 Hệ thống PV độc lập
3.7.3 Hệ thống PV kết hợp
Trong các hệ thống lớn, hệ thống năng lượng mặt trời (PV) thường được kết hợp với máy phát diesel để đáp ứng đầy đủ nhu cầu năng lượng cho tải Hệ thống PV độc lập thường không đủ khả năng cung cấp nguồn năng lượng cần thiết, vì vậy việc kết hợp với máy phát giúp đảm bảo cung cấp đủ điện năng và tận dụng thêm năng lượng từ hệ thống PV.
Hình 3.24 Hệ thống PV kết hợp
+ Tình trạng, xu hướng phát triển tại Việt Nam:
Ứng dụng năng lượng mặt trời (NLMT) đang phát triển nhanh chóng, đặc biệt là ở các nước phát triển Hiện nay, NLMT được sử dụng để cung cấp năng lượng cho xe cộ, dần thay thế các nguồn năng lượng truyền thống.
Tại Việt Nam, nhờ sự hỗ trợ từ nhà nước và các tổ chức quốc tế, nhiều trạm pin mặt trời đã được xây dựng thành công với công suất đa dạng, phục vụ nhu cầu sinh hoạt và văn hóa của các địa phương vùng sâu, vùng xa, đặc biệt là những khu vực không có lưới điện Tuy nhiên, pin mặt trời vẫn còn được xem là sản phẩm xa xỉ đối với các nước nghèo như Việt Nam.
Ngành bưu chính viễn thông đang dẫn đầu trong việc phát triển ứng dụng pin mặt trời, cung cấp điện cho thiết bị thu phát sóng của bưu điện và trạm truyền hình vệ tinh Trong lĩnh vực hàng hải, pin mặt trời cung cấp điện cho hệ thống chiếu sáng, cột hải đăng và đèn báo sông Ngành công nghiệp sử dụng pin mặt trời làm nguồn điện dự phòng cho trạm biến áp 500 kV và thiết bị máy tính, đồng thời kết nối với lưới điện quốc gia Tại các hộ gia đình ở vùng sâu, vùng xa, pin mặt trời được sử dụng để thắp sáng và phục vụ nhu cầu giải trí như nghe đài, xem tivi Trong ngành giao thông đường bộ, pin mặt trời ngày càng được áp dụng để cung cấp điện cho cột đèn đường Để hiểu rõ hơn về tác dụng và tầm quan trọng của hệ thống pin mặt trời, chúng ta có thể tham khảo sơ đồ nguyên lý của hệ thống điện pin mặt trời nối lưới.
Khu vực phía Nam đang triển khai các dàn PMT để cung cấp ánh sáng và hỗ trợ sinh hoạt văn hóa cho những vùng nông thôn xa lưới điện Các trạm điện mặt trời có công suất từ 500 watt được lắp đặt nhằm cải thiện đời sống người dân.
Hệ thống năng lượng mặt trời với công suất 1.000 Wp đã được lắp đặt tại trung tâm xã, cung cấp điện cho ắc quy của các hộ gia đình Các dàn pin mặt trời (PMT) có công suất từ 250 - 500 Wp được sử dụng để chiếu sáng cho bệnh viện, trạm xá và các cụm văn hóa xã Hiện nay, khoảng 800 - 1.000 dàn PMT với công suất từ 22,5 - 70 Wp đã được lắp đặt và sử dụng cho các hộ gia đình Khu vực miền Trung có bức xạ mặt trời tốt và số giờ nắng cao, rất phù hợp cho việc ứng dụng PMT Hiện tại, miền Trung đang có hai dự án PMT lai ghép lớn nhất Việt Nam.
Hệ thống điện HUTECH, nằm tại xã Trang, huyện Mang Yang, tỉnh Gia Lai, có công suất 100 kWp cho hệ thống PMT và 25 kW cho thuỷ điện Dự án đã được đưa vào vận hành từ cuối năm 1999, cung cấp điện cho 5 làng và hiện đang được quản lý và vận hành bởi Điện lực Mang Yang.
Hình 3.25 Sơ đồ hệ thống điện gia đình
Dự án phát điện lai giữa PMT và động cơ gió có công suất 9 kW, trong đó PMT đạt 7 kW, được lắp đặt tại làng Kongu 2, huyện Đak Hà, tỉnh Kon Tum Dự án do Viện Năng lượng thực hiện và đã đi vào hoạt động từ tháng 11/2000, cung cấp điện cho 42 hộ gia đình thuộc cộng đồng dân tộc thiểu số.
Hệ thống điện do sở Công thương tỉnh quản lý và vận hành
Các dàn pin năng lượng mặt trời đã được lắp đặt tại các tỉnh Gia Lai, Quảng Nam, Bình Định, Quảng Ngãi và Khánh Hoà, phục vụ cho hộ gia đình với công suất từ 40 - 50 Wp Ngoài ra, các hệ thống này cũng được triển khai cho các trung tâm cụm xã và các trạm y tế xã với công suất từ 200 - 800 Wp.
Hệ thống điện sử dụng chủ yếu để thắp và truyền thông; đối tượng phục vụ là người dân, do dân quản lý và vận hành
Tại khu vực phía Bắc, việc triển khai các dàn pin mặt trời (PMT) đang diễn ra nhanh chóng, phục vụ nhu cầu điện cho các hộ gia đình ở vùng núi cao, hải đảo và các trạm biên phòng Công suất của các dàn pin dành cho hộ gia đình dao động từ 40 đến 75 Wp, đáp ứng hiệu quả nhu cầu sử dụng điện trong những khu vực khó khăn.
Tài liệu HUTECH trạm xá và các cụm văn hoá thôn, xã là 165 - 525 Wp
- Tại Quảng Ninh có hai dự án PMT do vốn trong nước (từ ngân sách) tài trợ:
Dự án PMT tại các đảo vùng Đông Bắc có tổng công suất lắp đặt khoảng 20 kWp, được thực hiện bởi Viện Năng lượng và Trung tâm Năng lượng mới thuộc Trường đại học Bách khoa Hà Nội Hệ thống điện chủ yếu phục vụ cho việc thắp sáng và truyền thông cho bộ đội, do đơn vị quản lý và vận hành.
Dự án PMT tại huyện đảo Cô Tô phục vụ các cơ quan hành chính và một số hộ dân, với tổng công suất lắp đặt đạt 15 kWp Dự án này được thực hiện bởi Viện Năng lượng và đã chính thức vận hành từ tháng 12 năm 2001.
Giải thuật bám điểm công suất cực đại
Giới thiệu
Một trong những vấn đề quan trọng cần chú ý trong các hệ thống năng lượng mặt trời (PV) là sự không tương thích giữa đặc tính hoạt động của tải và mảng PV Việc đảm bảo sự phù hợp giữa hai yếu tố này sẽ tối ưu hóa hiệu suất và hiệu quả sử dụng năng lượng, góp phần nâng cao hiệu quả của hệ thống năng lượng tái tạo.
Hình 4.1 Quan hệ điện áp và dòng điện của PV
Khi mảng PV được kết nối trực tiếp với tải, điểm làm việc của hệ thống là giao điểm giữa đường đặc tính V-I của PV và đường đặc tính tải Tuy nhiên, điểm này không nhất thiết là điểm có công suất lớn nhất (Maximum Power Point - MPP) Để tối ưu hóa hiệu suất, cần xây dựng thuật toán bám điểm công suất lớn nhất (Maximum Power Point Tracking - MPPT) Việc này rất quan trọng vì nó giúp giảm số lượng mảng PV cần thiết để đạt công suất mong muốn và tối ưu hóa chế độ hoạt động của hệ thống Cần lưu ý rằng vị trí của MPP không được biết trước và phụ thuộc vào cường độ bức xạ, nhiệt độ môi trường và tải Tuy nhiên, MPP có thể được tính toán thông qua việc mô hình hóa mảng PV và đo lường cường độ bức xạ cùng với nhiệt độ của mảng.
Trong những thập kỷ qua, nhiều phương pháp đã được phát triển và công bố nhằm xác định MPP Các kỹ thuật này có sự khác biệt đáng kể ở nhiều khía cạnh.
Tài liệu HUTECH đề cập đến các yêu cầu quan trọng như cảm biến, độ phức tạp, chi phí, phạm vi ảnh hưởng, tốc độ hội tụ, và độ chính xác khi chiếu xạ hoặc thay đổi nhiệt độ, cùng với phần cứng cần thiết cho việc thực hiện.
4.2 Giải thuật P&O (Perturbation and Observation) [19] Đây là thuật toán được sử dụng phổ biến nhờ sự đơn giản trong thuật toán và việc thực hiện dễ dàng Thuật toán này xem xét đến sự tăng giảm điện áp theo chu kỳ để tìm được điểm làm việc có công suất lớn nhất Nếu sự biến thiên của điện áp làm công suất tăng lên thì sự biến thiên tiếp theo sẽ giữ nguyên chiều hướng tăng hoặc giảm Ngược lại, nếu sự biến thiên làm công suất giảm xuống thì sự biến thiên tiếp theo sẽ có chiều hướng thay đổi ngược lại Khi điểm làm việc có công suất lớn nhất được xác định trên đường cong đặc tính thì sự biến thiên điện áp sẽ dao động xung quanh điểm làm việc có công suất lớn nhất đó chính là điểm MPP
Giải thuật P&O là một phương pháp leo đồi như hình vẽ sau:
Hình 4.2 Giải thuật P&O khi tìm điểm làm việc có công suất lớn nhất
Bảng 4.1 Bảng tóm tắt giải thuật P&O
Quan sát điện áp Công suất Thực hiện bước kế tiếp
Thuyết minh giải thuật P&O như sau:
- Nếu tăng điện áp, công suất thu được tăng, thì chu kỳ sau tiếp tục tăng điện áp
- Nếu tăng điện áp, công suất thu được giảm, thì chu kỳ sau giảm điện áp
- Nếu giảm điện áp, công suất thu được tăng, thì chu kỳ sau tiếp tục giảm điện áp
- Nếu giảm điện áp, công suất thu được giảm, thì chu kỳ sau tăng điện áp
Hình 4.3 Lưu đồ giải thuật P&O
Thuyết minh lưu đồ giải thuật P&O:
- Đặt giá trị đầu cho V, I, P
- Đo giá trị V, I, P ở thời điểm k
- Đo giá trị V, I và tính giá trị P ở thời điểm (k+1)
Nếu P(k+1) khác (Pk) thì xem xét:
P(k+1) > P(k) ? Sau đó, tiếp tục so sánh đến V(k+1) và V(k),
Cuối cùng, ra quyết định tăng hay giảm điện áp Điểm làm việc sẽ dao động xung quanh điểm cực đại
Giải thuật P&O phụ thuộc nhiều vào thời gian lấy mẫu so sánh Khi cường độ chiếu sáng ổn định, P&O hiệu quả trong việc tìm kiếm điểm cực đại Tuy nhiên, khi cường độ chiếu sáng thay đổi, thuật toán này gặp sai sót Sự thay đổi cường độ chiếu sáng làm đường cong công suất chuyển từ P1 sang P2.
Hình 4.4 Sự thay đổi điểm MPP theo gia tăng bức xạ
Khi hệ MPPT đang điều khiển pin quang điện tại điểm A và cường độ chiếu sáng tăng nhanh tại thời điểm (k+1), theo thuật toán P&O, nếu P[k+1] > P[k] và V[k+1] > V[k], hệ thống sẽ tăng điện áp và chuyển điểm làm việc đến điểm C, mặc dù đây không phải là điểm cực đại Nếu hệ MPPT áp dụng thuật toán P&O để dao động xung quanh điểm cân bằng, sau một vài chu kỳ hoạt động không chính xác, hệ thống sẽ điều chỉnh điểm làm việc về điểm MPP mới.
Nếu cường độ chiếu sáng tăng dần (hoặc giảm dần), giải thuật P&O vẫn có thể sai nếu chu kỳ lấy mẫu không phù hợp
Hệ thống MPPT không nhận diện được sự gia tăng công suất do thay đổi cường độ, mà chỉ phản ứng với sự dao động điện áp trong quá trình hoạt động Điều này dẫn đến việc thuật toán sẽ bị giảm hiệu quả.
Tài liệu HUTECH điện áp liên tục hoặc tăng điện áp liên tục, do nhận thấy công suất đo lúc sau vẫn lớn hơn lúc đầu
Nguyên nhân chính gây ra sự hoạt động sai của giải thuật P&O là không phân biệt được sự thay đổi công suất do biến đổi điện áp và sự thay đổi công suất do biến đổi cường độ sáng Đây là nhược điểm cơ bản của thuật toán này.
4.3 Giải thuật điện dẫn gia tăng InC (Incremental Conductance) [19] Đây là giải thuật khắc phục những nhược điểm của giải thuật P&O trong trường hợp điều kiện thời tiết thay đổi đột ngột Giải thuật này sử dụng tổng điện dẫn gia tăng của dãy pin quang điện để dò tìm điểm công suất cực đại Giải thuật được minh họa trong hình sau:
Thuật toán này dựa trên đặc điểm rằng độ dốc của đường đặc tính pin bằng 0 tại điểm MPP Cụ thể, độ dốc dP/dV là dương khi ở bên trái điểm MPP và âm khi ở bên phải điểm MPP Tại điểm cực đại MPP của pin quang điện, ta có dP/dV = 0; bên trái điểm MPP, dP/dV > 0 và bên phải điểm MPP, dP/dV < 0.
Nên ta cũng có thể viết lại là: dI/dV = - I/V, tại điểm MPP dI/dV > - I/V, bên trái điểm MPP dI/dV < - I/V, bên phải điểm MPP
Bằng cách so sánh giá trị điện dẫn tức thời (I/V) với giá trị điện dẫn gia tăng (ΔI/ΔV), thuật toán này xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất (MPP) Tại điểm MPP, điện áp chuẩn Vref = VMPP, và khi điểm MPP được xác định, hoạt động của pin được duy trì ở điểm này trừ khi có sự thay đổi dòng điện ΔI, phản ánh sự thay đổi điều kiện thời tiết Độ lớn của điện dẫn gia tăng ảnh hưởng đến tốc độ tìm kiếm điểm MPP; tuy nhiên, nếu điện dẫn gia tăng quá lớn, hệ thống có thể hoạt động không chính xác và gây dao động Phương pháp này có ưu điểm là cho kết quả tốt khi thời tiết thay đổi nhanh và dao động nhỏ hơn so với phương pháp P&O, nhưng nhược điểm là mạch điều khiển phức tạp và chi phí lắp đặt cao do cần hai cảm biến đo dòng điện và điện áp Dù vậy, sự phát triển của phần mềm và bộ xử lý hiện nay đã làm giảm chi phí của hệ thống này.
Lưu đồ giải thuật của thuật toán InC được thể hiện như sau:
Hình 4.6 Lưu đồ giải thuật InC
4.4 Giải thuật điện áp hằng số [19]
Thuật toán điện áp hằng số dựa trên việc phân tích đường cong V-I của pin quang điện Tỷ lệ giữa điện áp tối đa VMPP và điện áp hở mạch VOC được coi là hằng số, điều này cho thấy mối quan hệ ổn định giữa hai thông số này trong quá trình hoạt động của pin.
Các thuật toán điện áp không đổi có thể được thực hiện thông qua sơ đồ trong hình 4.7, trong đó bộ pin quang điện tạm thời được cô lập.
V(k-1) = V(k) I(k-1) = I(k) Đúng Sai Đúng Đúng Đúng
MPPT thực hiện phép đo VoC để xác định điểm hoạt động tối ưu Sau đó, MPPT sử dụng phương trình (4.1) cùng với các giá trị thiết lập của K để tính toán chính xác điểm hoạt động, điều chỉnh điện áp của pin quang điện cho đến khi đạt được giá trị tối ưu.
VMPP Hoạt động này được lặp đi lặp lại theo định kỳ để theo dõi vị trí của MPP
Giải thuật điện dẫn gia tăng InC (Incremental Conductance)
Giải thuật này khắc phục nhược điểm của giải thuật P&O khi điều kiện thời tiết thay đổi đột ngột, sử dụng tổng điện dẫn gia tăng của dãy pin quang điện để dò tìm điểm công suất cực đại Hình minh họa dưới đây thể hiện cách thức hoạt động của giải thuật này.
Thuật toán này dựa trên đặc điểm của độ dốc đường đặc tính pin, cụ thể là tại điểm MPP, độ dốc dP/dV bằng 0 Khi ở bên trái điểm MPP, độ dốc dP/dV là dương, trong khi ở bên phải điểm MPP, độ dốc dP/dV là âm Điều này thể hiện rõ ràng rằng tại điểm cực đại MPP của pin quang điện, dP/dV > 0 bên trái và dP/dV < 0 bên phải.
Nên ta cũng có thể viết lại là: dI/dV = - I/V, tại điểm MPP dI/dV > - I/V, bên trái điểm MPP dI/dV < - I/V, bên phải điểm MPP
Bằng cách so sánh giá trị điện dẫn tức thời (I/V) với giá trị điện dẫn gia tăng (I/V), thuật toán này xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất (MPP) Tại điểm MPP, điện áp chuẩn Vref = VMPP, và hệ thống duy trì hoạt động tại điểm này, trừ khi có sự thay đổi dòng điện I, phản ánh điều kiện thời tiết và điểm MPP Độ lớn của điện dẫn gia tăng quyết định tốc độ tìm ra điểm MPP; tuy nhiên, nếu điện dẫn gia tăng quá lớn, hệ thống có thể hoạt động không chính xác và dao động Phương pháp này mang lại kết quả tốt nhất khi thời tiết thay đổi nhanh và có dao động nhỏ hơn so với phương pháp P&O Dù mạch điều khiển phức tạp và chi phí lắp đặt cao do sử dụng hai cảm biến đo dòng điện và điện áp, nhưng sự phát triển của phần mềm và bộ xử lý đã làm giảm đáng kể chi phí hệ thống.
Lưu đồ giải thuật của thuật toán InC được thể hiện như sau:
Hình 4.6 Lưu đồ giải thuật InC
Giải thuật điện áp hằng số
Thuật toán điện áp hằng số dựa trên quan sát từ đường cong V-I, trong đó tỷ lệ giữa điện áp tối đa của pin quang điện (VMPP) và điện áp hở mạch (VOC) được giữ cố định.
Các thuật toán điện áp không đổi có thể được triển khai thông qua sơ đồ như trong hình 4.7 Bộ pin quang điện được tạm thời cách ly để đảm bảo hiệu suất hoạt động.
V(k-1) = V(k) I(k-1) = I(k) Đúng Sai Đúng Đúng Đúng
MPPT thực hiện phép đo VoC để xác định điểm hoạt động tối ưu Sau đó, MPPT sử dụng phương trình (4.1) cùng với các giá trị thiết lập của K để tính toán chính xác điểm hoạt động, điều chỉnh điện áp của pin quang điện cho đến khi đạt được giá trị tính toán.
VMPP Hoạt động này được lặp đi lặp lại theo định kỳ để theo dõi vị trí của MPP
Mặc dù thuật toán này rất đơn giản, việc chọn giá trị tối ưu cho K lại gặp nhiều khó khăn Nhiều tài liệu đã báo cáo thành công khi giá trị K nằm trong khoảng 73-80%.
Sơ đồ thuật toán điện áp không đổi được thể hiện như hình sau:
Điều khiển điện áp không đổi là một quá trình dễ dàng thực hiện, nhưng hiệu quả của MPPT trong việc theo dõi lại thấp so với các thuật toán khác Nguyên nhân chính là do các lỗi trong giá trị của K và việc đo điện áp hở mạch cần tạm thời ngắt nguồn pin Hệ thống có khả năng tự động điều chỉnh giá trị của K để cải thiện hiệu suất.
Đề xuất giải thuật bám điểm công suất cực đại, P&O cải tiến và sự khác biệt so với thuật toán P&O
Nguyên nhân chính gây ra sự hoạt động sai của giải thuật P&O là không phân biệt được sự thay đổi công suất do điện áp hay cường độ bức xạ Để khắc phục nhược điểm này, nghiên cứu đề xuất một giải thuật P&O cải tiến dựa trên các phân tích sâu sắc.
Giải thuật tìm kiếm điểm công suất cực đại theo điện áp hoạt động hiệu quả khi cường độ chiếu sáng không thay đổi Để nâng cao hiệu suất của thuật toán, khi có sự thay đổi về cường độ bức xạ, thuật toán sẽ giữ nguyên điện áp tại điểm công suất cực đại cũ cho đến khi cường độ bức xạ ổn định, sau đó mới tiếp tục tìm kiếm điểm công suất cực đại theo điện áp.
Để nhận biết sự thay đổi của cường độ bức xạ trong hệ thống PV, mỗi loại pin mặt trời sẽ có giá trị dòng điện ngắn mạch I_sci tương ứng với từng cường độ bức xạ G_i, phụ thuộc vào bản chất vật lý của pin.
Hình 4.8 Đặc tính V-I của PV tương ứng với các cường độ bức xạ khác nhau là các dòng điện ngắn mạch khác nhau Điện áp
Tải trở cố định Các điểm công suất cực đại
Từ (3.5), đặc tính V-I của PV được viết lại như sau:
I: cường độ dòng điện của PV
I sc : cường độ dòng điện ngắn mạch của PV
V oc : điện áp hở mạch của PV
I 0 : dòng điện ngược của diode, có giá trị rất nhỏ khoảng 10 -12 A/cm 2 q: điện tích electron, q = 1,602.10 -19 (C) k: hằng số Boltzman, k = 1,381 x 10 -23 (J/K)
Từ (4.3), I và V có thể đo được; còn lại là các thông số kỹ thuật của PV mà có thể được cung cấp bởi nhà sản xuất
Khi ấy, cường độ dòng điện ngắn mạch có thể được xác định như sau:
Mỗi pin mặt trời (PV) có cặp giá trị (V, I) duy nhất cho từng điểm làm việc Do đó, từ công thức (4.4), ta có thể xác định được cường độ dòng điện ngắn mạch của pin mặt trời, ký hiệu là I sc.
Nếu cường độ bức xạ không thay đổi, thì giá trị dòng điện ngắn mạch I sc tại bất kỳ vị trí nào sẽ luôn giống nhau.
- Nếu có sự thay đổi của cường độ bức xạ, thì giá trị dòng điện ngắn mạch, I sc sẽ thay đổi tỷ lệ thuận với cường độ bức xạ
Rõ ràng, I sc có thể được sử dụng làm cơ sở để nhận diện sự thay đổi trong cường độ bức xạ.
Nếu cường độ bức xạ không đổi, hệ thống bám điểm công suất cực đại sẽ áp dụng thuật toán P&O để xác định điểm công suất cực đại dựa trên điện áp.
Nếu dòng điện ngắn mạch (I sc) thay đổi, điều này đồng nghĩa với việc cường độ bức xạ cũng thay đổi Trong trường hợp này, hệ thống bám điểm công suất cực đại sẽ duy trì điện áp làm việc không thay đổi và chỉ tiến hành tìm kiếm điểm công suất cực đại theo điện áp thông qua thuật toán P&O khi không có sự thay đổi của I sc.
Lưu đồ giải thuật của thuật toán P&O cải tiến được biểu diễn như hình 4.9
Hình 4.9 Lưu đồ giải thuật P&O cải tiến Đo: V(k+1), I(k+1) Tính toán:
Quay lại Đúng Sai Đúng Sai V(k+1)>V(k)
Để cải thiện tốc độ hội tụ của giải thuật P&O cải tiến, giá trị điện áp VMPP tại điểm công suất cực đại cần được giới hạn trong một phạm vi nhất định, dựa trên giải thuật điện áp hằng số.
Giải thuật P&O cải tiến hứa hẹn mang lại tốc độ và giá trị hội tụ vượt trội so với giải thuật P&O truyền thống Để xác minh điều này, chương 5 sẽ trình bày các mô phỏng điều khiển nhằm theo dõi điểm công suất cực đại của hệ thống điện năng lượng mặt trời.
Phương pháp điều khiển MPPT
Thuật toán MPPT hướng dẫn bộ điều khiển MPPT thực hiện các điều chỉnh cần thiết để tối ưu hóa điện áp làm việc Nhiệm vụ của bộ điều khiển MPPT là liên tục điều chỉnh điện áp, đảm bảo mức điện áp làm việc của hệ thống pin quang điện luôn ổn định.
Có 3 phương pháp phổ biến điều khiển MPPT đó là:
- Phương pháp điều khiển PI;
- Phương pháp điều khiển trực tiếp;
- Phương pháp điều khiển đo trực tiếp tín hiệu ra
4.6.1 Phương pháp điều khiển PI
MPPT sẽ đo điện áp và dòng điện của pin quang điện, sau đó sử dụng các thuật toán MPPT như P&O hoặc InC để tính toán giá trị điện áp chuẩn Vref Mục tiêu của thuật toán MPPT là điều chỉnh điện áp làm việc của pin quang điện lên đến Vref Quá trình tính toán này được thực hiện lặp lại theo chu kỳ, thường từ 1 đến 10 lần mỗi giây.
Hình 4.10 Sơ đồ khối phương pháp điều khiển MPPT sử dụng bộ bù PI
Bộ điều khiển tỉ lệ – tích phân PI điều chỉnh điện áp đầu vào của bộ biến đổi DC/DC, bù sai lệch giữa Vref và điện áp đo được bằng cách điều chỉnh hệ số đóng cắt D Với tốc độ làm việc nhanh, bộ PI mang lại đáp ứng ổn định Dù được cấu tạo từ các thành phần tương tự Analog, bộ điều khiển PI hoạt động dựa trên nguyên tắc xử lý tín hiệu số DSP, cho phép thực hiện nhiều nhiệm vụ, bao gồm xác định điểm làm việc tối ưu, từ đó giảm thiểu số lượng thành phần trong hệ thống.
4.6.2 Phương pháp điều khiển trực tiếp
Phương pháp điều khiển này đơn giản, chỉ cần một mạch vòng điều khiển, và nó đảm nhiệm việc điều chỉnh hệ số làm việc trong thuật toán MPPT.
Hình 4.11 Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển trực tiếp MPPT
Trong bộ biến đổi Boost, ta có:
Giả sử, đây là bộ biến đổi lý tưởng, công suất trung bình do nguồn cung cấp phải bằng với công suất trung bình tải hấp thụ được
Tổng trở của pin quang điện được coi là tổng trở vào bộ biến đổi
D: hệ số làm việc của bộ biến đổi Boost
- Khi tăng D sẽ làm giảm tổng trở vào bộ biến đổi Rin từ đó điện áp làm việc của pin quang điện sẽ dịch sang bên trái (giảm đi)
Khi giảm giá trị D, tổng trở vào bộ biến đổi Rin sẽ tăng, dẫn đến điện áp làm việc của pin quang điện dịch chuyển sang bên phải, tức là tăng lên Các thuật toán MPPT như P&O, InC và nhiều thuật toán khác sẽ quyết định việc điều chỉnh điện áp này.
Hình 4.12 Mối quan hệ giữa tổng trở vào Rin và hệ số làm việc D
Thời gian đáp ứng của các tầng công suất và nguồn PV tương đối chậm
(10 – 50 ms tuỳ thuộc từng loại tải) Thuật toán MPPT thay đổi hệ số làm việc
D, sau đó lần lấy mẫu điện áp và dòng của pin quang điện tiếp theo nên được thực hiện sau khi hệ đạt đến trạng thái ổn định để tránh đo phải giá trị đang ở trạng thái chuyển tiếp Tỷ lệ lấy mẫu của phương pháp này thường từ 1 đến 100 lần trên 1 giây trong khi tỷ lệ lấy mẫu của bộ điều khiển PI thường nhanh hơn
Phương pháp điều khiển trực tiếp đảm bảo độ bền vững khi có sự thay đổi đột ngột của tải, nhưng đáp ứng của hệ thống thường chậm hơn Phương pháp này hoạt động ổn định với các thiết bị như hệ thống ắc quy và bơm nước Do tỷ lệ lấy mẫu chậm, có thể sử dụng bộ vi điều khiển giá thành thấp.
4.6.3 Phương pháp điều khiển đo trực tiếp tín hiệu ra
Phương pháp cải tiến này dựa trên điều khiển trực tiếp, chỉ cần hai cảm biến để đo điện áp và dòng điện ra khỏi bộ biến đổi Phương pháp điều khiển PI và điều khiển trực tiếp cho phép kiểm soát chính xác điểm làm việc của pin quang điện Tuy nhiên, để tránh tình trạng quá điện áp hay quá dòng điện của tải, cần thêm cảm biến để đo tín hiệu ra, dẫn đến việc hai phương pháp này yêu cầu tổng cộng bốn cảm biến, làm tăng chi phí lắp đặt.
Phương pháp điều khiển đo trực tiếp cho phép xác định sự thay đổi công suất của pin quang điện tại đầu ra của bộ biến đổi, với hệ số làm việc D được sử dụng như một biến điều khiển Thông thường, thuật toán P&O được áp dụng để tìm ra điểm công suất tối đa (MPP).
Mô phỏng điều khiển bám điểm công suất cực đại của một hệ thống điện năng lượng mặt trời
Giới thiệu
Trong chương 4, chúng tôi đã trình bày các lý thuyết về pin quang điện cùng với các giải thuật tìm kiếm và xác định điểm công suất cực đại Chương này sẽ tiếp tục thực hiện các mô phỏng để xác minh tính chính xác của những đề xuất đã nêu.
Mô-đun pin quang điện được lựa chọn cho mô phỏng là loại pin quang điện của Công ty Mặt trời đỏ với các thông số như sau [20]:
Mã pin quang điện: RS - P618 - 22
Hình 5.1 Pin quang điện RS - P618 - 22
Thông số của pin quang điện, RS - P618 - 22 là:
Công suất cực đại của pin quang điện, P max = 22 W Điện áp tại điểm công suất cực đại của pin quang điện, V MPP = 17,64 V
Cường độ dòng điện tại điểm công suất cực đại của pin quang điện,
Cường độ dòng điện ngắn mạch của pin quang điện, I sc = 1,34 A Điện áp hở mạch của pin quang điện, V oc = 21,99 V
Hệ số nhiệt độ của cường độ dòng điện ngắn mạch, a Isc 0,000617A/K
Hệ số nhiệt độ của điện áp hở mạch, a V 0 c 7910 3 V/K
Hệ số nhiệt độ của công suất, a P 0 , 0038 / K
Bài toán điều khiển bám điểm công suất cực đại cho hệ thống pin quang điện đã được mô phỏng thành công bằng giải thuật P&O cải tiến, sử dụng phần mềm SIMULINK/MATLAB Sơ đồ mô phỏng của hệ thống được trình bày rõ ràng, thể hiện hiệu quả của giải thuật trong việc tối ưu hóa công suất.
Hình 5.2 Sơ đồ mô phỏng điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ thống pin quang điện
Mô phỏng các đặc tính của PV
Pin quang điện RS - P618 - 22 sẽ được mô phỏng để đạt được các đặc tính V-I và V-P trong điều kiện:
- Bức xạ mặt trời, G = 1 kW/m 2
Khi ấy, hình 5.3 cho thấy rằng:
- Điện áp hở mạch của pin quang điện, V 0c = 21,99 V
- Cường độ dòng điện ngắn mạch của pin quang điện, I sc = 1,34 A
Các hình 5.3-5.4 cho thấy rằng:
- Điện áp tại điểm công suất cực đại của pin quang điện, V mpp = 17,64 V
- Cường độ dòng điện tại điểm công suất cực đại của pin quang điện, I mpp 1,25 A
- Công suất cực đại của pin quang điện, P max = 22 W
1.5 Dac tinh Dien ap-Dong dien (V-I)
Hình 5.3 Đặc tính V-I của pin quang điện RS - P618 - 22
25 Dac tinh Cong suat-Dien ap (P-V)
Hình 5.4 Đặc tính V-P của pin quang điện RS - P618 - 22
Trong trường hợp, khi nhiệt độ không đổi (t = 25 0 C) và bức xạ mặt trời thay đổi (G = 1kW/m 2 5kW/m 2 ) thì các đặc tính V-I và V-P sẽ đạt được như sau:
8 Dac tinh Dien ap - Dong dien (V-I)
Hình 5.5 Đặc tính V-I của pin quang điện RS - P618 - 22 trong trường hợp nhiệt độ không đổi (t = 25 0 C) và bức xạ mặt trời thay đổi (G = 1kW/m 2
150 Dac tinh Dien ap - Cong suat (V-P)
Hình 5.6 Đặc tính V-P của pin quang điện RS - P618 - 22 trong trường hợp nhiệt độ không đổi (t = 25 0 C) và bức xạ mặt trời thay đổi (G = 1kW/m 2
Khi bức xạ mặt trời thay đổi, dòng điện ngắn mạch (I sc) và điện áp hở mạch (V oc) của pin quang điện cũng sẽ biến đổi Đặc biệt, sự thay đổi của dòng điện ngắn mạch I sc là rất đáng kể Điều này dẫn đến sự thay đổi vị trí của các điểm công suất cực đại trên biểu đồ.
Trong trường hợp, khi nhiệt độ thay đổi (t = 25 0 C 100 0 C) và bức xạ mặt trời không đổi (G = 1 kW/m 2 ) thì các đặc tính V-I và V-P sẽ đạt được như sau:
1.5 Dac tinh Dien ap - Dong dien (V-I)
C uong do d on g di en (A )
Hình 5.7 Đặc tính V-I của pin quang điện RS - P618 - 22 trong trường hợp nhiệt độ thay đổi (t = 25 0 C 100 0 C) và bức xạ mặt trời không đổi (G = 1 kW/m 2 )
1kW/m 2 2kW/m 2 3kW/m 2 4kW/m 2 5kW/m 2
25 Dac tinh Dien ap - Cong suat (V-P)
Hình 5.8 Đặc tính V-P của pin quang điện RS - P618 - 22 trong trường hợp nhiệt độ thay đổi (t = 25 0 C 100 0 C) và bức xạ mặt trời không đổi (G = 1 kW/m 2 )
Khi nhiệt độ thay đổi, điện áp hở mạch (V oc) và dòng điện ngắn mạch (I sc) của pin quang điện cũng sẽ bị ảnh hưởng.
V oc có sự thay đổi khá lớn Khi ấy, vị trí của các điểm công suất cực đại cũng thay đổi theo.
Mô phỏng và các kết quả của trường hợp bức xạ mặt trời thay đổi chậm
Mô phỏng thuật toán P&O và P&O cải tiến cho pin quang điện, RS - P618 - 22 với các giả sử như sau:
- Nhiệt độ, T = 25 0 C và không thay đổi trong quá trình mô phỏng
- Bức xạ mặt trời, G được thay đổi chậm như sau: t < 10 s : G = 1 kW/m 2
Hình 5.9 Mô phỏng sự thay đổi chậm của bức xạ mặt trời của pin quang điện
Hình 5.10 cho thấy công suất ngõ ra đạt được khi sử dụng và không sử dụng thuật toán P&O, phản ánh sự thay đổi chậm của bức xạ mặt trời.
Không sử dụng thuật toán P&O
Hình 5.11 cho thấy công suất ngõ ra đạt được khi áp dụng và không áp dụng thuật toán P&O cải tiến, tương ứng với sự thay đổi chậm của bức xạ mặt trời.
Hình 5.12 so sánh công suất ngõ ra giữa thuật toán P&O và thuật toán P&O cải tiến khi bức xạ mặt trời thay đổi chậm Kết quả cho thấy sự khác biệt rõ rệt trong hiệu suất của hai thuật toán trong điều kiện ánh sáng không ổn định.
Hình 5.9 minh họa sự biến đổi của bức xạ mặt trời, cho thấy quá trình này diễn ra một cách từ từ Công suất đầu ra đạt được trong quá trình này phản ánh sự thay đổi liên tục của năng lượng mặt trời.
Không sử dụng cả hai thuật toán P&O và P&O cải tiến
: Sử dụng thuật toán P&O cải tiến : Sử dụng thuật toán P&O
Không sử dụng thuật toán P&O cải tiến
Sử dụng thuật toán P&O cải tiến
Tài liệu HUTECH cho thấy rằng việc sử dụng thuật toán P&O và P&O cải tiến trong điều kiện thay đổi chậm của bức xạ mặt trời mang lại công suất ngõ ra tối ưu hơn so với không sử dụng thuật toán nào Các hình 5.10 và 5.11 minh họa rõ ràng sự thích nghi của công suất ngõ ra với sự biến đổi của bức xạ mặt trời Hình 5.12 khẳng định rằng công suất ngõ ra khi áp dụng thuật toán P&O và P&O cải tiến luôn cao hơn so với trường hợp không sử dụng thuật toán, đồng thời cũng chứng minh tính hiệu quả vượt trội của thuật toán P&O cải tiến so với thuật toán P&O thông thường.
Mô phỏng và các kết quả của trường hợp bức xạ mặt trời thay đổi
Mô phỏng thuật toán P&O và P&O cải tiến cho pin quang điện, RS - P618 - 22 với các giả sử như sau:
- Nhiệt độ, T = 25 0 C và không thay đổi trong quá trình mô phỏng
- Bức xạ mặt trời, G được thay đổi nhanh như sau: t 20 s : G = 1 kW/m 2
Buc xa mat troi, G(kW/m2)
Hình 5.13 Mô phỏng sự thay đổi nhanh của bức xạ mặt trời của pin quang điện
Công suất ngõ ra đạt được trong trường hợp sử dụng thuật toán P&O cho thấy sự cải thiện đáng kể so với khi không sử dụng thuật toán này, đặc biệt là trong điều kiện bức xạ mặt trời thay đổi nhanh chóng.
Công suất ngõ ra đạt được khi sử dụng thuật toán P&O cải tiến có sự khác biệt rõ rệt so với khi không sử dụng, đặc biệt trong bối cảnh bức xạ mặt trời thay đổi nhanh chóng.
Sử dụng thuật toán P&O cải tiến
Không sử dụng thuật toán P&O
Không sử dụng thuật toán P&O
Hình 5.16 so sánh công suất ngõ ra giữa thuật toán P&O và thuật toán P&O cải tiến trong điều kiện bức xạ mặt trời thay đổi nhanh chóng Sự khác biệt này cho thấy hiệu quả tối ưu của thuật toán P&O cải tiến trong việc điều chỉnh công suất ngõ ra, đảm bảo hiệu suất năng lượng cao hơn khi gặp biến động ánh sáng mặt trời.
Một khảo sát đã chỉ ra rằng sự thay đổi của bức xạ mặt trời có ảnh hưởng lớn đến công suất ngõ ra của hệ thống, với các kết quả được thể hiện qua hình 5.13 Khi so sánh việc sử dụng và không sử dụng thuật toán P&O, cũng như thuật toán P&O cải tiến trong điều kiện bức xạ thay đổi chậm, các hình 5.14 và 5.15 cho thấy công suất ngõ ra luôn được tối ưu khi áp dụng các thuật toán này Đặc biệt, hình 5.16 khẳng định rằng công suất ngõ ra đạt được với thuật toán P&O và P&O cải tiến luôn lớn hơn so với trường hợp không sử dụng bất kỳ thuật toán nào, đồng thời cũng chứng minh tính hiệu quả vượt trội của thuật toán P&O cải tiến so với thuật toán P&O thông thường.
Không sử dụng cả hai thuật toán P&O và P&O cải tiến
: Sử dụng thuật toán P&O cải tiến : Sử dụng thuật toán P&O