Thiết kế nguồn điện năng lượng mặt trời có bộ tự động chọn điểm làm việc cực đại theo phương pháp po (perturb and observe

So với những nguồn năng lượng mới đang được khai thác sử dụng nhưnăng lượng gió, năng lượng hạt nhân… Năng lượng mặt trời được coi là mộtnguồn năng lượng rẻ, vô tận, là một nguồn năng lư

LỜI NÓI ĐẦU

Khoa học và thực tiễn trên thế giới đã chỉ ra những nhược điểm rõ ràngcủa các nguồn điện truyền thống như nhiệt điện, thủy điện, điện hạt nhân đã

có những tác động rất xấu đến môi trường, cuộc sống con người và sẽ khôngthể cung cấp đủ nhu cầu trong tương lai không xa

Một trong những biện pháp đang được quan tâm nhất hiện nay là sử dụngcác dạng năng lượng tái tạo nhằm đáp ứng trực tiếp cho các phụ tải hay giúpphân bố lại công suất truyền tải trong lưới phân phối Qua đó, giúp giảm việcxây mới các nhà máy điện quy mô lớn, tăng hiệu quả vận hành cho toàn hệthống điện

So với những nguồn năng lượng mới đang được khai thác sử dụng nhưnăng lượng gió, năng lượng hạt nhân… Năng lượng mặt trời được coi là mộtnguồn năng lượng rẻ, vô tận, là một nguồn năng lượng sạch không gây hạicho môi trường đang thu hút sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học, nhànghiên cứu và sẽ trở thành nguồn năng lượng tốt nhất trong tương lai

Với ưu điểm không phát ra tiếng ồn, dễ chế tạo tấm pin mặt trời PV(Photovotaic), không đòi hỏi khắt khe về điều kiện lắp đặt (có thể đặt trực tiếptrên công trình) Tuy nhiên, năng lượng phát ra được từ tấm pin mặt trời lạiphụ thuộc hoàn toàn vào thời điểm có bức xạ mặt trời

Phương pháp khai thác điểm làm việc cực đại của PV đã được nhiều các nhà khoa học đề xuất: phương pháp P&O (Perturb and Observe), phương pháp sử dụng mô hình của mạng nơron, giảm bậc Trong đó phương pháp P&O có xét đến các yếu tố ảnh hưởng của nhiệt độ, cường độ sáng Vì vậy, sau hai năm

học tập và nghiên cứu cùng với sự định hướng của thầy hướng dẫn TS Ngô Đức

Minh em đã lựa chọn đề tài là “Thiết kế nguồn điện năng lượng Mặt trời có bộ

tự động chọn điểm làm việc cực đại theo phương pháp P&O (Perturb and Observe)”

Luận văn gồm có 4 chương với nội dung tổng quan như sau:

Nguyễn Thị Hồng Hạnh – K14 trường Đại học KTCN 1

Chương 1 Tổng quan về năng lượng mới và tái tạo.

Chương 2 Mạng điện khai thác năng lượng từ pin mặt trời

Chương 3 Bộ theo dõi điểm làm việc cực đại

Chương 4 Thiết kế hệ thống có khai thác năng lượng từ tấm pin mặt trời

E xin bày tỏ sự biết ơn chân thành của mình tới thầy giáo TS Ngô Đức

Minh đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện để em hoàn thành bản luận văn này.

Tôi xin chân thành cám ơn các thầy cô ở Khoa Điện – Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã đóng góp nhiều ý kiến và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận văn.

Tôi xin chân thành cám ơn Khoa sau Đại học, xin chân thành cám ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp đã tạo những điều kiện thuận lợi nhất về mọi mặt để tôi hoàn thành khóa học

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày 20 tháng 8 năm 2011

Người thực hiện

Nguyễn Thị Hồng Hạnh

Nguyễn Thị Hồng Hạnh – K14 trường Đại học KTCN 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO

1.1 Các dạng năng lượng mới và tái tạo

Năng lượng tái tạo (NLTT) hay năng lượng tái sinh là năng lượng từ nhữngnguồn liên tục mà theo chuẩn mực của con người là vô hạn Nguyên tắc cơ bảncủa việc sử dụng năng lượng tái sinh là tách một phần năng lượng từ các quytrình diễn biến liên tục trong môi trường tự nhiên và đưa vào trong các sử dụng

kỹ thuật cho một mục đích nào đó của con người Các quy trình này luôn tuântheo quy luật được thúc đẩy từ Mặt trời

Tình hình NLTT trên toàn cầu được thống kê năm 2006 qua biểu đồ sau:

Hình 1 1 Các nguồn NLTT trên Thế giới năm 2006

1.2 Năng lượng Mặt trời

1.2.1 Sự hình thành năng lượng Mặt trời

Các nghiên cứu của con người đem lại có thể trực tiếp thu lấy năng lượngnày thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển năng lượng của bức xạ Mặt trời(BXMT) thành điện năng, như pin Mặt trời Năng lượng của các photon cũng cóthể được hấp thụ để làm nóng các vật thể, tức là chuyển thành nhiệt năng, ứngdụng cho bình đun nước Mặt trời, các nhà máy nhiệt điện Mặt trời, các hệ thống

máy điều hòa Mặt trời, V.V Trường hợp khác, năng lượng của các photon cóthể được hấp thụ và chuyển hóa thành năng lượng trong các liên kết hóa học củacác phản ứng quang hóa, V.V

1.2.2 Tiềm năng năng lượng Mặt trời

- Tiềm năng trên Thế giới:

Theo số liệu thống kê bức xạ trung bình của một địa điểm trên Thế giớivào khoảng 2000 kWh/m2/năm

Bảng 1 1 : Bảng tổng hợp tiềm năng của năng lượng Mặt trời

Khu vực

Bức xạ Mặttrời[1000 TWh]

Chỉ số chất lượngtrung bình DNI[kWh/tháng/năm]

Công suất có thểkhai thác[1000 TWh/năm]

- Tiềm năng ở Việt Nam:

Bảng 1 2: Số liệu về bức xạ năng lượng Mặt trời của các vùng ở Việt Nam.

trong năm

Bức xạkcal/cm

2

/năm

Khả năngứng dụng

Trung bình cả nước 1700-2500 100-175 Tốt

1.2.3 Công nghệ sử dụng năng lượng Mặt trời

Bức xạ Mặt trời gửi tới Trái đất dưới dạng sóng bức xạ, năng lượng sóngphụ thuộc bước sóng (phổ sóng), không phải là truyền nhiệt đến Trái đất Muốnkhai thác năng lượng Mặt trời (NLMT) phải có thiết bị hấp thụ năng lượng củacác sóng bức xạ, từ đó hình thành nhiều công nghệ khai thác khác nhau dựa trêncác nguyên tắc chủ yếu sau:

- BXMT - điện năng – phụ tải điện

- BXMT - nhiệt năng – phụ tải nhiệt

- BXMT - nhiệt năng – điện năng – phụ tải điện

1.3 Năng lượng gió

1.3.1 Sự hình thành năng lượng gió

1.3.2 Tiềm năng gió

1.3.3 Công nghệ sử dụng năng lượng gió

1.4 Thủy điện nhỏ

1.4.1 Khái niệm chung về thủy điện nhỏ

Thủy điện nhỏ là nguồn năng lượng có hiệu quả kinh tế rất cao, được chú

ý rộng rãi trên toàn thế giới, đóng góp quan trọng cho cân bằng năng lượng củamỗi quốc gia và đặc biệt có ý nghĩa cho bảo vệ môi trường

1.4.2 Tiềm năng và tình hình khai thác ở Việt Nam

Ở Việt Nam, với đặc điểm địa lý của đất nước có nhiều đồi núi, caonguyên và sông hồ, lại có mưa nhiều Hàng năm mạng lưới sông suối vậnchuyển ra biển hơn 870 tỷ m3 nước, tương ứng với lưu lượng trung bình khoảng37.500 m3/giây Đó là tiềm năng lớn cho việc phát triển các nhà máy thủy điệnnói chung và thủy điện nhỏ nói riêng

Ði đầu trong việc phát triển thủy điện vừa và nhỏ là Tổng công ty Sông

Ðà với tổng công suất hơn 40 MW

1.4.3 Công nghệ thủy điện nhỏ

Đối với các nhà máy thủy điện lớn, thủy năng (TN) được tập trung trênnhững dòng chảy (sông) lớn Trong khi đó, thủy điện nhỏ lại khai thác từ nhiềudạng thái thủy năng khác nhau từ các dòng chảy nhỏ, suối

- TN – Cơ năng – Máy xay, bơm nước

- TN – Cơ năng – Máy phát điện

Bảng 1 3: Quan hệ công suất theo lưu lượng, chiều cao cột nước

Công suất P (W) Chiều cao H (m) Lưu lượng Q (l/s)

1.5 Năng lượng địa nhiệt

1.5.1 Sự hình thành năng lượng địa nhiệt

1.5.2 Tiềm năng của năng lượng địa nhiệt

Bảng 1 4 Nhiệt độ địa nhiệt của một số địa điểm ở Việt Nam

)

1.5.3 Công nghệ khai thác địa nhiệt

1.6 Năng lượng thủy triều và sóng biển

1.6.1 Sự hình thành năng lượng thủy triều và sóng biển

1.6.2 Tiềm năng năng lượng thủy triều và sóng biển

1.6.3 Công nghệ khai thác

1.7 Đề xuất hướng nghiên cứu

Trên cơ sở phân tích những dạng năng lượng mới và tái tạo, nhận thấyrằng công nghệ khai thác quang điện mặt trời là một trong những ngành pháttriển nhanh nhất trên thế giới Vì vậy, tác giả luận văn đề xuất hướng nghiên cứucủa đề tài vào dạng năng lượng mặt trời Với mục đích đưa ra một mô hìnhmạng điện có khai thác NLMT với việc thực hiện giải pháp khai thác tối đa nănglượng phát ra từ tấm mặt trời Nội dung nghiên cứu gồm những phần chính sauđây:

- Mô hình mạng điện có khai thác năng lượng mặt trời

- Đặc điểm hoạt động của mạng điện có kết nối lưới và không kết nốilưới

- Giải pháp khai thác tối đa năng lượng điện từ mặt trời

- Thuật toán MPPT

- Mô phỏng kết quả nghiên cứu trong Matlab và kết quả thực nghiệm

- Kết luận và kiến nghị

1.8 Kết luận chương 1

Nội dung chương 1 đã làm rõ khái niệm Năng lượng tái tạo và nêu đượctổng quan về một số dạng năng lượng mới và tái tạo cơ bản, hiện đang đượcquan tâm trên Thế giới, trong đó có Việt Nam Trên cơ sở đó, định hướngnghiên cứu cho đề tài, những nội dung chính của luận văn

CHƯƠNG 2 MẠNG ĐIỆN KHAI THÁC NĂNG LƯỢNG TỪ PIN MẶT TRỜI 2.1 Giới thiệu chung

Tấm pin mặt trời có thể đặt trực tiếp trên các mái nhà, tường nhà, côngtrình công cộng ở các khu dân cư đông đúc Với việc phát triển công nghệ chếtạo pin mặt trời hiện nay, hiệu suất của các tấm pin ngày càng tăng lên nên các

hệ thống điện có khai thác năng lượng phát ra từ các tấm pin mặt trời đang ngàycàng phát triển để thay thế dần các nguồn năng lượng truyền thống

Hình 2.1 Hệ thống điện có khai thác năng lượng mặt trời

Với sự phát triển của lĩnh vực điện tử công suất và công nghệ chế tạo pinmặt trời, năng lượng của PV sẽ được khai thác dưới các dạng sau:

- PV độc lập với lưới điện

- PV hybrid (kết hợp với các dạng nguồn khác)

- PV kết nối lưới

2.2 Các loại mạng điện có khai thác năng lượng từ PV

2.2.1 Mạng điện PV độc lập.

Mô hình hệ thống điện năng lượng mặt trời độc lập hiện nay được sửdụng để phát điện chủ yếu cho các hộ gia đình ở những khu vực vùng sâu vùng

xa hoặc trên các hải đảo xa xôi mà lưới điện quốc gia không đưa đến được

2.2.2 Mạng điện có PV kếp hợp với các nguồn khác không kết nối lưới

- Hệ thống kết hợp máy phát điện NLMT với máy phát điện khác như tua bin gió, tuabin thủy điện nhỏ, bộ động cơ diesel,

2.2.3 Mạng điện có PV kết nối lưới

Hình 2.2 Mô hình hệ thống PV độc lập

Hình 2.3 Mô hình hệ thống PV kếp hợp

Tổ động cơ máy phát gồm các tua bin gió, tuabin thủy điện nhỏ …

Tải xoay chiều

Hình 2.4 Mô hình PV kết nối lưới

Trong hệ thống này, dòng điện 1 chiều từ các tấm pin mặt trời sẽ được điqua các bộ biến đổi điện áp 1 chiều DC/DC, bộ nghịch lưu DC/AC và đồng bộvới lưới điện Năng lượng sẽ được chạy qua công tơ đo Watt-giờ để đo đếm điệnnăng Trong các hệ thống này, tùy theo yêu cầu vận hành và so sánh chi phí để

có thể trang bị bộ tích trữ lượng

2.3 Các khối chức năng trong hệ thống điện có PV

Hình 2.5 mô tả sơ đồ khối của hệ thống điện có khai thác năng lượng từcác tấm mặt trời

2.3.1 Tấm pin mặt trời (Solar Panel)

Pin năng lượng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện) là thiết bịbán dẫn chứa lượng lớn các diot p-n, dưới sự hiện diện của ánh sáng mặt trời có

Pin mặt

trời

Hình 2.5 Sơ đồ khối của hệ thống điện sử dụng năng lượng mặt trời

Bộ biến đổiDC/DC

Ắcquy

Bộ biến đổiDC/AC

Tảihoặclướiđiện

Bộ biến đổiDC/DC

khả năng tạo ra dòng điện sử dụng được Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện.

2.3.2 Khối theo dõi điểm làm việc cực đại MPPT (Maximum Power PointTracking)

MPPT là khối theo dõi điểm làm việc cực đại của tấm pin mặt trời Khốinày sẽ điều khiển cơ chế phát xung của chip vi điều khiển, qua đó thay đổi điện

áp đầu vào của mạch DC để điện áp vận hành của PV là điện áp tại điểm cực

đại

MPPT được coi là một phần không thể thiếu trong hệ PV nhằm khai thácđược tối đa năng lượng của PV, khắc phục được một phần nhược điểm hiệu suấtthấp của PV

2.3.3 Bộ nghịch lưu DC-AC (Solar Inverter)

Bộ nghịch lưu là một thiết bị biến đổi điện áp một chiều (DC) của bình ắc quy thành điện áp xoay chiều (AC)

2.3.3.1 Bộ nghịch lưu áp 1 pha

a) Sơ đồ nghịch lưu áp 1 pha

b) Phân tích bộ nghịch lưu áp 1 pha

2.3.3.2 Phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp 3 pha.

a) Điều khiển bộ nghịch lưu bằng phương pháp PWM

b) Nguyên lý làm vịêc

c) Quan hệ giữa điện áp đầu ra và độ rộng xung của bộ nghịch lưu

d) Điều kiện ràng buộc khi điều chế độ rộng xung

2.3.4 Bộ biến đổi DC-DC

Vai trò của một bộ biến đổi DC-DC trước hết là biến đổi một công suấtđiện vào P1= V1.I1 thành một công suất điện ra P0 = V0.I0 với hiệu suất  = P0/P1

tốt nhất có thể (Hình 2.15)

V 1

Hình 2.15 Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi DC-DC

Các bộ biến đổi DC-DC có thể chia thành hai loại:

- Bộ tăng thế V0 > V1 (Voltage Booster)

- Bộ hạ thế V0 < V1 (Voltage Reducer hoặc Buck)

Trên sơ đồ mô hình khai thác chúng ta cần một bộ tăng thế nên đề tài chỉ

để cập đến bộ tăng thế

* Nguyên lý hoạt động của bộ tăng thế

2.3.5 Ắc quy (Battery)

2.3.5.1 Khái niệm Ắc quy

2.3.5.2 Sơ đồ thay thế của Ắc quy

2.3.5.3 Nguyên lý hoạt động của Ắc quy chì- axit

a) Quá trình nạp:

b) Quá trình phóng điện của Ắc quy:

2.3.5.4 Đặc tính phóng nạp của Ăc quy

lượng từ PV lớn nhất Vì vậy trong chương 3, luận văn sẽ tập trung vào phươngpháp tìm điểm làm việc cực đại P&O.

Có thể thấy rằng, khi được chiếu sáng, nếu nối các bán dẫn p và n của mộttiếp xúc pn bằng một dây dẫn, thì pin mặt trời phát ra một dòng quang điện

Iph.Vì vậy trước hết pin mặt trời có thể xem tương đương như một nguồn dòng Lớp tiếp xúc bán dẫn pn có tính chỉnh lưu tương đương như một diot Tuy

nhiên, khi phân cực ngược, do điện trở lớp tiếp xúc có giới hạn, nên vẫn có mộtdòng điện- được gọi là dòng dò- qua nó Đặc trưng cho dòng dò qua lớp tiếp xúc

pn người ta đưa vào đại lượng điện trở sơn R sh (shun)

Khi dòng quang điện chạy trong mạch, nó phải đi qua các lớp bán dẫn p và

n, các điện cực, các tiếp xúc, Đặc trưng cho tổng các điện trở của các lớp đó là

một điện trở R s nối tiếp trong mạch (có thể coi là điện trở trong của pin mặt

I s R V 1 nkT

) s R V ( q exp s I ph I sh I d I ph

Dòng ngắn mạch ISC là dòng điện trong mạch của pin mặt trời khi làm ngắn

mạch ngoài (chập các cực ra của pin) Lúc đó hiệu điện thế mạch ngoài của pinbằng V= 0

3.1.3 Thế hở mạch V OC

Hình 3.1: Sơ đồ tương đương của pin mặt trời (a)

và đường đặc trưng sáng của pin mặt trời (b)

+

V

Im

Isc

Thế hở mạch VOC là hiệu điện thế được đo khi mạch ngoài của pin mặt trời

hở (R = ∞) Khi đó dòng mạch ngoài I = 0

3.2 Điểm làm việc với công suất cực đại

Xét một đường đặc trưng VA của pin mặt trời đối với một cường độ bức

xạ cho trước và ở nhiệt độ xác định Nếu các cực của pin mặt trời được nối vớimột tải tiêu thụ điện R thì điểm cắt nhau của đường đặc trưng VA của pin mặttrời và đường đặc trưng của tải trong toạ độ OIV là điểm làm việc của pin mặttrời Nếu tải tiêu thụ điện của một pin mặt trời là một tải điện trở Ohm thuần, thìđường đặc trưng tải là một đường thẳng qua gốc toạ độ và có độ nghiêng  đốivới trục OV và tg = 1/R trên (hình 3.4) (theo định luật Ohm ta có I = V/R).Trong trường hợp này, công suất pin mặt trời cấp cho tải chỉ phụ thuộc vào giátrị điện trở R

Hình 3.4 Điểm làm việc và điểm làm việc công suất cực đại

3.3 Thuật toán tìm điểm làm việc cực đại theo phương pháp P&O

Nguyễn Thị Hồng Hạnh – K14 trường Đại học KTCN 15

V

I

A

V opt Voc O

I opt

I

oc M

P

A 2 S

N

A 1

P4=const

P opt P 3 P 2 P 1

1/R opt

Đo I(k) và V(k)P(k) = I(k).V(k)

ĐúngSai

3.4 Đặc điểm của phương pháp P&O

Phương pháp P&O còn gọi là phương pháp leo đồi (hill climbing method)bởi vì độ tăng của công suất ngược với điện áp

Nếu điện áp vận hành của tấm PV bị nhiễu loạn theo 1 hướng đã cho và dP/dV > 0 thì các dao động này sẽ chuyển điểm làm việc của PV hướng về điểm

Hình 3.6 Thuật toán P&O

MPPT Thuật toán P&O sẽ tiếp tục làm nhiễu loạn điện áp PV theo hướng đó Nếu dP/dV < 0 thì điểm vận hành đang bị di chuyển ra xa điểm MPPT và thuật toán P&O đảo ngược hướng của nhiễu loạn đó.

Ưu điểm của phương pháp P&O là dễ dàng lắp đặt Tuy nhiên, nó cũng cómột số giới hạn như gây ra việc dao động quanh vị trí của điểm MPPT ở trạng thái vận hành cân bằng, tốc độ đáp ứng chậm và có thể dò tìm sai khi các điều kiện môi trường thay đổi nhanh

3.5 Mô phỏng trên Matlab/Simulink thuật toán P&O

Bảng 3.1 Th c hi n mô ph ng v i t m pin m t tr i v i thông s sau:ực hiện mô phỏng với tấm pin mặt trời với thông số sau: ện mô phỏng với tấm pin mặt trời với thông số sau: ỏng với tấm pin mặt trời với thông số sau: ới tấm pin mặt trời với thông số sau: ấm pin mặt trời với thông số sau: ặt trời với thông số sau: ời với thông số sau: ới tấm pin mặt trời với thông số sau: ố sau:

2 Công suất tấm pin

16 module

x 85Wp/module

Nhận thấy rằng sau khi khai thác được tối đa năng lượng của PV thì phải

có biện pháp để sử dụng được hết năng lượng này Điều này có thể thực hiệnbằng hai cách:

- Liên kết trực tiếp với lưới điện để phát toàn bộ công suất điện năng vàolưới vì lưới điện có khả năng thu nhận không hạn chế các nguồn năng lượng mới

để giảm bớt công suất phát của các nguồn truyền thống

- Nối với kho năng lượng (ắc quy) để PV cung cấp điện nạp cho ắc quy.Đồng thời, thời gian có ánh sáng mặt trời (từ khoảng 5h sáng đến 18h chiều) làkhoảng thời gian đủ dài để thực hiện nạp cho ắc quy