Công nghệ năng lượng tái tạo và chính sách của chính phủ khuyếnkhích sử dụng các nguồn năng lượng này để đảm bảo sự phát triển bền vững là nhữngyếu tố chính thúc đẩy việc áp dụng năng lư
Trang 1BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
NGUYỄN HỒNG NGUYÊN
TÌM HIỂU VÀ NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT HỆ THỐNG ĐIỆN
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
HÀ NỘI, 2024
Trang 2BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
NGUYỄN HỒNG NGUYÊN
TÌM HIỂU VÀ NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT HỆ THỐNG ĐIỆN
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Tùng Linh
HÀ NỘI, 2024
Trang 4LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam kết các nội dung lý thuyết trình bày trong luận văn này là do tôitham khảo các tài liệu và biên soạn lại, tất cả các kết quả mô phỏng, thực nghiệm đều
do chính bản thân tôi tự làm ra, hoàn toàn không phải sao chép của từ bất kỳ một tàiliệu hoặc công trình nghiên cứu nào khác
Nếu tôi không thực hiện đúng các cam kết nêu trên, tôi xin chịu hoàn toàn
trách nhiệm trước kỷ luật của nhà trường.
Hà nội , ngày tháng năm 2024
Tác giả
Nguyễn Hồng Nguyên
Trang 5LỜI CẢM ƠN
Trước tiên tôi xin cảm ơn thầy hướng dẫn luận văn của tôi là TS Nguyễn TùngLinh - Giảng viên hướng dẫn trực tiếp Cảm ơn vì cánh cửa đến văn phòng của thầyluôn rộng mở mỗi khi tôi gặp phải rắc rối hoặc có câu hỏi về vấn đề nghiên cứu củamình Thầy vẫn luôn cho phép tôi tự do bày tỏ quan điểm đồng thời đưa ra những nhậnxét, góp ý, dẫn dắt tôi đi đúng hướng trong suốt thời gian nghiên cứu, thực hiện đề tàiluận văn thạc sĩ
Tôi cũng xin cảm ơn các thầy cô trong khoa Kỹ thuật điều khiển & Tự độnghóa – Trường Đại học Điện Lực đã truyền đạt cho tôi những kiến thức chuyên sâu vềchuyên ngành trong suốt thời gian học tập để tôi có được nền tảng kiến thức hỗ trợ rấtlớn cho tôi trong quá trình làm luận văn thạc sĩ
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình và bạn bè vì đã luôn hỗ trợ tôi vàkhuyến khích liên tục trong suốt những năm học tập và qua quá trình nghiên cứu vàviết luận văn này Thành tựu này sẽ không thể có được nếu không có họ
Xin chân thành cảm ơn!
Hà nội , ngày tháng năm 2024
Tác giả
Nguyễn Hồng Nguyên
Trang 6TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN
Thế giới đang tiến xa trong việc sử dụng năng lượng tái tạo, đặc biệt là nănglượng mặt trời Công nghệ năng lượng tái tạo và chính sách của chính phủ khuyếnkhích sử dụng các nguồn năng lượng này để đảm bảo sự phát triển bền vững là nhữngyếu tố chính thúc đẩy việc áp dụng năng lượng tái tạo
Hiệu suất của hệ thống PV phụ thuộc nhiều vào các yếu tố bất định, trong đó yếu
tố bóng che, nhiệt độ, là hai yếu tố tác động lớn đến hiệu suất của PV, đây cũng là bàitoán được rất nhiều các nhóm nghiên cứu trên thế giới tìm hiểu và đề xuất giải thuật
Trong đề tài này, tác giả tìm hiểu các thuật toán đã được đề xuất để giải quyếtbài toán MPPT, thông qua việc tìm hiểu các thuật toán, trong đề tài này tác giả nghiêncứu tìm hiểu các giải thuật tìm điểm cực đại công suất của pin mặt trời đặc biệt là giảithuật P&O từ đề xuất cải tiến thuật toán P&O, kết quả nghiên cứu được mô phỏng vàđánh giá cho kết quả tin cậy
Nguyễn Hồng Nguyên
Trang 7MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN i
LỜI CẢM ƠN ii
TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN iii
MỤC LỤC iv
DANH MỤC HÌNH VẼ vi
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ix
LỜI MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 2
1.1 Năng lượng mặt trời 2
1.1.1 Cấu trúc của mặt trời 2
1.1.2 Năng lượng mặt trời 3
1.1.3 Bức xạ năng lượng mặt trời 4
1.1.4 Phổ Bức xạ năng lượng mặt trời chiếu xuống bề mặt trái đất 5
1.1.5 Sự suy giảm của cường độ bức xạ năng lượng mặt trời 7
1.2 Cấu tạo và hoạt động của Pin năng lượng mặt trời 9
1.2.1 Khái niệm 9
1.2.2 Mô phỏng tế bào quang điện và đặc tính P-V 11
1.3 Cấu trúc hệ thống điện năng lượng mặt trời 13
1.3.1 Mô hình lắp đặt hệ thống điện năng lượng mặt trời 14
1.3.2 Cấu trúc hệ thống điện mặt trời nối lưới 15
1.3.3 Hệ thống điện năng lượng mặt trời độc lập 16
1.3.4 Hệ thống điện năng lượng mặt trời lai 17
1.4 Nhận xét chương 1 17
CHƯƠNG 2 ĐỀ XUẤT GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN BÁM SUẤT CỰC ĐẠI CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 18
2.1 Mô hình hóa toán học hệ thống pin năng lượng mặt trời 18
2.1.1 Mô hình một diode 18
2.1.2 Mô hình hai diode 19
2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống điện mặt trời 20
2.3 Ảnh hưởng của bức xạ và nhiệt độ lên đặc tính P-V 22
Trang 82.4 Dò điểm công suất cực đại (MPPT) 24
2.4.1 Sử dụng bộ biến đổi điện áp DC 25
2.4.2 Một số mạch biến đổi điện áp DC cơ bản: 26
2.5 Một số giải thuật tìm điểm công xuất cực đại 28
2.5.1 Các thuật toán thông thường 31
2.5.2 Thuật toán meta-heuristic 31
CHƯƠNG 3 ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN GIẢI THUẬT TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CHO HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI 57
3.1 Giải pháp đề xuất 57
3.2 Kết quả mô phỏng và đánh giá 62
3.3 Nhận xét và đánh giá 72
Trang 9DANH MỤC HÌN
Hình 1-1 Cấu trúc mặt trời 2
Hình 1-2 Dải bước sóng của năng lượng mặt trời 4
Hình 1-3 Đường kinh tuyến và vĩ tuyến của trái đất 5
Hình 1-4 Bức xạ năng lượng mặt trời trong và ngoài khí quyển 6
Hình 1-5 Định nghĩa và cách xác định giá trị air mass 8
Hình 1-6 Tấm Pin năng lượng mặt trời được cấu tạo từ nhiều Cell 10
Hình 1- 7 Mô hình tương đương của tế bào quang điện 11
Hình 1- 8 Các đường đặc tính P-V của tế bào quang điện 12
Hình 1-9 Mô hình điện năng lượng nối lưới trực tiếp 14
Hình 1-10 Mô hình điện năng lượng mặt trời độc lập 15
Hình 1-11 Mô hình điện năng lượng mặt trời vừa nối lưới vừa có lưu trữ (Hybrid) 15
Hình 1-12 Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời nối lưới 16
Hình 1-13 Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời độc lập 16
Hình 1-14 Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời lai 17
YHình 2-1 Sơ đồ mô hình 1 diode 18
Hình 2-2 Sơ đồ tương đương 2 diode 19
Hình 2-3 Đặc tuyến P-V, I-V và P-I khi thay đổi bức xạ và nhiệt độ 23
Hình 2-4 Đặc tuyến P-V thay đổi: a: bức xạ hoặc nhiệt độ; b: cả bức xạ và nhiệt độ 23
Hình 2-5 Sơ đồ tương đương pin mặt trời nối tải 24
Hình 2-6 Điểm làm việc của pin mặt trời 25
Hình 2-7 Sơ đồ khối bộ biến đổi điện áp nối pin mặt trời 25
Hình 2-8 Sơ đồ nguyên lý mạch Buck 26
Hình 2- 9 Sơ đồ nguyên lý mạch Boost DC 27
Hình 2- 10 Sơ đồ biến đổi điện áp Buck - Boost 28
Hình 2-11 Đường cong P-V của hệ thống PV trong PSC 31
Hình 2-12 So sánh MPPT của DynNP-DE và DE 32
Hình 2-13 Cấu trúc tối ưu hóa của MSSA 36
Hình 2-14 So sánh MPPT của FPA và MFPA (a) FPA và (b) MFPA 37
Hình 2-15 Kết quả mô phỏng của thuật toán Monkey king evolution 38
Hình 2-16 So sánh MPPT của IGSA, GSA và PSO (a) công suất và (b) điện áp 40
Hình 2-17 Lưu đồ của FWA 40
Hình 2-18 So sánh MPPT của MBA và TLBO, (a) trường hợp 1 và (b) trường hợp 241 Hình 2-19 So sánh MPPT của IPSO, GWO và WODE 43
Hình 2-20 Khung tối ưu hóa của DLCI 45
Hình 2-21 So sánh MPPT của P&O, P&O cải tiến và AFL-ANN 46
Hình 2-22 Lưu đồ thuật toán ABC-P & O 48
Trang 10Hình 2-23 So sánh MPPT của MFS và FS 49
Hình 2-24 So sánh MPPT của GPS, PSO và P&O (a) công suất và (b) điện áp 50
Hình 2-25 So sánh MPPT của ESC và EQmESC 51
Hình 2-26 Sơ đồ khối điển hình của FLC 51
Hình 2-27 Cấu trúc và nguyên tắc của ANN 53
Hình 2-28 Nguyên tắc tối ưu hóa MRL 53
Hình 2-29 Nguyên tắc tối ưu hóa của TRL 55
YHình 3-1 Các kiểu bóng che theo: a: hàng; b: cột; c: một góc; d&e: đường chéo; f, g, h: một phần 57
Hình 3-2 Cấu trúc hệ thống mô phỏng trong PSIM 58
Hình 3-3 Sơ đồ cải tiến giải thuật P&O đề xuất 61
Hình 3-4 Dạng sóng P, V và D khi MPPT trong các trường hợp bóng che 62
Hình 3-5 So sánh hai giải pháp MPPT trong điều kiện tiêu chuẩn 63
Hình 3-6 MPPT khi bức xạ thay đổi giảm tại nhiệt độ 25oC 64
Hình 3-7 MPPT khi bức xạ thay đổi tăng tại nhiệt độ 25oC 65
Hình 3-8 So sánh MPPT khi thay đổi cả bức xạ và nhiệt độ 66
Hình 3-9 So sánh tốc độ MPPT và số lượng các bước lặp của hai giải pháp 67
Hình 3-10 Sơ đồ kết nối mô hình thực nghiệm 67
Hình 3-11 Kết quả thực nghiệm TH2 68
Hình 3-12 Kết quả thực nghiệm TH3 68
Hình 3-13 Kết quả thực nghiệm TH4 69
Hình 3-14 Pmax của PV khi bức xạ thay đổi 71
Hình 3-15 GMPPT khi bức xạ thay đổi liên tục 71
Trang 11DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2-1 So sánh MPPT của CSO, QCSO và CQCSO 38
Bảng 2-2 Kết quả MPPT của WDO 42
Bảng 2-3 So sánh MPPT của GA, FA và MGA-FA 44
Bảng 2-4 so sánh hiệu suất tối ưu điểm MPPT 45
Bảng 2-5 So sánh MPPT của PSO, FPA và Jaya-DE 47
Bảng 3- 1 Kết quả MPPT của giái pháp đề xuất cho các kiểu bóng che 62
Bảng 3- 2 Các trường hợp thay đổi bức xạ và nhiệt độ trong thử nghiệm 66
Bảng 3- 3 So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm 70
Bảng 3- 4 So sánh kết quả của các giải thuật tối ưu điểm MPPT 70
Trang 12DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Trang 13STT Viết tắt Nghĩa Tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt
1 ABCO Artificial bee colony
optimization
Thuật toán tối ưu hóa đàn ongnhân tạo
2 ACO Ant Colony Optimization Thuật toán tối ưu hóa đàn kiến
3 AFSA Artificial fish swarm
algorithm
Thuật toán bầy cá nhân tạo
4 ANN Artificial Neural Network Mạng nơ ron nhân tạo
7 BA Bat search algorithm Thuật toán tìm kiếm dơi
algorithm
Thuật toán tối ưu hóa bướm
cu
11 CSO Chicken swarm optimization Thuật toán tối ưu hóa đàn gà
12 CSO Cat swarm optimization Thuật toán tối ưu hóa đàn mèo
14 DC/AC Direct current/Alternating
17 DEPSO Differential
Evolution-Particle Swarm Optimization
Thuật toán phương pháp kếthợp giữa PSO và DE
18 DLCI Dynamic leader based
collective intelligence
Chiến lược năng động dựa trêntrí thông minh tập thể
20 ESC Extreme Search Control Thuật toán điều khiển tìm
kiếm cực trị
22 FPA Flower pollination algorithm Thuật toán thụ phấn hoa
24 FWA Fireworks algorithm Thuật toán pháo hoa
25 GA Genetic Algorithm Thuật toán di truyền
Trang 14LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay năng lượng sạch đang là vấn đề được các quốc gia quan tâm, song songvới nhu cầu phát triển đó sự phát triển của khoa học công nghệ cũng được nghiên cứumạnh mẽ về công nghệ vật liệu, công nghệ điều khiển, các bài toán tối ưu,…
Nhiệt độ, bóng che là hai trong nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống
PV Bài toán tìm điểm công suất cực đại MPPT là bài toán được nhiều nhà khoa học,nhiều nhóm nghiên cứu quan tâm
Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn, tác giả tìm hiểu các khái niệm, cấu trúc,
ưu điểm, các bài toán trong hệ thống điện năng lượng mặt trời Tìm hiểu bài toánMPPT, các phương pháp giải quyết bài toán Thông qua việc tìm hiểu thuật toán P&O,
đó là phương pháp nhiễu loạn và quan sát - Perturb and Observer (P&O) Từ đó đề
xuất cải tiến thuật toán P&O để nâng cao độ chính xác và tốc độ xử lý
Kết quả nghiên cứu được mô phỏng trên phần mềm Psim và thiết kế mô hình đểđánh giá và đo kiểm tra Kết quả nghiên cứu có độ chính xác cao, thời gian nhanh vàtin cậy
Trang 15CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Trong chương này tác giả trình bày tổng quan về hệ thống điện năng lượng mặt trời bao gồm: cấu trúc, thành phần của hệ thống điện năng lượng, tìm hiểu về tế bào quang điện và đường đặc tính P-V Thông qua chương này, tác giả giới thiệu một số bài toán điều khiển cần được nghiên cứu trong hệ thống điện năng lượng mặt trời.
1.1 Năng lượng mặt trời
Năng lượng mặt trời là một trong các nguồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất màthiên nhiên ban tặng cho hành tinh chúng ta Đồng thời nó cũng là nguồn gốc của cácnguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió, năng lượng sinh khối, năng lượngcác dòng sông… Năng lượng mặt trời có thể nói là vô tận Tuy nhiên, để khai thác, sửdụng nguồn năng lượng này cần phải biết các đặc trưng và tính chất cơ bản của nó, đặcbiệt khi tới bề mặt quả đất
1.1.1 Cấu trúc của mặt trời
Có thể xem mặt trời là một quả cầu khí ở cách quả đất 1,49.108 km Từ trái đấtchúng ta nhìn mặt trời dưới một góc mở là 31’59 Từ đó có thể tính được bán kính củamặt trời là R = 1,4.106 km, tức là bằng 109 lần đường kính quả đất và do đó thể tíchcủa mặt trời lớn hơn thể tích quả đất 130.104 lần Từ định luật hấp dẫn người ta cũngtính được khối lượng của mặt trời là 1,989.1027 tấn, lớn hơn khối lượng quả đất 33.104lần
Mật độ trung bình của mặt trời là 1,4g/cm3, lớn hơn khối lượng riêng của nước(1g/ cm3) khoảng 50% Tuy nhiên mật độ ở các lớp vỏ khác nhau của mặt trời rất khácnhau Ở phần lõi của mặt trời, do bị nén với áp suất rất cao nên mật độ lên tới160g/cm3, nhưng càng ra phía ngoài mật độ càng giảm và giảm rất nhanh
Trang 16Hình 1-1 Cấu trúc mặt trời
Một cách khái quát có thể chia mặt trời thành hai phần chính: phần phía trong vàphần khí quyển bên ngoài Phần khí quyển bên ngoài lại gồm 3 miền và được gọi làquang cầu, sắc cầu và nhật miện Còn phần bên trong của nó cũng có thể chia thành 3lớp và gọi là tầng đối lưu, tầng trung gian và lõi mặt trời Một số thông số của các lớpcủa mặt trời được cho trên Hình 1.1
Từ mặt đất nhìn lên ta có cảm giác mặt trời là một quả cầu lửa ổn định Thực ra bêntrong mặt trời luôn luôn có sự vận động mạnh mẽ không ngừng Sự ẩn hiện của cácđám đen, sự biến đổi của quầng sáng và sự bùng phát dữ dội của khu vực xung quanhcác đám đen là bằng chứng về sự vận động không ngừng trong lòng mặt trời Ngoài ra,bằng kính thiên văn có thể quan sát được cấu trúc hạt, vật thể hình kim, hiện tượngphụt khói, phát xung sáng luôn luôn thay đổi và rất dữ dội
1.1.2 Năng lượng mặt trời
Năng lượng mặt trời là bức xạ ánh sáng và nhiệt từ mặt trời được con người khaithác và lưu trữ và chuyển đổi thành điện năng thông qua tấm pin năng lượng mặt trời.Đây là nguồn năng lượng gần như vô tận
Năng lượng mặt trời gần như không có ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường, là mộtnguồn nguyên liệu sạch, thân thiện, góp phần bảo vệ môi trường và giảm thiểu hiệuứng nhà kính
Về mặt vật chất thì mặt trời chứa đến 78,4% khí Hydro (H2), Heli (He) chiếm19,8%, các nguyên tố kim loại và các nguyên tố khác chỉ chiếm 1,8% Năng lượng domặt trời bức xạ ra vũ trụ là một lượng khổng lồ Mỗi giây nó phát ra 3,865.1026J, tương
Trang 17đương với năng lượng đốt cháy hết 1,32.1016 tấn than đá tiêu chuẩn Nhưng bề mặt quảđất chỉ nhận được một năng lượng rất nhỏ và bằng 17,57.1016J hay tương đương nănglượng đốt cháy của 6.106 tấn than đá
Năng lượng khổng lồ từ mặt trời được xác định là sản phẩm của các phản ứng hạtnhân Theo thuyết tương đối của Anhxtanh và qua phản ứng nhiệt hạt nhân khối lượng
có thể chuyển thành năng lượng Nhiệt độ mặt ngoài của mặt trời khoảng 6000o K, còn
ở bên trong mặt trời nhiệt độ có thể lên đến hàng triệu đô Áp suất bên trong mặt trờicao hơn 340.108 MPa Do nhiệt độ và áp suất bên trong mặt trời cao như vậy nên vậtchất đã nhanh chóng bị ion hóa và chuyển động với năng lượng rất lớn Chúng vachạm vào nhau và gây ra hàng loạt các phản ứng hạt nhân Người ta đã xác định đượcnguồn năng lượng mặt trời chủ yếu do hai loại phản ứng hạt nhân gây ra Đó là cácphản ứng tuần hoàn giữa các hạt nhân Cacbon và Nitơ, và phản ứng hạt nhânProton.Proton
Khối lượng của mặt trời xấp xỉ 2.1027 tấn Như vậy để mặt trời chuyển hóa hết khốilượng của nó thành năng lượng cần một khoảng thời gian là 15.1013 năm Từ đó có thểthấy rằng nguồn năng lượng mặt trời là khổng lồ và vô tận
1.1.3 Bức xạ năng lượng mặt trời
Bức xạ mặt trời có bản chất là song điện từ, là quá trình truyền các dao động điện
từ trường trong không gian Trong quá trình truyền sóng, các vectơ cường độ điệntrường và cường độ từ trường luôn luôn vuông góc với nhau và vuông góc với phươngtruyền của sóng điện từ Quãng đường mà sóng điện từ truyền được sau một chu kỳdao động điện từ được gọi là bước sóng λ Trong chân không vận tốc truyền của sóngđiện từ gần đúng bằng c = 3.108 m/s Còn trong môi trường vật chất, vận tốc truyềncủa sóng nhỏ hơn và bằng v = c/n, trong đó n được gọi là chiết suất tuyệt đối của môitrường, với n ≥ 1 Các sóng điện từ có bước sóng trải dài trong một phạm vi rất rộng từ
107 nm (nano met) đến hàng nghìn km
Trang 18Hình 1-2 Dải bước sóng của năng lượng mặt trời
Ánh sáng nhìn thấy có bước sóng từ 0,4µm đến 0,8µm , chỉ chiếm một phần rấtnhỏ của phổ sóng điện từ của bức xạ mặt trời Mặc dù có cùng bản chất là sóng điện từnhưng các loại sóng điện từ có bước sóng λ khác nhau thì gây ra các tác dụng lý học,hóa học và sinh học rất khác nhau Nói riêng trong vùng phổ nhìn thấy được, sự khácnhau về bước sóng gây cho ta cảm giác màu sắc khác nhau của ánh sáng Khi đi từbước sóng dài µm đến giới hạn sóng ngắn µm ta nhận thấy màu sắccủa ánh sáng thay đổi liên tục từ đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím Mắt người nhạynhất với ánh sáng màu vàng có bước sóng µm Sự phân bố năng lượng đối vớicác bước sóng khác nhau cũng khác nhau Khi bức xạ mặt trời đi ngang qua tầng khíquyển bao quanh quả đất, nó bị các phân tử khí, các hạt bụi, hấp thu hoặc bị làm tán
xạ, nên phổ và năng lượng mặt trời khi đến bề mặt trái đất bị thay đổi rất đáng kể
1.1.4 Phổ Bức xạ năng lượng mặt trời chiếu xuống bề mặt trái đất
Quả đất bị bao bọc xung quanh bởi một tầng khí quyển có chiều dày H khoảng
7991 km bao gồm các phần tử khí, hơi nước, các hạt bụi, các hạt chất lỏng, chất rắn vàcác đám mây,…Vì vậy, khi bức xạ mặt trời xuyên qua lớp khí quyển đó để đến đượcmặt đất thì năng lượng của nó bị thay đổi đáng kể
Ở bên ngoài lớp khí quyển quả đất, công suất bức xạ mặt trời là hằng số và có giátrị là 1353W/ m2 Giá trị này được gọi là hằng số mặt trời Phổ của bức xạ mặt trời làmột đường cong liên tục có năng lượng chủ yếu nằm trong vùng bước sóng từ 0,1µmđến 3 µm (Hình 1-2) Đường phân bố này gần giống đường phân bố phổ bức xạ của
Trang 19một vật đen tuyệt đối ở nhiệt độ 5726 K Cực đại của phổ bức xạ mặt trời nằm ở bướcsóng 0,48µm và ứng với mật độ công suất 2.074W/m2
Hình 1-3 Đường kinh tuyến và vĩ tuyến của trái đất
Khi các bức xạ mặt trời xuyên vào lớp khí quyển quả đất, gặp các phân tử khí, hơinước, các hạt bụi, các hạt chất lỏng, bị tán xạ, phản xạ và hấp thụ nên một phần nănglượng của nó không tới được mặt đất Đối với những ngày trong sáng thì sự suy giảmnăng lượng của các tia bức xạ mặt trời do ba quá trình vật lý sau xảy ra một cách đồngthời:
- Sự hấp thụ chọn lọc do các phân tử hơi nước H2O, O2, O3 và CO2
- Sự tán xạ Rayleith trên các phân tử khí, các hạt bụi,
- Tán xạ Mie
Hình 1-4 Bức xạ năng lượng mặt trời trong và ngoài khí quyển
Trang 20Tán xạ Rayleith là sự tán xạ của tia mặt trời lên các phân tử khí hay các hạt bụi cókích thước rất nhỏ so với bước sóng λ của bức xạ Theo lý thuyết Rayleith thì hệ số tán
xạ trong quá trình này tỉ lệ với Một cách gần đúng, có thể đánh giá rằng, 50% nănglượng của các tia bức xạ tán xạ bị mất đi khi đi qua lớp khí quyển trái đất, chỉ còn 50%đến được quả đất theo các hướng khác nhau, và được gọi là bức xạ nhiễu xạ hay bức xạtán xạ Sự tán xạ xảy ra trên các hạt bụi nói chung có kích thước lớn hơn rất nhiều so vớikích thước các phân tử khí nên việc tính toán trở nên rất khó khăn Vì kích thước và mật
độ của chúng biến đổi từ vừng này sang vùng khác và còn phụ thuộc vào độ cao và thờigian Tán xạ Mie là tán xạ xảy ra khi kích thước của các hạt bụi lớn hơn bước sóng củabức xạ, khi đó sự suy giảm cưởng độ bức xạ do hai nguyên nhân: do sự tán xạ thực sự(phân bố lại năng lượng mới) và do sự hấp thụ bức xạ bởi các hạt bụi Trong nguyênnhân thứ 2, một phần năng lượng của bức xạ biến thành nhiệt Phần bức xạ còn lại saután xạ Mie, hướng đến quả đất nên cũng được gọi là bức xạ nhiễu xạ Do bức xạ bị hấpthu bởi các phần tử khí O2, O3 ở các vùng cao của lớp khí quyển nên vùng bước sóng tửngoại µm trong phổ mặt trời đã bị biến mất khi đến mặt đất Trong vùng hồngngoại, sự hấp thụ xảy ra chủ yếu do hơi nước H2O và CO2 Kết quả của các quá trình nóitrên làm cho cường độ bức xạ mặt trời tới mặt đất yếu đi rất nhiều so với ở ngoài vũ trụ
và đường cong phân bố phổ của nó ở mặt đất không còn được liên tục như ở ngoài khíquyển quả đất, mà bị “xẻ” thành nhiều “rãnh” hoặc các “vùng rãnh” như đã chỉ ra trênHình 1-3 Trong các ngày mây mù, sự suy giảm bức xạ mặt trời còn xảy ra mạnh hơn.Một phần đáng kể bức xạ mặt trời bị phản xạ lại vũ trụ từ các đám mây, một phần khác
bị các đám mây hấp thụ, phần còn lại truyền đến quả đất như là bức xạ nhiễu xạ Tổngcác bức xạ mặt trời bị phản xạ trở lại vũ trụ do phản xạ và tán xạ từ các đám mây, từ cácphân tử khí, từ các hạt bụi và từ mặt đất (bao gồm các vật cản như nhà cửa, cây cối,…)được gọi là Albedo của hệ khí quyển quả đất và có khoảng giá trị vào khoảng 30%.Tóm lại ở mặt đất nhận được hai thành phần bức xạ:
- Bức xạ trực tiếp (còn gọi là Trực xạ) là các tia sáng mặt trời đi thẳng từ mặt trờiđến mặt đất, không bị thay đổi hướng khi qua lớp khí quyển
- Bức xạ Nhiễu xạ hay bức xạ khuếch tán gọi tắt là tán xạ, phản xạ,…
Hướng của tia trực xạ phụ thuộc vào vị trí của mặt trời trên bầu trời, tức là phụthuộc vào thời gian và địa điểm quan sát Trong khi đó đối với bức xạ nhiễu xạ không
có hướng xác định mà đến điểm quan sát từ mọi điểm trên bầu trời Tổng hai thành
Trang 21phần bức xạ này được gọi là tổng xạ, nó chiếm khoảng 70% toàn bộ bức xạ mặt trờihướng về quả đất.
1.1.5 Sự suy giảm của cường độ bức xạ năng lượng mặt trời.
qua lớp khí quyển (air mass)
Do các quá trình hấp thụ, tán xạ, phản xạ của tia mặt trời xảy ra khi nó đi qua lớpkhí quyển nên cường độ bức xạ khi tới mặt đất phụ thuộc vào độ dài đường đi của tiatrong lớp khí quyển Độ dài này laị phụ thuộc vào độ cao của mặt trời Ví dụ, khi mặttrời ở điểm Zenith (ở đỉnh đầu) thì các tia bức xạ mặt trời khi xuyên qua lớp khí quyển
bị tán xạ và hấp thụ là ít nhất, vì đường đi ngắn nhất Còn ở các điểm “chân trời”, lúcmặt trời mọc hoặc lặn thì đường đi của tia bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển là dàinhất, nên bức xạ bị tán xạ và hấp thụ nhiều nhất Để đặc trưng cho sự mất mát nănglượng phụ thuộc độ dài đường đi của tia bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển người ta
đưa vào một đại lượng được gọi là “Air mass”, ký hiệu m (hay AM) và được định
nghĩa như sau:
m= Độ dàicủa tia trực xạ xuyên qualớp khí quyển theo phương quan sát
Độdày của lớp khí quyểntheo phương vuông góc với mặt biển
Từ Hình 1 5 ta thấy, nếu tia mặt trời đến điểm A trên mặt đất theo hướng BA, thìairmass đối với vị trí đó của mặt trời và đối với điểm điểm A trên mặt đất có thể đượcxác định bởi công thức sau:
(1.1)Trong đó: Bán kính quả đất, R= 6 370km; Chiều dày lớp khí quyển quả đất,
H = 7991km; : góc Zenith của mặt trời Biểu thức (1.1) cho thấy, m có thể tínhgần đúng nhờ các biểu thức đơn giản hơn sau:
Như vậy, giá trị của “Airmass” m và năng lượng bức xạ trực xạ mặt trời tương ứngđối với các vị trí mặt trời khác nhau là khác nhau, ví dụ:
- Ở ngoài khí quyển quả đất: m = 0, E = 1 353W/m2
- Khi mặt trời ở điểm Zenith (đỉnh đầu): m =1, E = 924,9 W/m2
- Khi góc Zenith Z = 60o: m = 2, E = 691,2 W/m2
Trang 22Hình 1-5 Định nghĩa và cách xác định giá trị air mass
b Cường độ bức xạ mặt trời biến đổi theo thời gian
Mô hình lý thuyết để tính toán cường độ bức xạ mặt trời trực tiếp gọi tắt là trực xạđược xây dựng dựa trên các tài liệu đo đạc khí tượng trong nhiều năm Mô hình nàydựa trên giả thiết cho rằng mặc dù các thông số khí quyển thay đổi từ miền này đếnmiền
khác và từ thời gian này đến thời gian khác, nhưng hệ số truyền qua hiệu dụng của bầutrời thay đổi không nhiều Vì khi lượng nước có thể ngưng tụ trong khí quyển giảm,
thì lượng bụi lại tăng lên và ngược lại Theo định nghĩa “khí quyển chuẩn” (đối với
ngày trong tháng) là khí quyển mà lượng hơi nước có thể ngưng tụ là 15 mm, lượngOzon là 2,5 mm, bụi có mật độ 300 hạt/cm3 và ở áp suất 760 mmHg và với hằng sốmặt trời 1.353 W/m2 Khi đó cường độ bức xạ trực tiếp được tính theo biểu thức:
(1.2)Trong đó: m là airmass Một công thức khác tổng quát hơn cho cường độ trực xạkhi tia tới vuông góc với mặt phẳng nằm ngang đã được Majumdar và cộng sự đưa ralà:
(1.3)Trong đó: p: áp suất ở địa phương quan sát (milibar); m Air mass; W = độ dàylượng hơi nước có thể ngưng tụ (cm) Các công thức trên (1.2) và (1.3) chỉ áp dụngđược cho các ngày trong sáng
c Cường độ bức xạ mặt trời biến đổi theo không gian
Như đã phân tích, bức xạ nhiễu xạ tới mặt đất từ tất cả mọi phía của vòm bầu trời
và là do sự tán xạ, phản xạ của tia bức xạ mặt trời trong khí quyển quả đất Ngay cảnhững ngày trời đẹp nhất, khi bầu trời rất trong sáng, vẫn có bức xạ nhiễu xạ phụthuộc vào lượng bụi, Ozon và hơi nước trong khí quyển Trong những ngày mây mù,lúc ta không nhìn thấy mặt trời, thì toàn bộ bức xạ đến được quả đất chỉ là bức xạ
Trang 23nhiễu xạ Việc tính toán bức xạ nhiễu xạ là rất khó khăn do thiếu các số liệu về bầu khíquyển Ngoài ra, do sự biến đổi của thời tiết nên sự phân bố bức xạ nhiễu xạ cũng biếnđổi ngẫu nhiên theo không gian và thời gian Những công thức tính toán lý thuyếtthành phần này của bức xạ mặt trời đều phải dựa trên một số giả thiết để làm đơn giảnbài toán Theo lý thuyết của Buckuist và King thì hệ số truyền qua τs, đặc trưng chobức xạ nhiễu xạ tới một mặt phẳng nằm ngang trên mặt đất được xác định bởi biểuthức:
(1.4)trong đó: o =1/m, m = airmass; KL độ dày quang học (quang lộ) của lớp khíquyển; a1= tham số tán xạ Mô hình lý thuyết này chỉ có giá trị đối với bầu trời không
có mây mù
1.2 Cấu tạo và hoạt động của Pin năng lượng mặt trời
1.1.6 Khái niệm
Pin mặt trời hay pin quang điện có tên tiếng Anh là Solar panel, nó bao gồm nhiều
tế bào quang điện (gọi là solar cells) như trên Hình 1-6 Tế bào quang điện này là cácphần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt nhiều các cảm biến của ánh sáng là đi ốt quang,
nó làm biến đổi năng lượng của ánh sáng thành năng lượng điện
Hình 1-6 Tấm Pin năng lượng mặt trời được cấu tạo từ nhiều Cell
Các chỉ số cường độ dòng điện, hiệu điện thế hay điện trở của tấm pin thay đổi phụthuộc vào lượng ánh sáng chiếu lên chúng Các tế bào quang điện này được ghép lạithành một khối để trở thành pin mặt trời (thông thường sẽ từ 60 hoặc 72 tế bào quangđiện trên một tấm pin) Tấm pin năng lượng mặt trời là vật liệu đặc biệt có khả năng
Trang 24chuyển đổi quang năng của ánh sáng mặt trời thành điện năng được lắp trong hệ thốngđiện mặt trời Nếu như thủy điện thì tạo ra điện từ nước, nhiệt điện thì từ than còn pinnăng lượng mặt trời sẽ tạo ta nguồn điện từ ánh sáng của mặt trời Điều này thật đặcbiệt có phải không? Trí thông minh của con người và vô tận khi có thể tạo ra nguồnđiện năng qúy giá từ những điều tưởng chừng như quá bình thường trong cuộc sống.
Có một điều đáng lưu ý là rất nhiều người lầm tưởng rằng chỉ khi có nắng tấm pinmặt trời mới có thể chuyển hóa ra điện năng, điều này là hoàn toàn sai lầm Tấm pinnăng lượng mặt trời vẫ sẽ làm việc tốt ngay cả khi thời tiết lạnh Trong thực tế, tấm pinnăng lượng mặt trời tạo ra điện từ ánh sáng, không nhiệt Vì vậy nó sẽ sản xuất điện tốthơn trong khu vực lạnh so với các khu vực nóng với cùng một lượng ánh sáng mặttrời Giá tâm pin năng lượng mặt có thể lên tới 2500000 VND/tấm
Hiệu suất pin mặt trời là tỉ số giữa năng lượng điện pin mặt trời có thể phát ra vànăng lượng từ ánh sáng mặt trời tỏa nhiệt trong 1m² hiệu suất của pin mặt trời thay đổi
từ 6% - 30% tùy theo loại vật liệu và hình dạng tấm pin Pin mặt trời được sản xuất vàứng dụng phổ biến hiện nay là các pin mặt trời được chế tạo từ vật liệu tinh thể bándẫn Silicon (Si) có hoá trị 4 Từ tinh thể Si tinh khiết, để có vật liệu tinh thể bán dẫn Siloại n, người ta pha tạp chất Donor là Photpho (P) có hoá trị 5 Còn để có vật liệu bándẫn tinh thể loại p thì tạp chất Acceptor được dùng để pha vào Si là Bo có hoá trị 3.Đối với pin mặt trời từ vật liệu tinh thể Si khi được chiếu sáng thì hiệu điện thế hởmạch giữa hai cực vào khoảng 0,55V, còn dòng ngắn mạch của nó dưới bức xạ mặttrời 1000W/m2 vào khoảng (2530) mA/cm3 Hiện nay cũng đã có các pin mặt trờibằng vật liệu Si vô định hình (a-Si) Pin mặt trời a-Si có ưu điểm là tiết kiệm được vậtliệu trong sản xuất do đó có thể có giá thành rẻ hơn
Tuy nhiên, so với pin mặt trời tinh thể thì hiệu suất biến đổi quang điện của nó thấp
và kém ổn định khi làm việc ngoài trời Năng lượng mặt trời được tạo ra từ các tế bàoquang điện (PV) là một trong những nguồn năng lượng tái tạo quan trọng do lợi thếnhư không cần chi phí nhiên liệu, bảo trì ít và không có tiếng ồn và mòn do sự vắngmặt của bộ phận chuyển động Về lý thuyết đây là một nguồn năng lượng lý tưởng.Tuy nhiên, để hệ thống này được triển khai rộng rãi trong thực tế cần phải tiếp tục giảiquyết một số vấn đề như: Giảm chi phí lắp đặt; tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng
và các vấn đề liên quan đến sự tương tác với các hệ thống khác
Trang 251.1.7 Mô phỏng tế bào quang điện và đặc tính P-V
Mô hình toán và đặc tính làm việc của pin mặt trời Mô hình toán học của tế bàoquang điện đã được nghiên cứu trong nhiều thập kỷ qua Mạch điện tương đương của
mô hình tế bào quang điện bao gồm: Dòng quang điện, Điôt, điện trở song song (dòngđiện dò), điện trở nối tiếp được chỉ ra trên Hình 1-8
Hình 1-7 Mô hình tương đương của tế bào quang điện
Từ hình vẽ 1.8 ta có
(1.5)Trong đó: Igc là dòng quang điện (A); Io là dòng bão hòa (A) phụ thuộc vào nhiệt độ
tế bào quang điện; q là điện tích của điện tử, q = 1,6.10-19 C; k là hằng số Boltzman,k=1,38.10-23 J/K; F là hệ số phụ thuộc vào công nghệ chế tạo pin, ví dụ công nghệ Si-mono F = 1,2; công nghệ Si-Poly F = 1,3, …; Tc là nhiệt độ tuyệt đối của tế bào (oK);
Vd là điện áp trên điôt (V); Rp là điện trở song song
Dòng quang điện Igc phụ thuộc trực tiếp vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ pin, đượctính theo công thức (1.6)
(1.6)Trong đó: µsc là hệ số phụ thuộc nhiệt độ của dòng ngắn mạch (A/0C); Tref là nhiệt
độ tham chiếu của tế bào quang điện (0K); Tc là nhiệt độ làm việc của tế bào quangđiện (0K); Isc là dòng điện ngắn mạch trong điều kiện chuẩn (nhiệt độ 250C và bức xạmặt trời 1kW/m2); G là bức xạ mặt trời kW/m2 Dòng bão hòa I0 thay đổi theo nhiệt độcủa tế bào quang điện theo biểu thức sau:
(1.7)
Trang 26(1.8)Trong đó I0α là dòng điện bão hòa tại một bức xạ mặt trời và nhiệt độ tham chiếu;
Vg là năng lượng lỗ trống của chất bán dẫn được sử dụng làm tế bào; V0c là điện áp hởmạch của tế bào Từ các biểu thức (1.5), (1,6), (1.7), (1.8) ta có thể xây dựng được môhình mô phỏng modul PV trên Matlab Trong các mô hình đó, các đầu vào là bức xạmặt trời và nhiệt độ của tế bào quang điện, các đầu ra là áp và dòng PV Các thông sốcủa mô hình thường được lấy từ bảng dữ liệu do nhà sản xuất cung cấp Công suất của
(1.9)
Hình 1- 8 Các đường đặc tính P-V của tế bào quang điện
Tiến hành mô phỏng ta thu được họ đặc tính I(U) và đặc tính P(U) của pin mặt trờinhư Hình 1-8 a, b, c, d Trong đó, Hình 1-8 a, b là đặc tính P(U) và đặc tính I(U) của
PV với các mức bức xạ khác nhau; Hình 1-8 c, d là đặc tính P(U) và đặc tính I(U) của
PV với nhiệt độ khác nhau Từ đó ta có nhận xét sau:
- Dòng ngắn mạch Isc tỉ lệ thuận với cường độ bức xạ mặt trời và ít thay đổi theonhiệt độ
- Điện áp hở mạch tỉ lệ nghịch với nhiệt độ và ít thay đổi theo bức xạ mặt trời
- Công suất modul PV thay đổi nhiều theo cả bức xạ mặt trời và nhiệt độ tấm PV.Mỗi đường đặc tính P(U) có một điểm ứng với công suất lớn nhất, gọi là điểm côngsuất cực đại (MPP - Max Power Point)
1.3 Cấu trúc hệ thống điện năng lượng mặt trời
Trang 27Ứng dụng công nghệ chuyển hóa quang năng thành điện năng đã trở thành xu thếmới để dần thay thế các nguồn điện sử dụng tài nguyên môi trường Hệ thống điện mặttrời mái nhà với công suất nhỏ, tiện dụng, điện mặt trời (ĐMT) lắp trên mái nhà khôngchỉ giúp tiết kiệm chi phí, mà còn góp phần giảm áp lực về đầu tư nguồn điện, giảm ônhiễm môi trường Ưu thế của nó thể hiện như sau:
- Điện mặt trời mái nhà là giải pháp năng lượng mặt trời cho hộ gia đình, doanhnghiệp, là nguồn năng lượng tái tạo thực sự, chuyển hóa quang năng thành điệnnăng, tận dụng ánh sáng mặt trời, thân thiện với môi trường
- Sử dụng nguồn "nguyên liệu" gần như là vô tận - ánh sáng mặt trời, sử dụngtrong gia đình, doanh nghiệp giúp giảm sâu hóa đơn tiền điện hàng tháng
- Chi phí bảo trì, bảo dưỡng cực thấp Người dùng chỉ cần giữ hệ thống sạch sẽ(vệ sinh 2-3 lần/năm) Hệ thống điện mặt trời mái nhà không có các bộ phận chuyểnđộng gây hao mòn, do đó chi phí bảo dưỡng gần như là không có
- Công nghệ phát triển điện mặt trời phát triển rất nhanh và không ngừng tiến bộ.Những đổi mới của công nghệ càng ngày sẽ càng làm cho hiệu quả của các tấm pinmặt trời tăng lên
* Nguyên lý hoạt động điện năng lượng mặt trời
- Năng lượng mặt trời được hấp thụ bởi tấm pin và chuyển hóa thành nguồnđiện 1 chiều
- Inverter chuyển dòng điện 1 chiều từ hệ thống tấm pin sang dòng điện xoaychiều để sử dụng
- Năng lượng điện sinh ra từ hệ thống điện mặt trời mái nhà được sử dụngcho tòa nhà
- Năng lượng thừa không sử dụng hết sẽ được phát ngược lên lưới điện
1.1.8 Mô hình lắp đặt hệ thống điện năng lượng mặt trời
Có ba mô hình chính: Mô hình các hệ thống khác nhau của điện mặt trời như môhình nối lưới trực tiếp; Mô hình năng lượng mặt trời nối lưới có lưu trữ - dùng hệthống lưu trữ nguồn điện; Mô hình kết hợp lưu trữ và nối lưới trực tiếp
Năng lượng mặt trời được hấp thu trực tiếp qua tấm pin năng lượng mặt trời tạo radòng điện một chiều DC Sau đó thông qua bộ chuyển đổi điện hòa lưới (DC/ACinverter on grid) Dòng điện được chuyển đổi thành điện xoay chiều AC, cùng pha,
Trang 28cùng tần số với điện lưới quốc gia Hệ thống sẽ hòa chung với điện lưới quốc gia cùngcung cấp điện cho các thiết bị điện.
Hình 1-9 Mô hình điện năng lượng nối lưới trực tiếp
Nó gần tương tự hệ thống điện nối lưới không dự trữ Tuy nhiên, có thêm hệ thống
ắc quy lưu trữ như trên Hình 1-10 Dành cho những thiết bị quan trọng cần nguồn điện
ổn định như camera quan sát, modum internet, máy tính, hoặc dành cho toàn bộ tải của
hệ thống (chỉ dành cho những yêu cầu đặc biệt)
Hình 1-10 Mô hình điện năng lượng mặt trời độc lập
Đây là mô hình tích hợp của hai mô hình trên như trên Hình 1-11 Lượng điện mặttrời sau khi thu được nhờ pin năng lượng sẽ được nạp vào acquy Khi acquy đã đầy,lượng điện dư vẫn là điện 1 chiều sẽ được chuyển thành xoay chiều Điện xoay chiều
Trang 29được chuyển đến tải Nếu điện sử dụng từ tải vẫn còn dư thì sẽ chuyển lên lưới điệnquốc gia
Hình 1-11 Mô hình điện năng lượng mặt trời vừa nối lưới vừa có lưu trữ (Hybrid)
Từ các mô hình năng lượng mặt trời nói trên, ta đi xây dựng cấu trúc khối các hệnăng lượng mặt trời
1.1.9 Cấu trúc hệ thống điện mặt trời nối lưới
Cấu trúc của hệ thống điện mặt trời nối lưới được biểu diễn trên Hình 1-12, gồmcác khối chức năng chính sau:
- Khối Modul quang điện (PV);
- Khối biến đổi một chiều - một chiều (DC/DC);
- Khối biến đổi một chiều - xoay chiều có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều tại
DC bus thành điện áp xoay chiều hình sin 1 pha hoặc 3 pha có tần số 50Hz để nối vớilưới điện quốc gia hoặc lưới nội bộ nối lưới có lưu trữ;
- Khối lọc có nhiệm vụ lọc các sóng hài của điện áp và dòng điện do bộ biến đổi
- Khối điều chế độ rộng xung (PWM);
- Khối điều khiển chung hệ thống
Hình 1-12 Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời nối lưới
Trang 301.1.10 Hệ thống điện năng lượng mặt trời độc lập
Cấu trúc của hệ thống điện mặt trời độc lập được biểu diễn trên Hình 1-13, gồmcác khối thức năng chính sau:
Hình 1-13 Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời độc lập
- Khối Modul quang điện (PV);
- Khối tích lũy năng lượng một chiều (Ắc quy);
- Khối biến đổi một chiều - một chiều (DC/DC);
- Khối biến đổi một chiều - xoay chiều có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều tại DCbus thành điện áp xoay chiều hình sin 1 pha hoặc 3 pha có tần số 50Hz để cho lưới nội
bộ nối lưới có lưu trữ;
- Khối lọc có nhiệm vụ lọc các sóng hài của điện áp và dòng điện do bộ biến đổi gâyra;
- Khối điều chế độ rộng xung (PWM);
- Khối điều khiển chung hệ thống
1.1.11 Hệ thống điện năng lượng mặt trời lai
Cấu trúc của hệ thống điện mặt trời lai được biểu diễn trên Hình 1-14, gồm cáckhối chức năng chính sau:
- Khối Modul quang điện (PV);
- Khối biến đổi một chiều - một chiều (DC/DC);
- Khối tích lũy năng lượng một chiều (Ắc quy);
- Khối biến đổi một chiều - xoay chiều có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều tại DCbus thành điện áp xoay chiều hình sin 1 pha hoặc 3 pha có tần số 50Hz để nối với lướiđiện quốc gia hoặc lưới nội bộ nối lưới có lưu trữ;
Trang 31- Khối lọc có nhiệm vụ lọc các sóng hài của điện áp và dòng điện do bộ biến đổi gâyra;
- Khối điều chế độ rộng xung (PWM);
- Khối điều khiển chung hệ thống
Hình 1-14 Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời lai 1.4 Nhận xét chương 1
Thông qua nội dung tìm hiểu trong chương 1, tác giả đã trình bày nguồn gốc, tiềmnăng của năng lượng mặt trời, các yếu tố ảnh hưởng đến bức xạ năng lượng mặt trời,thông qua việc biểu diễn mạch tương đương của tế bào quang điện cho ta thấy hiệusuất chuyển đổi từ bức xạ năng lượng mặt trời sang năng lượng điện phụ thuộc vào cácyếu tố nhiệt độ, năng lượng bức xạ lên bề mặt tấm pin mặt trời Trong chương 1 tácgiả cũng đã tìm hiểu các dạng cấu trúc của hệ thống điện năng lượng mặt trời đangđược sử dụng hiện nay
Trang 32CHƯƠNG 2 ĐỀ XUẤT GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN BÁM SUẤT CỰC ĐẠI
CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Các hệ thống Pin năng lượng mặt trời chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố tác động, trong đó yếu tố bóng che ảnh hưởng đến bức xạ năng lượng mặt trời tác động lên bền mặt tấm pin, dẫn đến hiệu suất của Pin bị suy giảm Nhìn chung, cấu hình liên kết nối tiếp (series connect – SC) thường sinh ra nhiều cực trị và có thể bỏ qua năng lượng của các tấm PV bị bóng che trong điều kiện này Đây là nguyên nhân khiến điện áp ra kém ổn định, gây khó khăn cho việc truy xuất điểm phát công suất cực đại (Maximum Power Point Tracking – MPPT) và thất thoát năng lượng Trong chương 2 tác giả tìm hiểu, đề xuất giải pháp khắc phục những nhược điểm trên bằng một cấu hình liên kết nối tiếp – song song (Series-Parallel connect – S-PC) các dãy PV nhằm hạn chế mối nối SC và đơn giản hóa các đường cong đặc tuyến.
2.1 Mô hình hóa toán học hệ thống pin năng lượng mặt trời.
Nhằm sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng từ pin mặt trời, cần phải có một môhình toán mô tả lại nguyên lý hoạt động của tấm pin một cách chính xác Cho tới nay,
đã có một số mô hình được đề xuất với độ tin cậy khá cao Trong đó, phổ biến nhất là
mô hình gồm diode ngược, một điện trở nối tiếp và một điện trở shunt song song vớimột nguồn dòng
1.1.12 Mô hình một diode.
Mạch tương đương của mô hình một diode trong hình 2.1 bao gồm một diode mắcsong song ngược với một nguồn dòng, cường độ dòng điện của nguồn phụ thuộc vàođiều kiện bức xạ của môi trường bên ngoài Điện trở nối tiếp Rs và điện trở song song
Rsh đặc trưng cho tổn hao trên tế bào quang điện
Hình 2-1 Sơ đồ mô hình 1 diode
Đặc tính dòng điện – điện áp (Ipv và Vpv) được cho bởi công thức:
Ipv = Iph – Id – IRsh
Trang 33IRsh là dòng điện rò đi qua điện trở shunt, Id là dòng điện trên diode, có giá trị tỉ lệ vớidòng bão hòa ngược của diode:
I d=I0×[exp(A N V s V T)−1] (2.1)
Với: V: điện áp đặt trên diode (V)
VT = k.Tc/q
I0: dòng bão hòa ngược trên diode (A)
Tc: nhiệt độ của tấm pin (K)
k: hằng số Boltzmann (1,381.10-23 J/K)
q: điện tích của 1 electron (1,602.10-19 C)
Ns: số tế bào quang điện mắc nối tiếp trong một tấm pin, phụ thuộc vào côngnghệ của nhà sản xuất
VT được gọi là nhiệt điện áp vì nó chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ
Dòng điện nguồn Iph, phụ thuộc vào điều kiện bức xạ và nhiệt độ môi trường và đượccho bởi công thức:
I ph=P1 E [1+P2.(E−E ref)+P3.(T c−T ref) ]
Với: E: cường độ bức xạ lên tấm pin (W/m2)
Eref: cường độ bức xạ thử nghiệm (thường Eref = 1000 W/m2)
I0: dòng bão hòa ngược trên diode (A)
Tref: nhiệt độ thử nghiệm (Tref = 25oC)
1.1.13 Mô hình hai diode
Trong mô hình 2.2 diode, các diode này biểu thị cho hiện tượng phân cực của tiếpgiáp PN Mô hình này cho kết quả giống với mô hình 1 diode ở điều kiện tiêu chuẩn.Tuy nhiên, khi bức xạ giảm xuống mô hình này cho kết quả chính xác hơn, đặc biệt là
ở khu vực gần Voc Dù vậy, mô hình này đòi hỏi xét thêm 2 thông số nữa so với môhình 1 diode với 5 tham số
Hình 2-2 Sơ đồ tương đương 2 diode
Trang 34Từ hình trên ta có phương trình sau:
Ipv = Iph – (Id1 + Id2) – IRsh
Iph và IRsh được tính giống với công thức của mô hình 1 diode
Ta có dòng điện trên mỗi diode:
2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống điện mặt trời
Hiệu suất tạo ra hệ thống quang điện sẽ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố khác nhau, cácyếu tố ảnh hưởng chính như sau:
2.2.1 Tài nguyên mặt trời và nhiệt độ môi trường
Tài nguyên mặt trời chủ yếu được chia thành các yếu tố như bức xạ ngang, tán xạ
và giờ cao điểm của ánh sáng mặt trời Dữ liệu công nghiệp hiện tại thu được từ cácnguồn chiếu sáng này chủ yếu đến từ cơ sở dữ liệu thời tiết, trạm điện ảo, v.v Theođặc điểm hoạt động của các bộ phận, điện áp và dòng điện đầu ra của chúng sẽ theocường độ bức xạ và thay đổi nhiệt độ, do đó các yếu tố môi trường sẽ ảnh hưởng hiệusuất làm việc của mô-đun, do đó ảnh hưởng đến hiệu quả chuyển đổi của mô-đunquang điện
2.2.2 Hiệu suất chuyển đổi của bảng điều khiển năng lượng mặt trời
Hiệu suất của bảng điều khiển năng lượng mặt trời ảnh hưởng trực tiếp đến hiệuquả sản xuất năng lượng của hệ thống năng lượng mặt trời Các thông số ảnh hưởngđến hiệu suất của các thành phần là hiệu suất chuyển đổi thành phần, điện áp mạch hở,dòng ngắn mạch, dòng điểm hoạt động tối đa, điện áp điểm vận hành tối đa, hệ số thayđổi nhiệt độ hiện tại, hệ số thay đổi nhiệt độ điện áp, hệ số thay đổi chiếu sáng điện áp,v.v hiệu quả chuyển đổi của các thành phần có liên quan chặt chẽ đến vật liệu và quytrình sản xuất Hiện nay, nhiều công nghệ pin đã xuất hiện trên thị trường, như PERC,
Trang 35HIT, IBC, LGBC, v.v Những công nghệ này được cập nhật liên tục để cải thiện hiệuquả chuyển đổi của các thành phần.
2.2.3 Độ nghiêng cài đặt và góc phương vị
Góc cài đặt của mảng PV là một yếu tố quan trọng trong thiết kế hệ thống quangđiện Đối với các mảng quang điện cố định, nhìn chung các mô-đun quang điện được
bố trí về phía nam và góc nghiêng lắp đặt áp dụng thiết kế nghiêng lắp đặt tối ưu, vàgóc nghiêng lắp đặt tối ưu có liên quan chặt chẽ với vĩ độ và kinh độ khu vực, góc độmặt trời và góc giảm
2.2.4 Bụi, chặn bóng, không khớp chuỗi của bảng điều khiển năng lượng mặt trời
Trong các hệ thống PV lớn hoặc lưới vi mô, các tấm pin mặt trời thường được mắcnối tiếp để nâng cao điện áp chuỗi hoặc được kết nối song song để tăng công suất đầu
ra [27] Do diện tích bề mặt của mô-đun PV lớn, nó có thể tiếp xúc với các bức xạ mặttrời khác nhau, tức là vận hành theo PSC, đây là nguyên nhân chính dẫn đến tổn thấtđiện năng của hệ thống PV [28,29]
Trong chuỗi mô-đun PV, khi các tấm PV có dòng ngắn mạch khác nhau, mô-đun
PV có dòng điện thấp hơn dòng chuỗi sẽ đảo ngược điện áp và bắt đầu hấp thụ nănglượng của các mô-đun khác [2,4] Bên cạnh đó, lượng điện năng lớn như vậy sẽ tiêután dưới dạng nhiệt, một điểm nóng có thể được tạo ra khi nhiệt độ mối nối hoặc mứcđiện áp ngược không bị hạn chế, điều này có thể gây ra hư hỏng vĩnh viễn cho các tấm
PV [8] Đặc biệt, những điều kiện không phù hợp này thường là do sự biến đổi bức xạmặt trời hoặc bóng che của môi trường xung quanh, chẳng hạn như các tòa nhà, câycối hoặc mây đi qua, tuyết, lắng đọng bụi, v.v [7,8]
Do hiệu suất chuyển đổi năng lượng thấp của các hệ thống PV, MPPT trở nên cực
kỳ quan trọng để kiểm soát hiệu suất tối ưu của nó, có thể được giải quyết hiệu quảbằng cách sử dụng điốt bỏ qua mắc song song trên các mô-đun PV Khi toàn bộ mảng
PV nhận được bức xạ mặt trời đồng nhất, đặc tính P-V của mảng PV chỉ tồn tại mộtMPP duy nhất trong khi tất cả các đường vòng của mỗi chuỗi đều có phân cực âm[4,6]
Tuy nhiên, như được trình bày trong Hình 1, đường cong P-V của mảng PV tồn tạimột số LMPP và chỉ một GMPP trong PSC, do đó nó trở nên quan trọng để phân biệtGMPP và LMPP Lưu ý rằng mảng PV chỉ có một đỉnh duy nhất khi loại bỏ điốt bỏqua, trong khi công suất đầu ra sẽ giảm đáng kinh ngạc trong trường hợp như vậy
Trang 36[13,14] Do đó, diode rẽ nhánh phải luôn được kết nối song song với một tập hợp cácphần tử PV trong mô-đun PV để tăng công suất đầu ra trong PSC [12].
2.2.5 Sự suy giảm của tấm pin năng lượng mặt trời
Sự suy giảm của năng lượng tấm pin năng lượng mặt trời đề cập đến hiện tượngcông suất đầu ra của tấm pin năng lượng mặt trời giảm dần khi tăng thời gian ánhsáng Sự suy giảm năng lượng của quang điện bao gồm ba loại suy giảm năng lượngđột ngột, suy giảm cảm ứng hình ảnh và lão hóa Loại suy giảm đầu tiên thường đượcgây ra bởi các yếu tố phá hủy như hàn kém của bảng điều khiển năng lượng mặt trời,hoạt động không đúng trong quá trình cài đặt và tác động nặng nề của mưa đá trongquá trình sử dụng; loại suy giảm thứ hai đề cập đến biên độ lớn của sức mạnh của bảngquang điện trong vài ngày đầu tiên Suy giảm, sau đó có xu hướng ổn định; loại suygiảm thứ ba đề cập đến hiện tượng suy giảm năng lượng cực kỳ chậm xảy ra trong quátrình sử dụng lâu dài của tấm pin năng lượng mặt trời
2.2.6 Tổn thất của biến tần
Khi mất biến tần liên quan đến tổn thất công suất do biến tần gây ra trong quá trìnhchuyển đổi nguồn DC thành nguồn AC Tổn thất bao gồm tổn thất dự phòng, tổn thấtchuyển mạch bán dẫn và tổn thất điện cảm Các tổn thất chuyển mạch bán dẫn chủ yếuđến từ các thiết bị chuyển mạch và tổn thất diode Tổn thất của biến tần có thể đượctính bằng cách đo điện áp đầu vào DC, dòng điện và điện áp đầu ra AC và dòng điệncủa biến tần
2.2.7 Tổn thất của dòng điện
Tất cả các liên kết của hệ thống phát điện quang điện cần sử dụng dây cáp đểtruyền năng lượng điện, do đó phải có tổn thất trở kháng trong quá trình truyền tải
2.2 Ảnh hưởng của bức xạ và nhiệt độ lên đặc tính P-V
Hiệu suất của PV bị ảnh hưởng trực tiếp từ điều kiện vận hành mà cụ thể là bức xạmặt trời và nhiệt độ hoạt động trên bề mặt Những nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng,công suất phát của hệ thống PV đồng biến với bức xạ nhưng nghịch biến với nhiệt độ.Thực tế thì bức xạ khó đạt tới điều kiện tiêu chuẩn trong khi đó nhiệt độ làm việc luôncao hơn mức này là những nguyên nhân dẫn đến sụt giảm công suất phát của hệ thống
PV [12]
Trang 37Hình 2-3 Đặc tuyến P-V, I-V và P-I khi thay đổi bức xạ và nhiệt độ
Trong Hình 2-3 cho thấy mối quan hệ giữa công suất, dòng điện và điện áp tại cácđiều kiện làm việc khác nhau Chúng ta có thể dễ dàng thấy rằng; khi thay đổi bức xạ,dòng điện tại các điểm MPP bị ảnh hưởng nhiều hơn so với điện áp Ngược lại, nếunhiệt độ vận hành của các PV bị thay đổi thì khả năng ổn định điện áp lại kém hơn sovới dòng điện Hơn nữa, khi thay đổi chỉ một thông số trong điều kiện vận hành thì họcác đường đặc tính luôn có tính quy luật (Hình 2-4a) Điều này khiến cho việc ướclượng vùng hoạt động của các MPP trong hệ thống dễ thực hiện hơn
Vấn đề đặt ra trong điều kiện vận hành thực tế là khi tăng bức xạ bề mặt thì nhiệt
độ làm việc của PV theo đó cũng gia tăng Điều đó có nghĩa là cả hai thông số dòngđiện và điện áp đều bị dao động dẫn đến điểm MPP của hệ thống PV cũng thay đổikhó nhận định hơn Khi bức xạ gia tăng, lẽ ra công suất của hệ thống được cải thiện,nhưng do việc gia tăng nhiệt độ bề mặt của chúng mà dẫn đến mức tăng công suấtkhông như mong muốn Không những thế, vị trí của các MPP trong điều kiện thực tếkhông còn theo một quy luật cụ thể (Hình 2-4b) Nó khiến cho khả năng dự đoán phạm
vi hoạt động của các MPP trở nên khó khăn hơn Thậm chí trong các liên kết SC khi bịbóng che một phần làm số đỉnh cực trị gia tăng thì vấn đề càng trở nên phức tạp hơn
a b
Hình 2-4 Đặc tuyến P-V thay đổi: a: bức xạ hoặc nhiệt độ; b: cả bức xạ và nhiệt độ
Trang 382.3 Dò điểm công suất cực đại (MPPT)
Từ các mô hình toán như đã trình bày ở trên, qua phép biến đổi mạch tương đươngThevenin, ta có được một mạch tương đương gồm một nguồn áp E mắc nối tiếp vớiđiện trở nội Rs hình 2.5 biểu diễn sơ đồ tương đương của một hệ thống điện dùngnăng lượng mặt trời với một tải có điện trở là RL
Hình 2-5 Sơ đồ tương đương pin mặt trời nối tải
Công suất trên tải:
Trang 39⟺ E2
Rs−RL
Hình 2-6 Điểm làm việc của pin mặt trời
Công thức trên là điều kiện để đạt được công suất cực đại trên tấm pin với Rs là nộitrở của pin PV ứng với bức xạ và nhiệt độ tại thời điểm t Tuy nhiên, trong thực tế điềukiện môi trường – bức xạ và nhiệt độ – không phải là hằng số mà biến thiên theo thờigian Nói cách khác, nội trở Rs không phải là một đại lượng cố định Ý nghĩa của bàitoán dò điểm công suất cực đại (MPPT) là biến đổi tổng trở tải sao cho điện trở biếnđổi được có trị số bằng với Rs tại thời điểm đang xét Hiện nay, phổ biến nhất có 2phương pháp biến đổi tổng trở: sử dụng bộ biến đổi điện áp DC hoặc thay đổi tải
1.1.14 Sử dụng bộ biến đổi điện áp DC.
Bằng cách sử dụng các bộ biến đổi điện áp DC – DC làm mạch trung gian giữanguồn pin mặt trời và tải, ta có thể quy đổi toàn bộ mạch điện phía sau tấm pin thànhmột điện trở tương đương RL’ với công suất vào và công suất ngõ ra của mạch DC –
DC là hằng số Việc tính toán biến đổi điện trở tương đương của hệ thống tương tựnhư trong các máy biến áp
Ta có sơ đồ khối của hệ thống như hình sau, điện áp đặt trên tấm pin U1, dòng điện
đi từ tấm pin vào bộ biến đổi I1, điện áp và dòng điện trên tải U2, I2:
Hình 2-7 Sơ đồ khối bộ biến đổi điện áp nối pin mặt trời
Trang 40Sơ đồ nguyên lý của mạch được cho trong hình 2.8
Hình 2-8 Sơ đồ nguyên lý mạch Buck
Trong thời gian mở, khóa K cho dòng đi qua, điện áp một chiều được nạp vào tụ C2
và cấp năng lượng cho tải qua cuộn kháng L Trong thời gian đóng, khóa K đóng lạikhông cho dòng qua nữa, năng lượng 1 chiều từ đầu vào bằng 0 Tuy nhiên tải vẫn đượccung cấp đầy đủ điện nhờ năng lượng lưu trên cuộn kháng và tụ điện do diode khép kínmạch Như vậy cuộn kháng và tụ điện có tác dụng lưu giữ năng lượng trong thời gianngắn để duy trì mạch khi khóa K đóng
Dựa trên sự cân bằng năng lượng qua chu kỳ đóng cắt của khóa: Năng lượng cấpcho tải trong toàn bộ chu kỳ bằng năng lượng thu từ nguồn trong thời gian khóa mở,
và năng lượng cấp cho tải trong suốt thời gian K đóng bằng năng lượng lấy từ cuộnkháng và tụ điện trong thời gian K đóng
Ở điều kiện xác lập, sự cân bằng năng lượng trên cuộn kháng trong thời gian khóađóng mở được duy trì
L L