Nghiên ứu thuật toán tìm hiểu điểm ông suất lớn nhất ho hệ thống điện mặt trời sử dụng logi mờ

ở đầếậ* Luận văn sau bổ sung, s a ch a gửữồm chương như sau: 5 - Chương 1: Giới thiệu tổng quan về các dạng năng lượng tái tạo và đặc điểm ứng dụng năng lượng mặt trời PV.. Trang 17 4 kh

Giảng viên hướng d n: T Nguyẫ S ễ n Thị Hoài Thu

HÀ NỘI, 2020

Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061132207171000000

Giảng viên hướng d n: TS Nguyẫ ễ n Thị Hoài Thu

HÀ NỘI, 2020

Chữ ký c a GVHD ủ

C NG HÒA XÃ H I CH Ộ Ộ Ủ NGHĨA VIỆT NAM

1 N i dung lu ộ ận văn gồm 5 chương cùng phầ n m u, k t lu n ở đầ ế ậ

* Luận văn sau bổ sung, s a ch a g ử ữ ồm chương như sau: 5

- Chương 1: Giới thiệu tổng quan về các dạng năng lượng tái tạo và đặc điểm ứng dụng năng lượng mặt trời (PV)

- Chương 2: Giới thiệu các đặc tính PV; ảnh hưởng của cường độ sáng và nhiệt độ đến đặc tính PV; sơ đồ mô phỏng PV trên Matlab/Simulink và các bộ biến đổi DC-DC;

- Chương 3: Giới thiệu thuật toán tìm điểm công suất cực đại P&O, INC và Logic mờ với cấu trúc bộ điều khiển mờ

- Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển mờ, thuật toán mờ và mô phỏng thuật toán MPPT sử dụng logic mờ bằng Matlab/Simulink theo 2 kịch bản khác nhau

- Chương 5: K t lu ế ận và đề xu ất hướ ng nghiên c u ti p theo ứ ế

2 Lu n án s d ng 13 tài li u tham kh ậ ử ụ ệ ảo, tuy nhiên không đượ c th hiện ể trong trình bày n i dung lu ộ ậ n văn

- Đã sửa lại phần đánh số trang các hình vẽ và bảng biểu trong chương 4

4 Xem lại tiêu đề của chương 2

* S a ch a, b sung lu ử ữ ổ ận văn:

- Đã sửa tiêu đề chương 2: Mô hình mô phỏng pin PV và các bộ chuyển đổi DC DC bằng Matlab/Simulink -

Hà N i, ộ ngày 12 tháng 11 năm 2020

Giáo viên hướng d nẫ Tác gi ả luận văn

TS Nguyễ n Thị Hoài Thu Lê Đức Tân

CHỦ Ị T CH HỘ I Đ ỒNG

B ch Qu c Khánh ạ ố

L I C Ờ ẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn Viện Đào Tạo Sau Đại H c, b môn H ọ ộ ệThống Điện trường Đạ ọi h c Bách Khoa Hà N i đã tộ ạo điều ki n thu n l i cho tôi h c t p ệ ậ ợ ọ ậ

và thực hiện luận văn tốt nghiệp này

Tôi xin bày t lòng biỏ ết ơn sâu sắc tới TS Nguy n Th Hoài Thuễ ị đã tận tình hướng d n ch b o tôi hoàn thành luẫ ỉ ả ận văn tốt nghi p này ệ

Tôi xin gửi l i chúc sờ ức khoẻ và chân thành cảm ơn!

Hà Nộ , ngày tháng năm 2020 i

Tác giả

Lê Đứ c Tân

i

MỤC LỤC

DANH SÁCH HÌNH VẼ iv

DANH SÁCH BẢNG BIỂU vi

DANH SÁCH CÁC T Ừ VIẾT T T viiẮ M Ở ĐẦ 1U 1 Lý do chọn đ ềtài 1

2 Mục đích, đ i tư ng, phạố ợ m vi nghiên c u củứ a lu n văn 1ậ 3 Nội dung chính và bố ụ c c lu n văn 2ậ 4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Kết l ậ 2u n CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CHUNG 3

1.1 Giới thiệu chung 3

1.2 Các dạng năng lượng tái tạo cơ bản 4

1.2.1 Năng lượng gió 4

1.2.2 Năng lượng mặt tr i 5ờ 1.2.3 Năng lượng thủy điện 6

1.2.4 Năng lượng sinh khối 7

1.2.5 Năng lượng đ a nhiệt 7ị 1.2.6 Năng lượng sóng biển 8

1.2.7 H ệ thống đi n năng lưệ ợng m t tr i 9ặ ờ 1.3 S dử ụng năng lượng mặt tr i 11ờ 1.3.1 Ưu, nhược đi m củể a năng lư ng mặợ t tr i 11ờ 1.3.2 Lợi ích của năng lư ng mặt trờ 12ợ i 1.3.3 Ứng dụng năng lư ng mặợ t tr i 12ờ 1.4 Kết luậ 13n CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH MÔ PHỎNG PIN PV VÀ CÁC BỘ CHUYỂ N Đ I Ổ DC-DC 14

2.1 Mô hình pin mặt tr i 14ờ 2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạ ột đ ng của pin năng lư ng mặợ t tr i 15ờ 2.3 Đặc tính làm vi c c a pin m t trệ ủ ặ ời 16

2.3.1 Sơ đồ tương đương c a pin m t tr i: 16ủ ặ ờ 2.3.2 Phương trình Kirchoff dòng điện 17

2.4 Mô ph ng pin mỏ ặt trời bằng phần mềm Matlab/Simulink 19

2.4.1 Mô ph ng C1ỏ 19

ii

2.4.2 Mô phỏng C2 202.4.3 Mô phỏng I 202.4.4 Sơ đồ mô phỏng pin năng lượng mặt tr i 21ờ2.5 Ảnh hư ng của cườở ng đ sáng đ n pin năng lượộ ế ng m t tr i ặ ờ 222.6 Ảnh hư ng của nhiệt đở ộ đến pin năng lượng mặt trời 232.7 B ộ chuyển đ i DC-ổ DC 23

2.7.1 Giới thi u chung 23ệ2.8 Phân loại các bộ biến đ i DC-ổ DC: 24

2.8.1 B ộ ếbi n đ i giảm áp (Buck) 24ổ2.8.2 B ộ ếbi n đ i tăng áp (Boost) 28ổ2.8.3 B ộ ếbi n đ i tăng – ảm áp (Buck – ổ gi Boost) 322.9 Kết luậ 35n

CHƯƠNG 3 THUẬ T TOÁN TÌM ĐI M CÔNG SU T L N NHẤT CHO Ể Ấ Ớ

H Ệ THỐ NG ĐI N MẶT TRỜI SỬ ỤNG LOGIC MỜ 36 Ệ D3.1 Điểm theo dõi công suấ ựt c c đ i 36ạ

3.1.1 Giới thiệu ề đặc tính ả 36v t i3.1.2 Điều khi n ch n đi m ể ọ ể công su t c c ấ ự đại (MPPT) 383.2 Các phương pháp tìm điểm công su t cấ ực đại MPPT 39

3.2.1 Phương pháp nhiễu lo n và quan sát (P&O) 39ạ3.2.2 Phương pháp điện dẫn gia tăng INC 413.3 Phương pháp Logic mờ 42

3.3.1 Khái niệm về logic mờ 423.3.2 Định nghĩa t p mờ 43ậ3.3.3 Biến ngôn ng 45ữ3.3.4 Các phép toán trên tập m 46ờ3.4 Cấu trúc một bộ điều khiển mờ 47

3.4.1 Nguyên lý điều khiển 483.4.2 Chức năng c a t ng khối 49ủ ừ3.5 Kết luậ 50n

CHƯƠNG 4 KẾ T QU MÔ PH NG THUẬ Ả Ỏ T TOÁN TÌM ĐI M CÔNG Ể SUẤT L N NH Ớ ẤT CHO HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI S D NG Ử Ụ

LOGIC MỜ Ằ B NG MATLAB/SIMULINK 514.1 Thiết k b ế ộ điề khiểu n m ờ 51

4.1.1 Trình tự thi t kế 51ế4.2 Thuậ toán logic mờ 52t

4.2.1 Biến mờ 544.2.2 Quy tắc điều khiển mờ 55

iii

4.2.3 Giải mờ 584.3 Mô phỏng thuật toán tìm điểm công suất lớn nhất cho hệ ốth ng đi n mặệ t

trời sử ụ d ng logic mờ ằ b ng phần mềm Matlab – Simulink 59

4.3.1 Mô ph ng kỏ ịch bản 1 594.3.2 Mô ph ng kỏ ịch bản 2 624.4 Kết luậ 65n

CHƯƠNG 5 KẾT LU N 66Ậ

5.1 Kết luậ 66n 5.2 Hạn chế 665.3 Kiến nghị và hướng phát triển đ tài 66ề

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

iv

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1 Nguyên lý hoạ ột đ ng tạo năng lư ng từ gió 4ợ Hình 1.2 Nguyên lý hoạ ột đ ng tạo năng lượng từ ứ b c xạ ặ m t tr i sờ ử ụ d ng các

Parabol 5

Hình 1.3 Các tấm pin năng lư ng mặợ t trời 5

Hình 1.4 Nguyên lý hoạ ột đ ng của nhà máy th y đi n 6ủ ệ Hình 1.5 Nhà máy thủy điện 6

Hình 1.6 Nguyên lý hoạ ột đ ng tạo năng lượng sinh khối 7

Hình 1.7 Nguyên lý hoạ ột đ ng của năng lư ng đợ ịa nhiệt 8

Hình 1.8 Nguyên lý hoạ ột đ ng của năng lượng sóng biển 8

Hình 1.9 Hệ ố th ng đi n m t tr i hòa lưới 10ệ ặ ờ Hình 1.10 Hệ ố th ng điện năng lượng m t tr i đ c l p 10ặ ờ ộ ậ Hình 2.1 Tế bào pin PV đơn tinh th 14ể Hình 2.2 Tế bào pin PV đa tinh th 14ể Hình 2.3 Tế bào pin PV không tinh thể (vô định hình) 14

Hình 2.4 Cấ ạu t o c a pin năng lư ng m t tr i 15ủ ợ ặ ờ Hình 2.5 Nguyên lý hoạ ột đ ng của pin năng lư ng mặợ t tr i 16ờ Hình 2.6 Sơ đồ tương đương với các ph n tử ủầ c a pin năng lượng mặt tr i 16ờ Hình 2.7 Sơ đồ kh i mô ph ng giá tr ố ỏ ị C1 19

Hình 2.8 Sơ đồ kh i mô ph ng giá trị ố ỏ C2 20

Hình 2.9 Sơ đồ kh i mô ph ng giá trị I 20ố ỏ Hình 2.10 Sơ đồ khối mô phỏng pin năng lượng m t tr i 21ặ ờ Hình 2.11 Bảng thông số pin PV chọn ngẫu nhiên 21

Hình 2.12 Ảnh hư ng c a cư ng đ sáng đ n pin năng lượở ủ ờ ộ ế ng m t tr i ặ ờ 22

Hình 2.13 Ảnh hư ng c a nhi t đ n pin năng lư ng m t tr i 23ở ủ ệ ộ đế ợ ặ ờ Hình 3.1 Sơ đồ chung c a b chuy n đ i DC-ủ ộ ể ổ DC 24

Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý bộ ế bi n đ i Buck converter 25ổ Hình 3.3 Nguyên lý hoạ ột đ ng khi khóa S đóng (Buck converter) 25

Hình 3.4 Dạng sóng điện áp và dòng điện trên cuộn dây L khi khóa S đóng (Buck) 25

Hình 3.5 Nguyên lý hoạ ột đ ng khi khóa S mở (Buck converter) 26

Hình 3.6 Dạng sóng điện áp và dòng điện trên cu n dây L khi khóa S mở (Buck)ộ 26

Hình 3.7 Sơ đồ mô ph ng b bi n đ i gi m áp Buck converter 27ỏ ộ ế ổ ả Hình 3.8 Kết qu sau khi ch y mô ph ng c a b ả ạ ỏ ủ ộBuck converter 28

Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lý bộ ế bi n đ i Boost converter 28ổ Hình 3.10 Nguyên lý hoạ ột đ ng khi khóa S đóng (Boost converter) 28

Hình 3.11 Dạng sóng đi n áp và dòng điệ ện trên cuộn dây L khi khóa S đóng (Boost) 29

Hình 3.12 Nguyên lý hoạ ột đ ng khi khóa S mở (Boost converter) 29

Hình 3.13 Dạng sóng đi n áp và dòng điệ ện trên cu n dây L khi khóa S mở ộ (Boost) 30

Hình 3.14 Sơ đồ mô ph ng b biếỏ ộ n đ i tăng áp Boost converter 31ổ Hình 3.15 Kết qu sau khi ch y mô phỏả ạ ng c a b ủ ộBoost converter 31

Hình 3.16 Sơ đồ nguyên lý b biếộ n đ i Buck Boost converterổ - 32

Hình 3.17 Nguyên lý hoạ ột đ ng khi khóa S đóng (Buck - Boost converter) 32

v

Hình 3.18 Dạng sóng đi n áp và dòng điệ ện trên cuộn dây L khi khóa S đóng

(Buck -Boost) 32

Hình 3.19 Nguyên lý hoạ ột đ ng khi khóa S mở (Buck Boost converter) 33-

Hình 3.20 Dạng sóng đi n áp và dòng điệ ện trên cu n dây L khi khóa S mở (Buck ộ -Boost) 33

Hình 3.21 Sơ đồ mô ph ng b biếỏ ộ n đ i tăng gi m áp Buck Boost converterổ ả - 34

Hình 3.22 Kết qu sau khi ch y mô phỏả ạ ng c a b ủ ộBuck Boost converter 35-

Hình 5.1 Điểm hoạt động c a t i 36ủ ả Hình 5.2 Thay đổ ải t i R đi m ho t đ ng thay đ i trên đ ể ạ ộ ổ ồthi I V c a pin pv 37- ủ Hình 5.3 Xác định đi m công suấ ựể t c c đại 37

Hình 5.4 Đồ ị ả th t i R không đ i và cư ng đ b c x thay đ i 38ổ ờ ộ ứ ạ ổ Hình 5.5 Sơ đồ kh i hệ thống MPPT 38ố Hình 5.6 Đường đ c tính P-V của phương pháp PO 39ặ Hình 5.7 Lưu đồ ả gi i thu t thu t toán PO 40ậ ậ Hình 5.8 Đường đ c tính P-V củặ a phương pháp INC 41

Hình 5.9 Lưu đồ ả gi i thu t thu t toán INC 42ậ ậ Hình 4.1 Biểu đ hàm liên thu c 44ồ ộ Hình 4.2 Biểu đ các d ng hàm liên thu c 45ồ ạ ộ Hình 4.3 Biểu di n hàm liên thu cễ ộ 46

Hình 4.4 Sơ đồ kh i bộ ềố đi u khi n m 47ể ờ Hình 4.5 Sơ đồ chức năng b đi u khi n m 47ộ ề ể ờ Hình 4.6 Sơ đồ nguyên lý bộ ề đi u khi n mờ 48ể Hình 4.7 Bộ ề đi u khi n m cơ b n 48ể ờ ả Hình 5.10 Sơ đồ khố ội b MPPT 52

Hình 5.11 Sơ đồ khố ủi c a b ộFLC 53

Hình 5.12 Lưu đồ giải thu t thu t toán FLCậ ậ 54

Hình 5.13 Giá trị ngôn ng ữvào sai số ủ c a E 54

Hình 5.14 Giá trị ngôn ng ữvào sai số ủ c a CE 55

Hình 5.15 Giá trị ngõ ra tỷ ố độ ộ s r ng xung D 55

Hình 5.16 Hoạ ột đ ng của lu t đi u khi n m (2D) 57ậ ề ể ờ Hình 5.17 Hoạ ột đ ng của lu t đi u khi n m (3D) 57ậ ề ể ờ Hình 5.18 Sơ đồ ệ ố h th ng FLC 58

Hình 5.19 Mô hình mô ph ng pin PV sỏ ử ụ d ng các thu t toán ậ MPPT 59

Hình 5.20 Mô ph ng kỏ ịch bản 1 60

Hình 5.21 Trường h p 1 – Kịch bản 1 60ợ Hình 5.22 Trường h p 2 – Kịch bản 1 61ợ Hình 5.23 Trường h p 3 – Kịch bản 1 61ợ Hình 5.24 Mô ph ng kỏ ịch bản 2 62

Hình 5.25 Trường hợp 1 – Kịch bản 2 63

Hình 5.26 Trường h p 2 – Kịch bản 2 63ợ Hình 5.27 Trường h p 3 – Kợ ịch bản2 64 Hình 5.28 Trường h p 4 – Kịch bản 2 64ợ

vi

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 4.1 Quy tắc đi u khi n m 55ề ể ờBảng 4.2 Thông số mô ph ng 59ỏ

vii

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

PV: PhotoVoltaic : Pin quang điện (pin m t tr i) ặ ờ

MPP: Maximum Power Point: Điểm công suấ ựt c c đại

MPPT: Maximum Power Point Tracking: Dò tìm điểm công suấ ựt c c đ i ạ

P&O: Perturb and Observe: Phương pháp nhiễu lo n và quan sát ạ

INC: Incremental Conductance: Phương pháp độ ẫ d n điện tăng

1

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọ n đ ềtài

Năng lượng tái tạ ừo t mặt trời được đánh giá là thân thiện nh t vớấ i môi trường

và ít gây ảnh hư ng xấu về mặt xã hội Trong khi xây dựng nhà máy thủy điện yêu ởcầu diện tích lớn, di dời dân cư, gây m t các vùng đ t canh tác truyền thống; nhà ấ ấmáy nhiệt đi n luôn là thủệ phạm ô nhiễm môi trư ng nặờ ng nề, nguồn nhiêu liệu kém ổn đ nh và giá ngày một tăng cao; nhà máy điện hạt nhân có nguy cơ ảnh ịhưởng t i s c kh e lâu dài c a ngư i dân xung quanh nhà máy do rớ ứ ỏ ủ ờ ỏ ỉ ạ r h t nhân thì năng lượng m t trời lại tốặ t cho môi trường và có khả năng tái tạo, chi phí nhiên liệu và bảo dưỡng thấp, an toàn cho ngườ ửi s dụng Tuy nhiên năng lượng m t tr i ặ ờ

có tính bấ ịt đ nh và thay đổi theo thời tiết, cụ thể là theo cường đ bộ ức xạ Do đó

để ử ụ s d ng năng lư ng m t tr i đ t hi u su t cao v i các t m pin PV, c n ph i áp ợ ặ ờ ạ ệ ấ ớ ấ ầ ả

dụng các thuật toán tìm đi m công suất cựể c đ i.ạ

Thuật toán bắt đi m công suất cựể c đ i MPPT (Maximum Power Point ạTracking) là phương pháp dò tìm các điểm làm vi c tốệ i ưu c a hệ thống PV thông ủqua việc đóng m các van c a các linh kiở ủ ện bán dẫn trong các bộ chuy n đ i theo ể ổ

thời gian từ đó thu nh n đưậ ợc giá trị công su t lớn nhấ ở đầấ t u ra của hệ ống thĐiểm làm vi c v i công su t t i ưu đư c g i là đi m công su t c c đ i MPP ệ ớ ấ ố ợ ọ ể ấ ự ạ(Maximum Power Point) Hai phương pháp dò tìm điểm công su t c c đ i ph ấ ự ạ ổbiến nhất là phương pháp nhiễu lo n và quan sát P&O (Perturb and Observe) và ạphương pháp điện dẫn gia tăng INC (Incremental Conductance) Hai thu t toán ậP&O và INC còn nhi u hề ạn chế như chưa bám sát đi m làm viể ệc ở công suất cực

đạ ầi, t n s u ra dao đ ng l n, chính vì v y cần nghiên cứố đầ ộ ớ ậ u thêm các thu t toán ậ

mới Thuật toán logic mờ có thể bám điểm công suất cực đ i rất tốạ t và đang đư c ợ

s dử ụng rộng rãi trong các ứng dụng đi u khiểề n đ ng cơ, đi u khiển các thiết bịộ ềgia đình như tủ ạ l nh, nồi cơm điện, điều khiển pin PV… Vì vậy luận văn này đã

lựa chọn đ tài là Nghiên cứu thuậề : t toán tìm đi m công suất lớn nhất cho hệ ể thố ng đi n mặt tr i s ệ ờ ử ụ d ng logic mờ

2 Mụ c đích, đ i tư ng, phạm vi nghiên cứu củ ố ợ a lu n văn ậ

Mục đích nghiên cứu: Nghiên c u các mô hình ng dụứ ứ ng pin năng lượng m t ặ

trời; Áp dụng ph n mầ ềm Matlab/Sinulink để mô ph ng hệ ống PV; Mô phỏng ỏ thđánh giá ảnh hư ng củở a thu t toán MPPT v i pin m t tr i ậ ớ ặ ờ

Đối tư ng nghiên c u: H th ng pin PV sử ụợ ứ ệ ố d ng logic m ờ

Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu các ảnh hưởng của phương pháp Logic mờ

đến giá tr công su t u ra c a pin PV và duy trì nó ở ạị ấ đầ ủ tr ng thái c c đ i ự ạ

2

3 Nội dung chính và bố ụ c c lu n văn ậ

Ngoài ph n mầ ở đầ u và kết lu n, luậ ận văn này được trình bày trong 4 chương,

c ụ thể:

Chương 1 Tổng quan chung

Chương 2 Mô phỏng hệ thống PV bằng Matlab/Simulink

Chương 3 Thuật toán tìm đi m công su t l n nh t cho h thể ấ ớ ấ ệ ống điện mặt tr i s ờ ử

dụng logic mờ

Chương 4 Kết quả ô phỏng bộ ều khiể m đi n Logic m b ng Matlab/Simulink ờ ằChương 5 Kết lu n ậ

4 Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử ụ d ng ph n mềầ m Matlab/Simulink đ th c hi n xây dựng mô ể ự ệhình, mô phỏng và tính toán ch s dòng đi n, đi n áp ra c a pin PV ỉ ố ệ ệ ủ

5 Kết luận

Các k t quế ả ủ c a nghiên cứu đã ch ra đư c mứỉ ợ c đ nh hư ng của phương ộ ả ởpháp Logic mờ đế n các giá tr u ra cị đầ ủa pin PV khi kết nố ới v i ph t i gụ ả , óp phần vào các nghiên cứu sau có liên quan đ n việế c tìm đi m công suấ ớn nhấể t l t cho hệ thống đi n mặt tr i sệ ờ ử ụ d ng logic mờ

3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CHUNG

1.1 Giới thiệu chung

Như chúng ta đã biết m c l ch s r t quan tr ng trong lố ị ử ấ ọ ịch s phát triử ển của loài người là việc phát minh ra lửa và dùng các loại nhiên liệ ựu t nhiên như c i ủ

rừng đ duy trì ngọn ửa, nhờ đó đã phát triển thành mộ ềể l t n n văn minh c a nhân ủloại và thoát khỏi cuộc sống của động vật Sau nhiều nghìn năm mãi đến thế ỷ k thứ nh t trước công nguyên con ngườấ i m i bi t dùng sứớ ế c nư c đ làm quay guồng ớ ểnước, và đ n đế ầu th k thứ XII m i bi t sế ỷ ớ ế ử ụ d ng sức gió đ ểlàm quay cối xay gió Khoảng nửa cu i thố ế k ỹ thứ XVIII con người mới phát hiện được ngu n nhiên li u ồ ệhóa thạch như: than đá, d u và khí đầ ố ựt t nhiên Đến giữa thế ỷ k XX nhà máy điện nguyên tử đầ u tiên c a thủ ế giới ra đ i, nhờ đó đã thỏa mãn được nhu cầu năng ờ

lượng c a con ngưủ ời và đưa nền văn minh c a nhân lo i tiếủ ạ n một bư c dài như ớngày nay

Tuy nhiên, các nguồn năng lư ng hóa thạch là có hợ ạn, con người khai thác

đến m t lúc nào đó sẽ hết, hơn nữộ a khi khai thác và s d ng các ngu n nhiên ử ụ ồliệu hóa thạch, thủy đi n và đi n nguyên tử… đã để ạệ ệ l i cho loài ngư i nh ng h u ờ ữ ậquả ề v tác đ ng môi trư ng là vô cùng lớn lao M t trong nhộ ờ ộ ững hậu quả đó là khi sử ụ d ng các ngu n nhiên liệồ u này đã th i ra môi trư ng các lo i khí đ c làm ô ả ờ ạ ộnhiễm b u khí quyển bao quanh Trái Đất, mà hầ ậu quả tai h i cạ ủa hiện tượng này

đã làm thay đổi khí hậu, tác động x u đ i v i cu c s ng hiấ ố ớ ộ ố ện nay và tương lai của loài người

Ngày nay, khi mà tiềm năng thủy đi n đã đư c con ngư i khai thác gầệ ợ ờ n h t, ếcòn các nguồn nhiên liệu như: than, dầu khí thì không có khả năng tái tạo và trong tương lai không xa sẽ ạ c n kiệt, khi mà năng lượng nguyên tử còn đặt ra quá nhi u ềtranh cãi b i sở ự độc h i cạ ủa nó thì việc nghiên c u tìm ra các ngu n năng lư ng ứ ồ ợ

mới và sạch đã tr thành nghiên cứở u mũi nh n của nhiều quốọ c gia, đ t biệt là các ặnước phát tri n Trong công cuộc đi tìm nguồn năng lượng mớể i này, con ngư i đã ờ

đạt đư c nh ng thành công nhấ ịợ ữ t đ nh: Đó là s ra đ i c a các trung tâm phát ự ờ ủ

đi n dùng năng lư ng gió, năng lưệ ợ ợng m t tr i v i công su t lên t i hàng ngàn ặ ờ ớ ấ ớmega oát Tuy nhiên những nguồn năng lư ng trên tương đ i phụ thuộc vào tự ợ ốnhiên

Hòa cùng xu hướng phát tri n vềể khoa h c k thu t trên th giới, thì ọ ỹ ậ ếtrong những năm g n đây hoầ ạ ột đ ng nghiên cứu năng lượng tái tạo nói chung và năng lượng m t trời nói riêng ởặ nước ta đã được triển khai khá mạnh m và r ng ẽ ộ

nó một cách có hiệu quả và phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau v n là vấẫ n đ ề

mà chúng ta quan tâm

Những thách thức chính liên quan đ n sử dụng năng lượng mặt trế ời, đặc biệt

là quang điện: Chi phí lắp đặt cao và chuyển đổi năng lư ng hiệợ u qu th p Đi u ả ấ ềkhiển chọn điểm công suất lớn nhất là một phương pháp tiếp cận đượ ửc s dụng để

tối ưu hóa công su t trong hệ thống pin mặt trờấ i, do đó năng lư ng phát ra từ ặt ợ mtrời có thể được trích xu t tấ ối đa

1.2 Các dạ ng năng lư ng tái tạ ợ o cơ b n ả

1.2.1 Năng lượng gió

S ự hình thành của năng lư ng gió: Bức xạ ặt trời chiếu xuống bề ặt trái ợ m m

đất không đ ng đ u làm cho b u khí quy n, nư c và không khí nóng không đ u ồ ề ầ ể ớ ềnhau Một nửa bề ặt củ m a trái đ t, mặấ t ban đêm, b che khuất không nhậị n đư c ợ

bức xạ ủa mặt trờ c i và thêm vào đó là b c xạ ặt trời ở các vùng gầứ m n xích đ o ạnhiều hơn là các c c, do đó có sự khác nhau về nhiệ ộở ự t đ và vì th là khác nhau ế

v ề áp suất mà không khí giữa xích đ o và 2 cực cũng như không khí giữạ a m t ban ặngày và mặt ban đêm c a trái đ t di đ ng tạủ ấ ộ o thành gió Trái đ t xoay tròn cũng ấgóp ph n vào viầ ệc làm xoáy không khí và vì trục quay của trái đ t nghiêng đi (so ấ

với mặ phẳng do quỹ đạo trái đất tạo thành khi quay quanh mặt trời) nên cũng tạo t thành các dòng không khí theo mùa

Hình 1.1 Nguyên lý hoạ ộ t đ ng t o ạ năng lượng t gió ừ

5

1.2.2 Năng lượng mặt trời

Nhà máy phát điện m t trời bằng phương pháp t p trung năng lưặ ậ ợng m t tr i ặ ờvào m t khu vộ ực bằng gương hoặc thấu kính, công nghệ này giúp chuyển đổi quang năng thành đi n năng lưệ ợng mặt tr i m t cách hi u qu V cơ b n, công ngh s ờ ộ ệ ả ề ả ệ ử

dụng đáy c a các Parabol, hệ thốủ ng đ ng cơ Stirling, h thống thu quang năng ộ ệtrung tâm, và các hệ thống quang tập trung quang năng để tạo ra nguồn năng lượng mong muốn

Hình 1.2 Nguyên lý hoạ ộ t đ ng tạo năng lượng t bừ ức xạ ặt trời sử ụng các Parabol m d

Nhà máy nhiệt điện năng lượng mặt trời: Phương pháp khai thác nhiệt lượng

tạo ra từ quang năng của ánh sáng m t tr i đ t o ra điặ ờ ể ạ ện năng, gọi là nhi t đi n sử ệ ệdụng năng lượng mặt tr i V cơ b n, s d ng các b thu nhi t t ờ ề ả ử ụ ộ ệ ừnăng lượng mặt trời b ng các tằ ấm đ có đượể c ngu n nướồ c nóng, t đó chạy máy phát để tạo ra điện ừnăng phục v cho đ i sụ ờ ống thường ngày

Hình 1.3 Các tấm pin năng lượng mặt trời

6

1.2.3 Năng lượng thủy điện

Thủy điện là nguồn đi n có đưệ ợ ừc t năng lượng nước Đa số năng lượng thủy

đi n có đưệ ợ ừ ếc t th năng của nư c đư c tích t i các đớ ợ ạ ập nước làm quay m t tu c ộ ốbin nước và máy phát đi n Ki u ít đư c bi t đ n hơn là s dệ ể ợ ế ế ử ụng năng lư ng đợ ộng lực của nư c hay các nguồn nướớ c không b tích bằng các đập nư c như năng lưị ớ ợng thu triỷ ều Thủy đi n là nguệ ồn năng lượng tái tạo Năng lượng lấy được từ nư c ớphụ thu c không chỉộ vào th tích mà c vào s khác biể ả ự ệt về độ cao giữa ngu n và ồdòng chảy ra S khác bi t vự ệ ề độ cao được g i là áp suọ ất Lư ng năng lư ng tiềm ợ ợtàng trong nướ ỷc t l vệ ới áp suất Đ có được áp suất cao nhấể t, nư c cung cấp cho ớmột turbine nước có th ợểđư c cho ch y qua mộ ốả t ng lớn gọi là ống d n nư c có ẫ ớ

áp

Hình 1.4 Nguyên lý hoạ ộ t đ ng c a nhà máy thủ ủy điện

Hình 1.5 Nhà máy thủy điện

7

1.2.4 Năng lượng sinh khối

Sinh khối là dạng vật liệu sinh học từ ự ố s s ng, hay gần đây là sinh v t sống, ậ

đa số là các cây tr ng hay v t liệồ ậ u có ngu n g c từ thực vậồ ố t Được xem là nguồn năng lượng tái tạo, năng lư ng sinh kh i có thểợ ố dùng tr c tiếp, gián tiếự p m t lần ộhay chuyển thành dạng năng lượng khác như nhiên liệu sinh học Sinh kh i có th ố ểchuyển thành năng lư ng theo ba cách: chuyểợ n đ i nhiệt, chuyổ ển đ i hóa họổ c, và chuyển đ i sinh hóa ổ

V mề ặt lịch sử, con người đã khai thác các s n phẩm có nguồn gốc từ năng ả

lượng sinh kh i khi họ ắố b t đầu dùng c i và cỏủ khô đ nhóm l a sư i ấm Ngày ể ử ởnay, thuật ngữ này có thể hiểu theo hai nghĩa Nghĩa thứ nh t, sinh khối là vật liệu ấcây trồng dùng để tạo ra điện năng (dùng turbin hơi hoặc nén khí), ho c t o ra nhiệt ặ ạ(thông qua việc đốt tr c ti p) ự ế

Hình 1.6 Nguyên lý hoạ ộ t đ ng tạo năng lượng sinh kh i ố

1.2.5 Năng lượng địa nhiệt

Năng lượng đ a nhiị ệt là năng lượng được tách ra t nhiệt trong tâm Trái Đất ừNăng lượng này có ngu n g c từ s ồ ố ự hình thành ban đầu của hành tinh, t hoạt động ừphân hủy phóng xạ ủ c a các khoáng vật, và từ năng lượng m t trờặ i đư c hấp thụ tại ợ

b mề ặt Trái Đ t Năng lư ng đ a nhiệấ ợ ị t đã đư c sử ụợ d ng đ nung và tắm kể t thể ừ ời

La Mã cổ đại, nhưng ngày nay nó được dùng để phát điện Có kho ng 10 GW công ảsuất đi n địa nhiệ ệt đư c lợ ắp đặt trên thế giớ ếi đ n năm 2007, cung cấp 0,3% nhu

cầu đi n toàn cầệ u Thêm vào đó, 28 GW công su t nhiệ ịấ t đ a nhiệt trực tiếp đư c ợ

8

lắp đ t phục vụ ho sưởi, spa, các quá trình công nghiệp, lọặ c c nư c biển và nông ớnghi p ệ ở ộ ố m t s khu v c ự

Hình 1.7 Nguyên lý hoạ ộ t đ ng của năng lượng địa nhi t ệ

1.2.6 Năng lượng sóng biển

Năng lượng thu triều là m t dỷ ộ ạng của thủy năng có thể chuy n đỗi năng ểlượng thu đư c từợ thu triều thành các dạỷ ng năng lư ng h u ích khác, chủ ếợ ữ y u là điện M c dù chưa đư c s d ng r ng rãi, năng lư ng thuỷặ ợ ử ụ ộ ợ tri u có tiềm năng cho ềviệc sản xuất đi n năng trong tương lai Thuỷ triềệ u d d ễ ự đoán hơn gió và mặ ờt tr i Trong số các ngu n năng lư ng tái t o, năng lư ng thuỷồ ợ ạ ợ có m c chi phí th c hi n ứ ự ệtương đối cao và chỉ thực hiện đư c ợ ở nh ng nơi có thu ềữ ỷtri u đ cao hoủ ặc có vận tốc dòng chảy lớn Tuy nhiên, với nhiều sự cải tiến và phát triển về công nghệ hiện nay, phát triển về ặ m t thiế ết k và công ngh tua bin (như tua bin hư ng trụệ ớ c, tua bin tạo dòng chảy chéo), cho th y tấ ổng công suất của năng lư ng thợ ủy triều có thể cao hơn nhiều so với gi nh trư c đây, nh đó chi phí kinh t và môi trư ng có ả đị ớ ờ ế ờ

th ể được đưa xu ng mức cạnh tranh.ố

Hình 1.8 Nguyên lý hoạ ộ t đ ng của năng lượng sóng bi n ể

9

1.2.7 Hệ thống điện năng lượng mặt trời

H ệ thống đi n năng lư ng mặt trờệ ợ i đư c cấu thành chính từợ các t m pin mặt ấtrời (pin quang điện) Các tấm pin năng lượng mặt tr i trong h th ng đóng vai trò ờ ệ ố

hấp thụ ánh nắng mặt trời, chuyển hóa quang năng thành đi n năng và đi n năng ệ ệđược đưa lên đi n lư i ho c lưu tr tr c ti p trên c quy đ ho t đ ng đ c l p H ệ ớ ặ ữ ự ế ắ ể ạ ộ ộ ậ ệthống đi n năng lư ng mặt trời sẽệ ợ chuy n hóa thành nguể ồn điện một chiều (DC) thành nguồn điện xoay chiều (AC) thông qua bộ chuyển đổi đi n nốệ i lư i ớ(inverter)

Mô hình năng lượng mặt tr i ờ

Một hệ thống quang điện mặt tr i thư ng s g m các thành phờ ờ ẽ ồ ần chính như:

- Tấm pin quang điện: thường gắn trên mái nhà để ấ h p thụ nhiệ ột đ , ánh sáng

t mừ ặt trời chuyển thành đi n năng.ệ

- Biến tần: Biến tần là 1 thiết b có tác dị ụng chuyển đ i dòng đi n từ dòng ổ ệ

DC (dòng 1 chiều) thành dòng AC (đi n xoay chiều) ệ

- H ệ thống Ắc quy lưu tr nguồn điện năng thu được ữ

- Đồng hồ điện 2 chiều dùng đ đo nguể ồn điện dư thừa n u sử ụế d ng không

h ết

Một số loại mô hình năng lượng m t tr i: ặ ờ

1.2.7.1 Điện mặt trời hoà lưới:

H ệ thống này kết hợp với hệ thống đi n quốc gia, có thể xem nó như một ệmáy phát đi n vì khi cúp điệ ện có th s d ng để thay cho nguồể ử ụ n đi n lư i ệ ớ

Nguyên lý hoạ ột đ ng

H ệ thống hòa lư i ưu tiên sớ ử dụng nguồn năng lư ng mặt trờợ i đ chuyển ểthành nguồn điện xoay chiều chất lượng cao cho tải ưu tiên (thiết bị ầ c n ưu tiên nguồn đi n liên tục) đồệ ng th i sạc cho bình c quy nờ ắ ếu nguồn năng lượng mặt tr i ờcòn dư thì s đưẽ ợc hòa vào lư i đi n ớ ệ

Khi nguồn năng lư ng mợ ặt tr i thi u, hờ ế ệ ố th ng sẽ ữ ụ s d ng đ ng thời nguồn ồ

điện từ acquy và nguồn năng lượng mặt tr i đ cung cấờ ể p cho t i ả

Khi cả 2 ngu n năng lư ng mặt trờồ ợ i và acquy bị thiếu thì hệ ống sẽ dùng thnguồn đi n lư i cung c p cho tảệ ớ ấ i tiêu th và s c cho acquy ụ ạ

Ngoài ra hệ thống còn tích hợp chương trình b o vả ệ ắc quy thông minh ,ưu tiên sử dụng năng lượng mặt tr i và h n chờ ạ ế việc sử dụng điện lư i s c cho c quy ớ ạ ắ

10

Hình 1.9 H ệ thống điện mặt trời hòa lưới

1.2.7.2 Hệ thống điện năng lượng mặt trời độc lập:

Đây được xem là h thốệ ng đi n cá nhân, không liên quan tớệ i m ng lư i đi n ạ ớ ệquốc gia, hệ thống này rất thích hợp cho các vùng sâu xa chưa có nguồn điện qu c ốgia Các tấm pin năng lư ng mặợ t trời có nhiệm vụ ấ h p thụ ứ b c xạ mặt tr i và ờchuyển thành dòng điện một chi u (DC) Dòng điện DC này đượề c n p vào hệ thống ạlưu trữ ắ ( c quy) thông qua b đi u khi n sạộ ề ể c Cu i cùng thông qua bộố chuy n đ i ể ổ

điện áp DC – AC (inverter) Dòng điện một chi u đư c chuyề ợ ển đổi thành dòng điện xoay chi u sề ử ụ d ng cho các thi t b đi n dân dế ị ệ ụng thường ngày

Hình 1.10 H ệ thống điện năng lượng mặt trời độc lập

11

1.3 S dử ụ ng năng lư ng mặt trờ ợ i

Việc sử ụ d ng năng lư ng mặợ t trời ở Việt Nam đang dần phát tri n mạnh ểnhưng rất ít người biết cách sử dụng năng lượng m t tr i là gì Khi l p đặ ệặ ờ ắ t h thống năng lượng m t trời cầặ n m i ngư i phảọ ờ i chú ý trong việc lưu trữ, lắp đ t hay bảo ặtrì

Đầu tiên đó là an toàn k thu t, vì trong quá trình l p đ t pin m t tr i có kh ỹ ậ ắ ặ ặ ờ ảnăng sản sinh ra đi n áp DC ở ứệ m c đ nguy hi m nh t đ nh gây nh hư ng n ộ ể ấ ị ả ở đếngườ ắi l p đ t vì th ph i đ m b o cách đi n Ngoài ra, không đư c đ ng lên pin ặ ế ả ả ả ệ ợ ứlàm pin bị ỡ v ho c xưặ ớc bề ặ m t kính, không nên sử ụ d ng các tấm đã b vị ỡ, giữ nguyên các phần của module, không được lắp đặt khi bị ướt hay khi có gió lớn,

đảm b o k t n i c a m ch ả ế ố ủ ạ

Lắp đ t: Hệ thống pin mặt trờặ i nên đư c gắn cố định miếng pin ở trên mái ợnhà, hãy nhớ phả ểi đ khoảng hở cách mái nhà t i thi u 12cm, các tố ể ấm module phải cách nhau tối thi u 1cm Si t các module lể ế ại và dùng ít nhất 4 kẹp đ c nh lại ể ố địkhung

Đấu dây: Nên để người có chuyên môn vào làm việc này vì nếu đấu sai 1 dây

dụng ở ất cả ọ t m i nơi, ch ầỉ c n là nơi có ánh n ng mặt trời.ắ

Không gây ô nhiễm môi trư ng ờ

Hiệu quả cao, chi phí ho t đạ ộng thấp

Áp dụng rộng rãi cho nhiều đi m mù v đi n ởể ề ệ nhi u qu c gia khác nhau ề ốCông nghệ ả s n xuất ngày càng tân ti n vì th chi phí càng ngày càng thế ế ấp và công suất tăng theo th i gian ờ

12

Mậ ột đ năng lượng thấp vì thế ần tấ c m năng lư ng m t tr i khá l n đ đáp ợ ặ ờ ớ ể

ứng đ s d ng ủ ử ụ

1.3.2 Lợi ích của năng lượng mặt trời

Giảm việc ô nhiễm môi trư ng: Khi sử ụờ d ng nguồn năng lư ng mặt tr i thì ợ ờviệc gây ra các chấ ột đ c h i và ạ ảnh hưởng tới môi trường sống ít nh t trong các ấnguồn năng lượng Nó không t o ra các khí gây hiạ ệu ứng nhà kính như CO2, CH4, N2O, và cũng không làm ảnh hư ng t i ngu n nư c Ngoài ra nó không phải ở ớ ồ ớbảo dưỡng nhiều, đỡ cho vi c ô nhiệ ễm trên mỗi lần bảo dưỡng, khi hoạ ột đ ng cũng không gây ra tiếng ồn giảm thiểu ô nhiễm tiếng n.ồ

Giảm chi phí cho s d ng năng lư ng: Việc sử ụử ụ ợ d ng nguồn đi n năng lư ng ệ ợ

mặt trời cũng có th coi như tạể o ra đi n cho chính bản thân nên việ ốệ c t n kém chi phí từ các d ch vụị là không c n Tuy nhiên phải dầ ựa trên nhu cầu mà sử ụ d ng các

tấm năng lư ng khác nhau nợ ếu không sẽ gây ra s thiự ếu hụt hoặc lãng phí nguồn năng lượng

S dử ụng theo khung giờ: Ở Vi t Nam, ban ngày chủ ếệ y u mọi ngư i sẽ làm ờviệc, vì thế nhu cầu s d ng năng lượng có xu hư ng tăng vào tử ụ ớ ầm 17h - 22h Trong khoảng thời gian đó hầu h t mế ọi ngư i đờ ều đã về nhà và sinh hoạt Theo đó, ngườ ử ụi s d ng nguồn năng lư ng mặợ t tr i có th tích tr đi n vào ban ngày đ s ờ ể ữ ệ ể ửdụng trong khoảng thời gian đó nhi u, đ n thời gian khác có thể giảm công suất ề ếphát đi n đệ ể ả gi m thi u tiêu hao ể

Năng lượng m t trời có thểặ áp d ng mụ ở ọi nơi: Chỉ ầ c n nơi đó có ánh n ng ắ

mặt trời là có thể ử ụ s d ng đi n năng lư ng mặt trời, cái này rất lợi khi sử ụng ệ ợ dvùng núi sâu xa chưa h có điề ện quốc gia

1.3.3 Ứng dụng năng lượng mặt trời

H ệ thống nư c nóng năng lướ ợng m t tr i: Vặ ờ ới tính năng bình nước nóng năng lượng m t trời có lẽặ không xa l gì v i mọạ ớ i ngư i Nhất là vào mùa lạờ nh thì ng ứdụng năng lượng mặt tr i Vi t Nam ờ ở ệ vào bình nước nóng là c c k c n thiết ự ỳ ầ

H ệ thống sưởi ấm b ng năng lượằ ng m t tr i c a các tòa nhà: Các tòa nhà l n, ặ ờ ủ ớcao ốc thường có diện tích tiếp xúc với mặt trời khá nhiều vì thế ệ vi c sử ụ d ng hệ thống đi n năng lượng mặt tr i hoàn toàn thích hệ ờ ợp

Bơm năng lượng mặt tr i: V i 1 s nơi làm nông nghi p thì vi c tư i tiêu là ờ ớ ố ệ ệ ớ

cực kỳ ần thiết, với tấ c m năng lư ng mặt trời họ không cần phảợ i kéo dây đi n đi ệ

tới chỗ nông sản

Ngoài ra còn các thiết bị ử ụ s d ng như: S d ng năng lư ng mặử ụ ợ t trờ ểi đ thắp sáng, nấu ăn, đ ng hồ, sạồ c pin, xe đi n, ệ

13

1.4 Kết luận

Có th nói tiế ềm năng của các dạng năng lượng tái t o là c c kạ ự ỳ ớ l n, đặc biệt

là việc khai thác nguồn năng lượng mặt trời, nhất ởlà mi n trung và miền nam có ềcường đ chi u sáng c c kỳộ ế ự cao, trung bình t m 5 kWh trên 1 mét vuông Miền ầ

bắc thì thấp hơn, ch khoảng 4 kWh trên 1 mét vuông do khá nhiều mây mưa vào ỉ

đợt cu i năm Vi t nam, b c x m t tr i trung bình 150 kcal trên 1 mét vuông, ố Ở ệ ứ ạ ặ ờtầm 2.000 đến 5.000 giờ trên năm, nhất là số ngày n ng bình quân ắ ở miền trung và miền nam là khoảng 300 ngày 1 năm Năng lư ng mặt trời là nguồn năng lượng ợ

vô cùng to lớn, chúng ta cần phải khai thác nguồn năng lư ng này đợ ể thay thế ầ d n cho các nguồn năng lư ng khác đang d n cạn kiệt ợ ầ

14

Hình 2.3 T bào pin PV không tinh th ế ể (vô định hình)

Hình 2.2 T ế bào pin PV đa tinh thể Hình 2.1 T ế bào pin PV đơn tinh thể

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH MÔ PHỎNG PIN PV VÀ CÁC BỘ CHUYỂ N Đ ỔI

DC-DC

2.1 Mô hình pin mặt trời

Các mô đun xếp thành t m pin năng lượng mặấ t tr i ờ

Pin năng lượng m t tr i là thi t b bao g m nhi u tế ặ ờ ế ị ồ ề bào quang điện là ph n ầ

t ử bán dẫn có chứa trên bề ặt một số lượng lớn các cảm biế m n ánh sáng là đi t ốquang, thực hiện biến đ i năng lưổ ợng ánh sáng mặt tr i thành năng lư ng đi n ờ ợ ệCường đ dòng đi n, hi u đi n th ho c đi n tr c a pin m t tr i thay đ i ộ ệ ệ ệ ế ặ ệ ở ủ ặ ờ ổphụ thuộc vào lượng ánh sáng chiếu lên chúng Tế bào quang đi n đưệ ợc ghép thành khối để trở thành pin mặt trời, thông thường 60 ho c 72 t bào quang điệặ ế n trên m t ộ

tấm pin mặt trời Tế bào quang điện có khả năng hoạ ột đ ng dư i ánh sáng mặt trời ớhoặc ánh sáng nhân tạo

15

Hình 2.4 C u t o cấ ạ ủa pin năng lượng mặt trời

2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin năng lượng m t tr i ặ ờ

Dựa trên nguyên lý hiệ ứu ng quang đi n – hi u ng quang đi n t o ra dòng ệ ệ ứ ệ ạ

điện bằng cách chuyển đổi năng lư ng m t tr i dư i d ng ánh sáng (tia c c tím ợ ặ ờ ớ ạ ự

UV hoặc tia h ng ngoạồ i IR) thành dòng đi n trựệ c ti p ế

Các tế bào quang điện (PV) là các thi t b bán dẫn đượế ị c làm t các t m silicon ừ ấ(Si) có độ tinh khiết cao, được pha tạp v i các tạp chấ ặc biệt cho chúng nhiều ớ t đ

“electron” và “lỗ trống” trong c u trúc mấ ạng của chúng

Các tế bào quang đi n tạệ o ra dòng đi n tạệ o ra dòng đi n DC có thể biến đổi ệ

t l ỷ ệ thuận với kích thước của chúng và lượng bức x m t tr i rơi trên tấm silicon ạ ặ ờCác tế bào quang điện (pv) th c ch t là các thi t b bán d n silic, Chúng bao ự ấ ế ị ẫ

gồm một lớp l ạo i P (dương) và m t lớộ p N (âm) đư c ghép nối vớợ i nhau đ ạo ể tthành m t liên k t Pộ ế - N

Khi 2 l p bán d n P và N ti p xúc vớ ẫ ế ới nhau do s chênh lự ệch về m t đ ậ ộelectron nên các h t electron này sạ ẽ khuếch tán từ bán d n N sang P, lỗ ốẫ tr ng sẽ khuếch tán ngư c tợ r lở ạ ừ P i t sang N Sự khuếch tán này làm cho phần bán dẫn N sát l p tiớ ếp xúc sẽ tích đi n dương, còn phệ ần bán dẫn P ngay đối diện sẽ tích đi n ệ

âm

Trong mi n tiề ếp xúc lúc này hình thành điện trường hướng từ bán dẫn N sang

P, đi n trưệ ờng s ngăn c n s khu ch tán ti p tụẽ ả ự ế ế c c a các h t d n qua l p ti p xúc ủ ạ ẫ ớ ếKhi ánh sáng chi u lên l p P ế ớ – N cặp electron ỗ trố– l ng đư c hình thành, bị ợtách ra dưới tác dụng của điện trư ng ti p xúc và b gia t c vềờ ế ị ố phía đ i diệ ạố n t o thành m t sộ ức đi n đ ng quang đi n ệ ộ ệ

16

Sức đi n đ ng quang đi n này phụ thuộc vào bản chệ ộ ệ ất chất c a lo i bán dủ ạ ẫn, nhiệ ộ ề ặt đ b m t tiếp xúc, bước sóng và cư ng đ ánh sáng t i bờ ộ ớ ề ặ m t v t li u tiậ ệ ếp xúc Sau đó Pin năng lượng m t tr i đư c n i tr c ti p vào mạch ngoài và tạo nên ặ ờ ợ ố ự ếdòng điện

Hình 2.5 Nguyên lý hoạ ộ t đ ng của pin năng lượng mặt trời

2.3 Đặc tính làm vi c c ệ ủa pin mặt trời

2.3.1 Sơ đồ tương đương của pin mặt trời:

Hình 2.6 Sơ đồ tương đương với các phầ ử ủa pin năng lượn t c ng mặt trờ i

Khi được chi u sáng thì pin m t tr i phát ra m t dòng quang đi n Iế ặ ờ ộ ệ ph vì vậy pin mặt tr i có th xem như m t nguồờ ể ộ n dòng

Lớp tiếp xúc p n có tính chất chỉnh lưu tương đương như một diode D Tuy – nhiên khi phân cực ngư c, do đi n trở tiếợ ệ p xúc có giới hạn nên v n có mẫ ột dòng điện rò qua nó Ðặc trưng cho dòng diện rò qua l p ti p xúc p – ớ ế n là điện trở shunt

Rsh

Ish

17

Dòng quang điện ch y trong m ch phạ ạ ải đi qua các lớp bán dẫn p và n, các điện cực, các tiếp xúc… Ðặc trưng cho t ng các điổ ện trở của các lớp đó là một di n ệtrở Rs mắc nối tiếp trong mạch

Iph : Dòng quang điện [A]

Is: Dòng bão hòa qua diode [A]

ID : Dòng qua diode, [A]

n : Hệ ố s lý tư ng của diode ở

Rs: Điện trở ối tiếp [Ω] n

Rp : Điện trở song song [Ω]; Gp = 



k : Hằng số Boltzman, k = 1,3806.10-23J/K

q : Điện tích electron, q = 1,6022.10-19 C

Ns : Số ế bào trong tấm pin t

T ừ sơ đồ trên, chúng ta xây dựng đư c sơ đồ tương đương tổợ ng quát c a pin ủ

mặt trời như sau:

2.3.2 Phương trình Kirchoff dòng điện

Vmp, chúng ta cần quy các ph n tầ ử ủ c a phương trình (9) v các giá tr đó ề ị

Đặt các giá tr như sau: Rị scó giá trị ất nhỏ r

21

2.4.4 Sơ đồ mô phỏng pin năng lượng mặt tr i ờ

Hình 2.10 Sơ đồ khối mô phỏng pin năng lượng mặt trời

Chúng ta tiến hành lấy ng u nhiên bẫ ấ ỳ một module pin mặt tr i trong t k ờ ph n ầ

mềm Matlab/Simulink Ví dụ module pin năng lượng mặt tr i có các thông số như ờsau:

22

2.5 Ả nh hư ng của cườ ở ng đ sáng đ n pin năng lượ ộ ế ng m t tr i ặ ờ

Hình 2.12 Ảnh hưởng của cường độ sáng đến pin năng lượng mặt trời

Khi thay đổi cư ng đ sáng m t tr i t 0.25kW/mờ ộ ặ ờ ừ 2 đến kW/m1 2 chúng ta

được các đường đặc tính P-V và V I như trên Có th k t lu n như sau: - ể ế ậ

Dòng ng n mắ ạch Isc t l ỉ ệ thuận với cư ng đờ ộ bức xạ chiếu sáng Cư ng đờ ộ

bức xạ càng lớn thì dòng Isc càng lớn và ngư c lại ợ

Do dòng điện và đi n áp tăng d n tới công suấệ ẫ t ho t d ng của pin cũng tăng ạ ộhay nói cách khác điểm MPP có công suất lớn nhất cũng tăng lên, di chuyển về phía trên khi cường đ chiếu sáng củộ a m t trặ ời tăng

23

2.6 Ả nh hư ng của nhiệ ở t đ n pin năng lượng mặ ộ đế t tr i ờ

Hình 2.13 Ảnh hưởng c a nhiủ ệt độ đến pin năng lượng mặt trời

Khi thay đổi nhi t độệ sáng m t trời từ 100ặ oC đến 0oC chúng ta được các

đường đ c tính P-ặ V và V I như trên Có th k t lu- ể ế ận như sau:

Khi nhiệt độ tăng thì điện áp ho t độạ ng c a pin m t tr i gi m m nh, còn dòng ủ ặ ờ ả ạđiện thì tăng ít Vì vậy công suất pin m t trặ ời giảm dần khi nhiệt độ tăng, đ t công ạ

suất lý tư ng tại 25˚C.ở

2.7 B ộ chuyể n đ i DC DC ổ

-2.7.1 Giới thi u chung ệ

Như chúng ta đã biết thì ngu n đi n là m t ph n r t quan trồ ệ ộ ầ ấ ọng đố ới v i m t ộmạch điện hay mộ ệt h thống đi n nào đó Ngu n điệ ồ ện ảnh hưởng trực ti p đếế n ho t ạ

được biến đổi thành ngu n DC khác hay nhiồ ều ngu n DC cung c p cho h th ng ồ ấ ệ ố

Ví dụ như chúng ta có 1 ngu n DC đ u vào là 12V mà hệ thống cần nguồồ ầ n đầu ra

DC là 100V thì lúc này chúng ta ph i biả ến đ i đi n áp từổ ệ 12V lên 100V đ chạy ểđược h th ng ệ ố

Hình 2.14 Sơ đồ chung của b chuyộ ển đổi DC DC

-Trong sơ đồ khối trên điện áp ngõ vào là Vin và điện áp ngõ ra là Vout (đều là

điện áp DC) M c đích c a b biếụ ủ ộ n đổi DC-DC là cung cấp ngõ ra DC cho điện trở ả t i thay đổi từ ệ đi n áp ngõ vào dao động

Có rất nhiều ứng d ng cụ ủa b biến đổi DC-DC như trong bộ ộ nghịch lưu: chuyển dòng điện 1 chiều thành dòng điện xoay chiều, trong hệ thống điện pin m t ặtrời, trong bộ ề đi u khiển đ ng cơ DCộ …

2.8 Phân loại các bộ ế bi n đổi DC-DC:

Trên th c t , có rự ế ất nhi u bề ộ chuyển đ i DC-DC đã đượổ c ch tạo và áp dụng, ếtrong khuôn khổ ủ c a lu n văn này, chúng ta xem xét ba lo i b bi n đ i như sau: ậ ạ ộ ế ổ

B ộ biến đ i giảm áp (Buck)ổ

B ộ biến đ i tăng áp (Boost)ổ

B ộ biến đ i tăng giảm áp (Buck Boost) ổ – –

25

Hình 2.15 Sơ đồ nguyên lý b biộ ến đổi Buck converter

2.8.1.1 Nguyên lý hoạ ộ t đ ng khi khóa S đóng:

Hình 2.16 Nguyên lý hoạt động khi khóa S đóng (Buck converter)

Khi khóa S đóng dòng điện đi từ ngu n Vồ d đến nạp cho cuộn dây L, vòng qua tụ ệ đi n C, qua t i và tr v ngu n, dòng điện ở v ịtrí Iả ở ề ồ max

Điện áp trên cu n dây L: ộ V = V V

L D

L D

2.8.1.2 Nguyên lý hoạ ộ t đ ng khi khóa S mở:

Hình 2.18 Nguyên lý hoạt động khi khóa S m ở (Buck converter)

LD

  ( )