thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời đồ án tốt nghiệp khoa công nghệ điện

Tùy theo điều kiện về nhu cầu sử dụng và vị trí lắp đặt mà hệ nào được ứng dụng 1.1.1 Hệ pin mặt trời làm việc độc lập dahh gia mot xo dae diem lam hoe euc loai xu cegieerc eorhieulctum

Trang 1

PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI KHÓA LUẬN

1 Họ và tên sinh viên - nhóm sinh viên đƣợc giao đề tài

LƯU VĂN NAM MSSV : 14039731 VŨ QUANG THUẤN MSSV : 14025541

4 Kết quả

- Kết quả chạy chương tr nh

- So sánh kết quả lý thuyết với mô phỏng trên matlab simulink

Giảng viên hướng dẫn

Nguyễn Hoài Phong

66Thursday, June 13, 20248:47:18 PM8:47:18 PM66Thursday, June 13, 20248:47:18 PM8:47:18 PM66Thursday, June 13, 20248:47:18 PM8:47:18 PM

dahh gia mot xo dae diem lam hoe euc loai xu cegieerc eorhieulctum tai vuoh puoe gic xuah thuy tihh hcm dihhdahh gia mot xo dae diem lam hoe euc loai xu cegieerc eorhieulctum tai vuoh puoe gic xuah thuy tihh hcm dihhdahh gia mot xo dae diem lam hoe euc loai xu cegieerc eorhieulctum tai vuoh puoe gic xuah thuy tihh hcm dihhdahh gia mot xo dae diem lam hoe euc loai xu cegieerc eorhieulctum tai vuoh puoe gic xuah thuy tihh hcm dihhdahh gia mot xo dae diem lam hoe euc loai xu cegieerc eorhieulctum tai vuoh puoe gic xuah thuy tihh hcm dihhdahh gia mot xo dae diem lam hoe euc loai xu cegieerc eorhieulctum tai vuoh puoe gic xuah thuy tihh hcm dihhdahh gia mot xo dae diem lam hoe euc loai xu cegieerc eorhieulctum tai vuoh puoe gic xuah thuy tihh hcm dihhdahh gia mot xo dae diem lam hoe euc loai xu cegieerc eorhieulctum tai vuoh puoe gic xuah thuy tihh hcm dihhdahh gia mot xo dae diem lam hoe euc loai xu cegieerc eorhieulctum tai vuoh puoe gic xuah thuy tihh hcm dihhdahh gia mot xo dae diem lam hoe euc loai xu cegieerc eorhieulctum tai vuoh puoe gic xuah thuy tihh hcm dihhdahh gia mot xo dae diem lam hoe euc loai xu cegieerc eorhieulctum tai vuoh puoe gic xuah thuy tihh hcm dihhdahh gia mot xo dae diem lam hoe euc loai xu cegieerc eorhieulctum tai vuoh puoe gic xuah thuy tihh hcm dihhdahh gia mot xo dae diem lam hoe euc loai xu cegieerc eorhieulctum tai vuoh puoe gic xuah thuy tihh hcm dihhdahh gia mot xo dae diem lam hoe euc loai xu cegieerc eorhieulctum tai vuoh puoe gic xuah thuy tihh hcm dihhdahh gia mot xo dae diem lam hoe euc loai xu cegieerc eorhieulctum tai vuoh puoe gic xuah thuy tihh hcm dihhdahh gia mot xo dae diem lam hoe euc loai xu cegieerc eorhieulctum tai vuoh puoe gic xuah thuy tihh hcm dihh

dahh gia mot xo dae diem lam hoe euc loai xu cegieerc eorhieulctum tai vuoh puoe gic xuah thuy tihh hcm dihhdahh gia mot xo dae diem lam hoe euc loai xu cegieerc eorhieulctum tai vuoh puoe gic xuah thuy tihh hcm dihhdahh gia mot xo dae diem lam hoe euc loai xu cegieerc eorhieulctum tai vuoh puoe gic xuah thuy tihh hcm dihhdahh gia mot xo dae diem lam hoe euc loai xu cegieerc eorhieulctum tai vuoh puoe gic xuah thuy tihh hcm dihh

dahh gia mot xo dae diem lam hoe euc loai xu cegieerc eorhieulctum tai vuoh puoe gic xuah thuy tihh hcm dihhdahh gia mot xo dae diem lam hoe euc loai xu cegieerc eorhieulctum tai vuoh puoe gic xuah thuy tihh hcm dihhdahh gia mot xo dae diem lam hoe euc loai xu cegieerc eorhieulctum tai vuoh puoe gic xuah thuy tihh hcm dihhdahh gia mot xo dae diem lam hoe euc loai xu cegieerc eorhieulctum tai vuoh puoe gic xuah thuy tihh hcm dihhdahh gia mot xo dae diem lam hoe euc loai xu cegieerc eorhieulctum tai vuoh puoe gic xuah thuy tihh hcm dihhdahh gia mot xo dae diem lam hoe euc loai xu cegieerc eorhieulctum tai vuoh puoe gic xuah thuy tihh hcm dihhdahh gia mot xo dae diem lam hoe euc loai xu cegieerc eorhieulctum tai vuoh puoe gic xuah thuy tihh hcm dihhdahh gia mot xo dae diem lam hoe euc loai xu cegieerc eorhieulctum tai vuoh puoe gic xuah thuy tihh hcm dihh

66dahh gia mot xo dae diem lam hoe euc loai xu cegieerc eorhieulctum tai vuoh puoe gic xuah thuy tihh hcm dihhThursday, June 13, 2024

Trang 2

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

Trang 3

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN

Trang 4

MỤC LỤC

PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI KHÓA LUẬN i

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ii

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN iii

MỤC LỤC iv

DANH SÁCH HÌNH ẢNH vi

CHƯƠNG 1:GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HÊ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1

1.1 Giới thiệu chung 1

1.1.1 Hệ pin mặt trời làm việc độc lập 1

1.1.2 Hệ pin mặt trời làm việc nối lưới 2

1.2 Cấu tạo của hệ thống điện năng lượng mặt trời 3

1.3 Ưu, nhược điểm của hệ thống năng lượng mặt trời 4

1.3.1 Ưu điểm: 4

1.3.2 Nhược điểm: 5

1.4 Ứng dụng của hệ thống điện năng lượng mặt trời tại Việt Nam 6

CHƯƠNG 2:TÌM HIỂU TẤM PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MPPT 7

2.1 Pin năng lượng mặt trời 7

2.1.1 Giới thiệu pin NLMT 7

2.1.2 Mô h nh pin NLMT: 8

2.1.3 Ảnh hưởng của bức xạ ánh sáng 11

2.1.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ 13

2.2 Maximum point power tracking – MPPT: 15

2.2.1 Giới thiệu chung: 15

2.2.2 Nguyên lí dung hợp tải 16

2.2.3 Bộ tăng áp Boost 17

Trang 5

2.3.1 Thuật toán nhiễm loạn và quan sát P&O 19

2.3.2 Phương pháp điện dẫn gia tăng INC 26

CHƯƠNG 3: BỘ CHUYỂN ĐỔI DC-DC HALF BRIDGE 30

3.1 Giới thiệu về bộ chuyển đổi DC-DC 30

3.1.1 Các bộ biến đổi DC-DC không cách ly thường dùng 30

3.1.2 Các bộ biến đổi DC-DC có cách ly thường dùng 33

3.2 Thiết kế bộ chuyển đổi DC-DC half-bridge 37

3.2.1 Thiết kế máy biến áp: 39

3.2.2 Thiết kế mạch lọc LC 40

3.2.3 Sử dụng ideal switch thay đổi tải để xem sự ổn định của hệ thống 41

3.2.4 Sử dụng khối gain để phản hồi điện áp đầu ra 42

3.2.5 Sử dụng bộ điều khiển PI 42

3.2.6 Sử dụng PWM điều chế độ rộng xung để đóng cắt mosfet 43

3.3 Mô phỏng bộ chuyển đổi DC-DC half bridge trên matlab simulink 45

Trang 6

DANH SÁCH HÌNH ẢNH

H nh 1.1 Sơ đồ tổng quan hệ thống năng lượng mặt trời 2

H nh 1.2 Hệ pin mặt trời làm việc nối lưới 2

H nh 2.1 Tấm pin NLMT 8

H nh 2.2 Sơ đồ tương đương pin mặt trời 8

H nh 2.3 Dòng điện một modul tấm pin 10

H nh 2.4 Mô h nh pin PV trên Matlab/Simulink 11

H nh 2.5 Đặc tuyến P(W)-U(V) của PV khi nhiệt độ không đổi,bức xạ thay đổi 12

H nh 2.6 Đặc tuyến U(V) - I(A) của PV khi nhiệt độ không đổi, bức xạ thay đổi 12

H nh 2.7 Đặc tuyến P(W)-U(V) của PV khi nhiệt độ thay đổi,bức xạ không đổi 13

H nh 2.8 Đặc tuyến U(V)-I(A) của PV khi bức xạ không đổi, nhiệt độ thay đổi 14

H nh 2.9 Bộ điều khiển MPPT 15

H nh 2.10 Pin mặt trời mắc trực tiếp với tải thuần trở có thể thay đổi giá trị 15

H nh 2.11 Đặc tính làm việc I-V của PV và của tải có thể thay đổi được 16

H nh 2.12 Sơ đồ nguyên lí mạch boost 17

H nh 2.13 Pin mặt trời kết nối với tải qua bộ biến đổi DC/DC 18

H nh 2.14 Đường đặc tính P - V và thuật toán P&O 19

H nh 2.15 Sơ đồ thuật toán P&O 20

H nh 2.16 Hệ thống điều khiển MPPT của dàn pin PV sử dụng thuật toán P&0 21

H nh 2.17 Sơ đồ khối phương pháp MPPT điều khiển trực tiếp chu kỳ D 22

H nh 2.18 Mối quan hệ giữa tổng trở vào của mạch Boost với chu kỳ D 22

H nh 2.19 Sơ đồ thuật toán P&O với phương pháp điều khiển trực tiếp 23

H nh 2.20 Chu k đóng cắt D 24

H nh 2.21 Công suất của pin mặt trời 24

H nh 2.22 Công suất pin PV khi độ rọi G thay đổi 25

H nh 2.23 Công suất ngõ ra ( W ) 25

H nh 2.24 Đường đặc tính P - V và thuật toán INC 27

H nh 2.25 Sơ đồ thuật toán INC 28

Trang 7

H nh 3 8 Bộ chuyển đổi half bridge 37

H nh 3 9 Biểu đồ hoạt động của half bridge 38

H nh 3 10 Thông số máy biến áp 39

H nh 3 19 Máy biến áp,bộ chỉnh lưu và bộ lọc LC 46

H nh 3 20 Bộ ideal switch và tải 46

H nh 3 21 Biểu đồ dòng điện và điện áp khi chưa có bộ điều khiển PID 47

H nh 3 22 Biểu đồ dòng điện và điện áp khi có bộ điều khiển PID 47

H nh 3 23 Biểu đồ dòng điện và điện áp khi sử dụng ideal switch để thay đổi tải 48

H nh 3 24 biểu đồ bode 48

Trang 8

CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HÊ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

1.1 Giới thiệu chung

Trong thái dương hệ mặt trời có nguồn năng lượng lớn nhất Mặt trời cung cấp trực tiếp hoạt gián tiếp cho loài người và mọi dạng sống trên trái đất Mặt trời quyết định khí hậu và thời tiết không có mặt trời trái đất là vùng đất chết đóng băng vĩnh cửu

Điện năng lượng măt trời là ý tưởng tuyệt vời Lấy năng lượng từ mặt trời và chuyển thành điện năng cung cấp cho các trang thiết bị là mong ước của chúng ta, sẽ không còn hóa đơn tiền điện, không còn phụ thuộc vào công ty điện lực và bạn sẽ có nguồn năng lượng tái tạo, xanh sạch và bảo vệ môi trường Tạo ra năng lượng mặt trời nhờ vào ánh sáng mặt trời chiếu vào các panel pin mặt trời tạo ra nguồn điện 1 chiều DC qua các bộ biến tần chỉnh thành các nguồn điện xoay chiều AC cung cấp cho các thiết bị điện

Panel mặt trời tạo ra điện là do hiệu ứng quang điện giữa 2 lớp bán dẫn, 1 lớp thiếu electron Khi các electron này bị các photon kích thích lám cho chúng chuyển từ lớp bán dẫn này sang bán dẫn kia, nên tạo ra điện tích Các panel này thường là Si được cắt thành các tấm mỏng xếp kết hợp vừa song song và nối tiếp Nối tiếp th tăng hiệu suất của pin, mắc song song th tăng áp cung cấp cho phụ tải

Một hệ thống pin năng lượng mặt trời sử dụng năng lượng mặt trời cơ bản bao gồm 2 loại: Hệ pin mặt trời làm việc độc lập và hệ pin mặt trời làm việc nối lưới Tùy theo điều kiện về nhu cầu sử dụng và vị trí lắp đặt mà hệ nào được ứng dụng

1.1.1 Hệ pin mặt trời làm việc độc lập

Trang 9

H nh 1.1 Sơ đồ tổng quan hệ thống năng lượng mặt trời

Nguyên lí hoạt động

Từ giàn pin mặt trời, ánh sáng được biến đổi thành điện năng, tạo ra dòng điện một chiều (DC) Dòng điện này được dẫn tới bộ điều khiển là một thiết bị điện tử có chức năng điều hoà tự động các quá tr nh nạp điện vào ắc-quy và phóng điện từ ắc-quy ra các thiết bị điện một chiều (DC) Trường hợp công suất giàn pin đủ lớn, trong mạch điện sẽ được lắp thêm bộ đổi điện để chuyển dòng một chiều thành dòng xoay chiều (AC), chạy được thêm nhiều thiết bị điện gia dụng (đèn, quạt, radio, TV )

1.1.2 Hệ pin mặt trời làm việc nối lưới

H nh 1.2 Hệ pin mặt trời làm việc nối lưới

Trang 10

Nguyên lí hoạt động:

Điện thu được từ tấm pin ( Solar Panel) là điện 1 chiều, qua bộ hòa lưới ( Grid Tie Inverter ) có chức năng đổi từ điện DC sang điện AC cùng pha cùng tần số với điện lưới và hòa chung với điện lưới

Khi công suất hòa lưới bằng công suất tải th tải tiêu thụ điện hoàn toàn từ pin mặt trời

Khi công suất tải tiêu thụ lớn hơn công suất hòa lưới th tải sẽ lấy thêm lưới bù vào

Khi công suất tải tiêu thụ nhỏ hơn công suất hòa lưới th điện từ bộ hòa lưới sẽ trả ra lưới

Khi thiết kế hệ thống hòa lưới ( cho đến hiện tại ) th thiết kế sao cho công suất hòa lưới ≤ công suất tải tiêu thụ

1.2 Cấu tạo của hệ thống điện năng lƣợng mặt trời

 Panel mặt trời

Tấm pin Panel mặt trời (Solar Cells Panel) biến đổi quang năng hấp thụ từ mặt trời thành điện năng Một số thông tin cơ bản của tấm pin mặt trời hiệu suất: từ 15%-18%, Công suất từ 25Wp đến 175Wp, số cells trên mỗi tấm pin:72 cells, kích thước cells: 5-7 inch Trong một ngày nắng, mặt trời cung cấp khoảng 1Kw/m2 đến mặt trời (khi mặt trời quang mây và đứng bóng, ở mực nước biển) Công suất và điện áp của một hệ thống phụ thuộc vào cách chúng ta ghép nối mấy tấm pin với nhau Các tấm pin Panel mặt trời được lắp đặt ở ngoài trời để có thể hứng được ánh nắng tốt nhất từ mặt trời nên được thiết kế với những tính năng và chất liệu đặc biệt, có thể chịu đựng được sự khắc nghiệt của thời tiết, khí hậu, nhiệt độ

 Bộ điều khiển sạc

Là thiết bị thực hiện chức năng điều tiết sạc cho ắc-quy, bảo vệ cho ắc-quy chống nạp quá tải và xả quá sâu nhằm nâng cao tuổi thọ của b nh ắc-quy, và giúp hệ thống pin mặt trời sử dụng hiệu quả và lâu dài

Bộ điều khiển còn cho biết t nh trạng nạp điện của Panel mặt trời vào ắc- quy giúp cho người sử dụng kiểm soát được các phụ tải

Trang 11

thế thấp (<10,5V) Mạch bảo vệ của bộ điều khiển sẽ thực hiện việc ngắt mạch khi bộ điều khiển xác nhận b nh ắc-quy đã được nạp đầy hoặc điện áp b nh quá thấp

 Inverter

Là bộ biến điện nghịch lưu Inverter chuyển đổi dòng điện 12VDC từ ắc-quy thành dòng điện AC (110VAC, 220VAC) Được thiết kế với nhiều cấp công suất từ 0.3kVA – 10kVA

Inverter có nhiều loại và cách phân biệt chúng bằng dạng sóng của điện áp đầu ra : dạng sóng h nh sin, giả sin, sóng vuông, sóng bậc thang

1.3 Ưu, nhược điểm của hệ thống năng lượng mặt trời 1.3.1 Ưu điểm:

 Giúp tiết kiệm chi phí sinh hoạt:

Sau khi vốn đầu tư ban đầu đã đuợc thu hồi, năng luợng từ mặt trời là thiết thực miễn phí

Thời kỳ hoàn vốn cho đầu tư này có thể rất ngắn tùy thuộc vào bao nhiêu hộ gia đ nh của bạn sử dụng điện

Nếu hệ thống pin mặt trời sản xuất năng luợng nhiều hơn bạn sử dụng, nhà nước có thể mua điện từ chúng ta

Hệ thống sẽ giúp bạn tiết kiệm tiền trên hóa đơn điện của bạn hàng tháng Hệ thống không bị ảnh huởng bởi việc cung cấp và nhu cầu nhiên liệu và do đó không phải chịu mức giá ngày càng tăng của xăng dầu

Việc sử dụng năng luợng mặt trời gián tiếp làm giảm chi phí y tế  Thân thiện với môi trường:

Trang 12

bền vững, góp phần bảo vệ môi trường

Năng lượng mặt trời không gây ô nhiễm không khí do khí carbon dioxide phát hành, oxit nitơ, khí lưu huỳnh hoặc thủy ngân vào khí quyển giống như nhiều h nh thức truyền thống của các hệ thống khác

Năng lượng mặt trời tích cực góp phần vào việc giảm phát thải khí nhà kính có hại

Bằng cách không sử dụng bất kỳ nhiên liệu, năng lượng mặt trời không đóng góp cho các chi phí và các vấn đề của việc thu hồi và vận chuyển nhiên liệu hoặc lưu trữ chất thải phóng xạ

 Độc lập, bán độc lập:

Năng lượng Mặt trời có thể được sử dụng để bù đắp năng lượng tiêu thụ, cung cấp tiện ích, không chỉ giúp giảm hóa đơn điện của bạn, nhưng cũng sẽ tiếp tục cung cấp điện trong trường hợp bị cúp điện

Một hệ thống năng lượng mặt trời có thể hoạt động hoàn toàn độc lập, không đòi hỏi một kết nối đến một mạng lưới điện Hệ thống do đó có thể được cài đặt trong vị trí từ xa, làm cho nó thực tế hơn và hiệu quả hơn tiện ích cung cấp điện

Các hệ thống năng lượng mặt trời hầu như bảo dưỡng miễn phí và sẽ kéo dài trong nhiều thập kỷ

Sau khi cài đặt, không có chi phí định kỳ

1.3.2 Nhƣợc điểm:

Các chi phí ban đầu là bất lợi chính của việc cài đặt một hệ thống năng lượng mặt trời, phần lớn là v chi phí cao của các vật liệu bán dẫn được sử dụng trong việc xây dựng một hệ thống

Chi phí năng lượng mặt trời cũng là cao so với tiện ích cung cấp điện không tái tạo Như t nh trạng thiếu năng lượng đang trở nên phổ biến hơn, năng lượng mặt trời ngày càng trở nên giá cạnh tranh

Tấm năng lượng mặt trời đòi hỏi khá một vùng rộng lớn để cài đặt để đạt được một mức độ tốt hiệu quả

Hiệu quả của hệ thống cũng phụ thuộc vào vị trí của mặt trời, mặc dù vấn đề

Trang 13

Việc sản xuất năng lượng mặt trời bị ảnh hưởng bởi sự hiện diện của các đám mây, gây ô nhiễm trong không khí

1.4 Ứng dụng của hệ thống điện năng lƣợng mặt trời tại Việt Nam

Pin mặt trời là phương pháp sản xuất điện trực tiếp từ năng lượng mặt trời (NLMT) qua thiết bị biến đổi quang điện Pin mặt trời (PMT) có ưu điểm là gọn nhẹ, có thể lắp bất kỳ ở đâu có ánh sáng mặt trời, ứng dụng NLMT dưới dạng này được phát triển với tốc độ rất nhanh, nhất là ở các nước phát triển Ngày nay ứng dụng NLMT thay thế dần nguồn năng lượng truyền thống

Tuy nhiên giá thành thiết bị pin mặt trời còn khá cao, trung b nh hiện nay khoảng 5 - 1 0 USD/Wp, nên ở những nước đang phát triển, pin mặt trời hiện mới chỉ có khả năng là cung cấp năng lượng điện sử dụng cho các vùng sâu, vùng xa, nơi đường điện quốc gia chưa có

Ở Việt Nam, với sự hỗ trợ của nhà nước (các bộ, ngành) và một số tổ chức quốc tế đã thực hiện thành công việc xây dựng các trạm pin mặt trời có công suất khác nhau phục vụ nhu cầu sinh hoạt và văn hóa của các địa phương vùng sâu, vùng xa, các công tr nh nằm trong khu vực không có lưới điện

Trong ngành công nghiệp, các trạm pin mặt trời phát điện sử dụng làm nguồn cấp điện dự phòng cho các thiết bị điều khiển trạm biến áp 500KV, thiết bị máy tính và sử dụng làm nguồn cấp điện nối với điện lưới quốc gia

Trang 14

sáng thành năng lượng điện Cường độ dòng điện, hiệu điện thế hoặc điện trở của pin mặt trời thay đổi phụ thuộc bởi lượng ánh sáng chiếu lên chúng Tế bào quang điện được ghép lại thành khối để trở thành pin mặt trời (thông thường 60 hoặc 72 tế bào quang điện trên một tấm pin mặt trời) Tế bào quang điện có khả năng hoạt động dưới ánh sáng mặt trời hoặc ánh sáng nhân tạo Chúng có thể được dùng như cảm biến ánh sáng (vd cảm biến hồng ngoại), hoặc các phát xạ điện từ gần ngưỡng ánh sáng nh n thấy hoặc đo cường độ ánh sáng

Sự chuyển đổi này thực hiện theo hiệu ứng quang điện Hoạt động của pin mặt

trời được chia làm ba giai đoạn:

 Đầu tiên năng lượng từ các photon ánh sáng được hấp thụ và h nh thành các cặp electron-hole trong chất bán dẫn

 Các cặp electron-hole sau đó bị phân chia bởi ngăn cách tạo bởi các loại chất bán dẫn khác nhau (p-n junction) Hiệu ứng này tạo nên hiệu điện thế của pin mặt trời

 Pin mặt trời sau đó được nối trực tiếp vào mạch ngoài và tạo nên dòng điện

Các pin năng lượng Mặt trời có nhiều ứng dụng trong thực tế Do giá thành còn đắt, chúng đặc biệt thích hợp cho các vùng mà điện lưới khó vươn tới như núi cao, ngoài đảo xa, hoặc phục vụ các hoạt động trên không gian, cụ thể như các vệ tinh quay xung quanh quỹ đạo trái đất, máy tính cầm tay, các máy điện thoại cầm tay từ xa, thiết

Trang 15

H nh 2.1 Tấm pin NLMT

bị bơm nước Các pin năng lượng mặt trời được thiết kế như những modul thành phần, được ghép lại với nhau tạo thành các tấm năng lượng Mặt trời có diện tích lớn, thường được đặt trên nóc các tòa nhà nơi chúng có thể có ánh sáng nhiều nhất, và kết nối với bộ chuyển đổi của mạng lưới điện Các tấm pin Mặt Trời lớn ngày nay được lắp thêm bộ phận tự động điều khiển để có thể xoay theo hướng ánh sáng, giống như loài hoa hướng dương hướng về ánh sáng mặt trời

1.5.2 Mô hình pin NLMT:

Pin PV có mạch điện tương đương như một diode mắc song song với một nguồn điện quang sinh Ở cường độ ánh sáng ổn định, pin PV có một trạng thái làm việc nhất định, dòng điện quang sinh không thay đổi theo trạng thái làm việc Do đó, trong mạch điện tương đương có thể xem như là một nguồn dòng ổn định Trên thực tế, trong quá tr nh chế tạo pin PV do tiếp xúc điện cực mặt trước và sau cũng có thể do bản thân vật liệu có một điện trở suất nhất đinh V vậy trong mạch điện tương đương cần phải mắc thêm vào một điện trở nối tiếp và một điện trở song song

Trang 16

Dòng điện đầu ra của pin theo Satpathy (2012); Soetedjo và cs (2012); Lê Kim Anh và cs (2012) được tính như sau:

: Nhiệt độ của bề mặt pin (nhiệt độ tham chiếu) H: Bức xạ của mặt trời kW/m2

Ở đây giá trị dòng điện bão hòa của pin với nhiệt độ của pin được tính như sau:

Trang 17

(

) [ ( )

] (2.3)

Trong đó:

: Dòng bão hòa ngược ở bề mặt nhiệt độ và bức xạ của mặt trời,

: Năng lượng vùng cấp của chất bán dẫn, phụ thuộc vào hệ số lý trưởng và công nghệ làm pin

Mặt khác một pin mặt trời có điện áp khoảng 0,6 V, do đó muốn có điện áp làm việc cao th ta mắc nối tiếp các pin, muốn có dòng điện lớn th mắc song song, như H nh 2.3

Vậy dòng điện một modul tấm pin là:

[ (

) ] (

) (2.4)

Xây dựng mô h nh trên Matlab/Simulink:

H nh 2.3 Dòng điện một modul tấm pin

Trang 18

H nh 2.4 Mô h nh pin PV trên Matlab/Simulink

Các kết quả mô phỏng trên matlab bao gồm: + Mô phỏng đặc tuyến pin mặt trời

Khí hậu thời tiết ảnh hưởng rất lớn đếnh hoạt động của pin mặt trời, trong đó nhiệt độ và bức xạ ánh sáng là những yếu tố tiêu biểu ảnh hưởng mạnh nhất tới đặc tính I – V của pin mặt trời dẫn đến sự thay đổi làm việc có công suất lớn nhất MPP của pin mặt trời

Trang 19

H nh 2.5 Đặc tuyến P(W)-U(V) của PV khi nhiệt độ không đổi,bức xạ thay đổi

H nh 2.6 Đặc tuyến U(V) - I(A) của PV khi nhiệt độ không đổi, bức xạ thay đổi

Trang 20

1.5.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Thay đổi điều kiện nhiệt độ của pin mặt trời từ 30 đến 50 , từ đó thu được đường đặc tính I – V và P – V như h nh 2.5 và 2.6

H nh 2.7 Đặc tuyến P(W)-U(V) của PV khi nhiệt độ thay đổi,bức xạ không đổi

Trang 21

H nh 2.8 Đặc tuyến U(V)-I(A) của PV khi bức xạ không đổi, nhiệt độ thay đổi

Kết luận:

Khi nhiệt độ pin thay đổi từ đến th dòng điện tăng từ 3.1A đến 3.15A còn điện áp giảm xuống từ 21V xuống 19.5V Đặc tính làm việc của pin và điểm làm việc MPP cũng xê dịch nhiều thay đổi rõ rệt khi cường độ bức xạ thay đổi Khi nhiệt độ pin càng lớn th công suất đầu ra càng nhỏ

Nhận xét:

Sau khi thực hiện khảo sát được ảnh hưởng của các yếu tố bên ngoài lên đặc tính của tấm pin mặt trời, cho thấy khi các khí hậ thời tiết bên ngoài thay đổi th đường đặc tính sẽ thay đổi theo do đó điểm có công suất lớn nhất cũng di chuyển theo và vị trí của điểm MPP đó không thể biết trước được nằm ở đâu Do đó việc cần thiết để khai thác hiệu quả tấm pin mặt trời là phải có một thuật toán để theo dõi được quá tr nh di chuyển, vị trí của điểm MPP và áp đặt hệ thống năng lượng mặt trời phải hoạt động tại điểm MPP đó

Trang 22

1.6 Maximum point power tracking – MPPT: 1.6.1 Giới thiệu chung:

MPPT ( Maximum Power Point Tracking ) là phương pháp dò t m điểm làm việc có công suất cực đại của hệ thống điện mặt trời thông qua việc đóng cắt bộ biến đổi DC/DC Phương pháp MPPT được sử dụng rất phổ biến trong hệ thống làm việc độc lập và đang dần được áp dụng trong hệ quang điện làm việc nối lưới MPPT bản chất là thiết bị điện tử công suất ghép nối nguồn điện pin mặt trời với tải dể khuyếch đại nguồn công suấ tra khỏi nguồn pin mặt tròi khi điều kiện làm việc thay đổi, và từ đó có thể nâng cao được hiệu suất làm việc của hệ

Khi một tấm PV được mắc trực tiếp vào một tải, điểm làm việc của tấm PV đó sẽ là giao điểm giữa đường đặc tính làm việc I - V và đường đặc tính I - V của tải Giả sử nếu tải là thuần trở th đường đặc tính tải là một đường thẳng tắp với độ dốc là 1/

H nh 2.9 Bộ điều khiển MPPT

Trang 23

Từ đặc tính I – V cho thấy có 1 điểm gọi là MPP ( Maximum power point ) là điểm mà khi hệ thống hoạt động tại điểm đó th công suất ra của pin mặt trời là lớn nhất

Trong hầu hết các ứng dụng người ta mong muốn tối ưu hóa dòng công suất ra từ pin năng lượng mặt trời tới tải Để làm được điều đó th đòi hỏi điểm hoạt động của hệ thống phải được thiết lập ở điểm MPP

Tuy nhiên, v điểm hoạt động với công suất lớn nhất ( MPP ) phụ thuộc vào bức xạ mặt trời, nhiệt độ, và điều kiện môi trường thay đổi ngẫu nhiên nên vị trí điểm MPP cũng thay đổi liên tục Do đó, để đảm bảo hệ thống luôn làm việc ở điểm MPP th người ta sử dụng một phương pháp đặc biệt gọi là MPPT để bám theo điểm có công suất cực đại

1.6.2 Nguyên lí dung hợp tải

Khi PV mắc trực tiếp với một tải, điểm làm việc của PV sẽ do đặc tính tải xác định Điện trở tải được xác định như sau:

Trang 24

Tải lớn nhất của PV được xác định như sau:

(2.6)

Trong đó:

và là điện áp và dòng điện cực đại

Khi giá trị của tải lớn nhất khớp với giá trị th công suất truyền từ PV đến tải sẽ là công suất lớn nhất Tuy nhiên điều này thường độc lập và hiến khi khớp với thực tế Mục đích của MPPT là phối hợp trở kháng của tải với trở kháng lớn nhất của PV

1.6.3 Bộ tăng áp Boost

Bộ biến đổi Boost được ứng dụng rộng dãi khi đòi hỏi điện áp ra cao hơn điện áp đầu vào Với ưu điểm là dòng điện vào liên tục và dễ dàng điều khiển lên nó được sử dụng nhiều trong bộ công suất của bộ điều khiển MPPT

Bộ boost hoạt động được thực hiên qua cuộn kháng L, chuyển mạch K đóng mở theo chu kỳ Khi K mở cho dòng qua ( ) cuộn kháng tích năng lượng, khi K đóng ( ) cuộn kháng giải phóng năng lượng qua điốt tới tải

Mạch này tăng điện áp võng khi phóng của ắc quy lên để đáp ứng điện áp ra Khi khóa K mở, cuộn cảm được nối với nguồn 1 chiều Khóa K đóng, dòng điện cảm ứng chạy vào tải qua điốt

H nh 2.12 Sơ đồ nguyên lí mạch boost

Trang 25

Bộ biến đổi Boost được mô tả với công thức như sau:

(2.7)

(2.8)

( ) (2.9) Từ công thức 2.9 cho thấy phụ thuộc vào chu kỳ D cảu bộ biến đổi DC/DC và giá trị của tải R, do đó có thể thay đổi giá trị bằng cách thay đổi giá trị chu kỳ D hoặc R, nhưng thông thường giá trị tải thường cố định nên người ta hay thay đổi D

1.7 Thuật toán xác định điểm công suất cực đại

Vị trí của điểm MPP trên đường đặc tính I – V là không biết trước và nó luôn thay đổi phụ thuộc vào điều kiện bức xạ và nhiệt độ Chẳng hạn như h nh trên đặc tính I – V của pin mặt trời khi cố định ở nhiệt độ 45 và bức xạ mặt trời thay đổi

H nh 2.13 Pin mặt trời kết nối với tải qua bộ biến đổi DC/DC

Trang 26

Do đó cần có một thuật toán để theo dõi điểm MPP, thuật toán này chính là phần quan trọng của bộ điều khiển MPPT Có nhiều thuật toán được nghiên cứu và ứng dụng trong thực tế, trong đó phổ biến nhất là hai thuật toán P&O và INC

1.7.1 Thuật toán nhiễm loạn và quan sát P&O

Trong thuật toán này điện áp hoạt động của pin mặt trời bị nhiễu bởi một số nhỏ và kết quả thay đổi công suất, được quan sát

 Phương pháp điều khiển thông qua điện áp tham chiếu Vref

Trang 27

Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang di chuyển theo hướng 1 ( < 0 và < 0) th cần tăng điện áp hoạt động lên để di chuyển điểm hoạt động tới điểm MPP Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang di chuyển theo hướng 2 ( > 0 và >0) th cần tăng điện áp hoạt động lên để di chuyển điểm hoạt động tới điểm MPP Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang di chuyển theo hướng 3 ( > 0 và <0) th cần giảm điện áp hoạt động lên để di chuyển điểm hoạt động tới điểm MPP

Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang di chuyển theo hướng 4 ( < 0 và >0) th cần giảm điện áp hoạt động lên để di chuyển điểm hoạt động tới điểm MPP 1

H nh 2.15 Sơ đồ thuật toán P&O

Trang 28

Giải thích thuật toán:

Bộ điều khiển MPPT sẽ đo các giá trị dòng điện I và điện áp V, sau đó tính toán độ sai lệch , và kiểm tra:

 Nếu > 0 th tăng giá trị điện áp tham chiếu Vref  Nếu < 0 th giảm giá trị điện áp tham chiếu Vref

Sau đó cập nhật các giá trị mới thay cho giá trị trước đó của V, P và tiến hành đo các thông số I, V cho chu k làm việc tiếp theo

H nh 2.16 Hệ thống điều khiển MPPT của dàn pin PV sử dụng thuật toán P&0

 Phương pháp điều khiển trực tiếp

Phương pháp này đơn giản hơn và chỉ sử dụng một mạch vòng điều khiển và nó thực hiện nhiệm vụ điều chỉnh chu kỳ D trong thuật toán MPPT H nh 2.12 tr nh bày cấu trúc điều khiển của thuật toán P&O điều khiển trực tiếp chu kỳ D, hệ thống đo các tín hiệu điện áp và dòng điện của pin mặt trời sau đó qua thuật toán MPPT để điều chỉnh chu kỳ D, nhằm thay đổi trở kháng đầu vào của pin mặt trời sao cho phù hợp với trở kháng tối ưu

Trang 29

Khi trở kháng = th công suất của hệ thống pin mặt trời sẽ là lớn nhất

H nh vẽ trên cho thấy việc tăng D sẽ làm giảm tổng trở vào từ đó điện áp làm việc PV sẽ dịch sang bên trái ( giảm đi ), tương tự khi giảm D sẽ làm tăng khi đó điện áp làm việc sẽ dịch sang bên phải ( tăng lên ) Thuật toán MPPT sẽ quyết định việc dịch chuyển như thế nào

H nh 2.17 Sơ đồ khối phương pháp MPPT điều khiển trực tiếp chu kỳ D

H nh 2.18 Mối quan hệ giữa tổng trở vào của mạch Boost với chu kỳ D

Trang 30

H nh 2.19 Sơ đồ thuật toán P&O với phương pháp điều khiển trực tiếp

Giải thích thuật toán:

Bộ điều khiển MPPT sẽ đo các giá trị dòng điện I và điện áp V, sau đó tính toán độ sai lệch , và kiểm tra:

 Nếu > 0 th giảm chu kỳ D  Nếu < 0 th tăng chu kỳ D

Sau đó cập nhật các giá trị mới thay cho giá trị trước đó của V, P và tiến hành đo các thông số I, V cho chu k làm việc tiếp theo

Kết quả mô phỏng từ matlab:

Trang 31

H nh 2.20 Chu k đóng cắt D

H nh 2.21 Công suất của pin mặt trời

Từ hai h nh trên cho thấy tại thời điểm t = 0.2s th công suất pin mặt trời đạt cực đại

Công suất pin PV khi độ rọi G thay đổi:

Trang 32

H nh 2.22 Công suất pin PV khi độ rọi G thay đổi

Trang 33

trước Một cách khác để giải quyết việc hao hụt công suất quanh điểm MPP là giảm bước tính biến thiên xuống, nhưng khi điều kiện thời tiết thay đổi, thuật toán này sẽ trở nên chậm chạp hơn trong việc bám theo điểm MPP và công suất sẽ bị hao hụt nhiều hơn Như vậy, nhược điểm chính của phương pháp này là không t m được chính xác điểm làm việc có công suất lớn nhất khi điều kiện thời tiết thay đổi Đặc điểm của phương pháp này là phương pháp có cấu trúc đơn giản nhất nhất và dễ thực hiện nhất, trong trạng thái ổn định điểm làm việc sẽ dao động xung quanh điểm MPP, gây hao hụt một phần năng lượng Phương pháp này không phù hợp với điều kiện thời tiết thay đổi thường xuyên và đột ngột

1.7.2 Phương pháp điện dẫn gia tăng INC

Cấu trúc điều khiển của hệ thống dò t m điểm công suất cực đại INC theo điều khiển dòng điện như h nh 2.11 Phương pháp INC là phương pháp dựa trên thực tế như sau:

 Độ dốc của đường cong công suất bằng không tại điểm MPP  Độ dốc dương ở bên trái điểm MPP

 Độ dốc âm ở bên phải điểm MPP

, tại điểm MPP

, bên trái điểm MPP

, bên phải điểm MPP Khi đó:

(2.7) Do đó có thể viết lại hệ thức trên như sau:

tại điểm MPP

bên trái điểm MPP