Nghiên cứu bộ chuyển đổi năng lượng từ pin mặt trời

ii LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2013 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Trần Tấn Nguyện iii LI CM N Luận văn tốt nghiệp đánh dấu việc hoàn thành gần hai năm cố gắng học tập và nghiên cứu cũng là luận văn đánh dấu cuối cùng trong quá trình học cao học. Để có được thành quả hôm nay, em xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đối với Nhà trường, Thầy Cô, Gia đình và bạn bè, những người luôn cố gắng tạo mọi điều kiện để em có được những kết quả tốt nhất trong học tập. Riêng đối với luận văn này, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với thầy Trơng Vit Anh giáo viên giảng dạy và hướng dẫn. Thầy đã tận tình giảng dạy chỉ bảo và hướng dẫn cho em, cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp em vượt qua được rất nhiều trở ngại trong suốt quá trình nghiên cứu. Em xin chân thành cảm ơn thầy! Cuối cùng, xin cảm ơn tất cả các bạn, những người đã đồng hành cùng em trong suốt khoá học và trong quá trình thực hiện chuyên đề này. Học viên thực thực hiện Trần tấn Nguyện iv TÓM TT Trong điều kiện thay đổi của môi trường, làm cho đặc tuyến PV của pin mặt trời thay đổi. Có nhiều bộ chuyển đổi năng lượng đã được đề xuất từ các nghiên cứu của các tác giả khác nhau bao gồm giải thuật tìm điểm MPP. Nhưng có ít tác giả xét đặc tuyến PV trong điều kiện bị bóng che bức xạ. Luận văn này tập trung nghiên cứu và cải thiện bộ chuyển đổi năng khi cánh đồng pin mặt trời bị bóng che. Luận văn trình bày phương pháp tìm điểm cực đại của pin mặt trời và cấu hình bộ chuyển đổi NL cho hệ thống cánh đồng pin mặt trời xét trong điều khiện bị bóng che. Cấu hình bộ chuyển đổi NL được đề xuất chia cánh đồng pin ra thành nhiều phần tử pin nhỏ, mỗi phần tử là một tấm pin, mỗi phần từ này được trang bị một bộ DC/DC riêng, và được ghép song song lại với nhau trên bus voltage. Bộ MPPT dò từ 0 đến 100%, trong quá trình dò sẽ lưu lại điểm có công suất lớn nhất, khi dò xong sẽ xuất điểm có công suất lớn nhất này ra làm việc. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy cấu hình này truyền công suất ra lưới lớn hơn so với cấu hình một bộ chuyển đổi NL dùng chung cho cả cánh đồng pin. Giải thuật MPPT cũng khắc phục được nhược điểm dò sai tại điểm cực trị địa phương khi cánh đồng pin bị bóng che. iv ABSTRACT In the changing conditions of the environment, PV characteristics of solar are changed. Energy converters has been proposed from studies of different authors including algorithm maximum power point tracking. But few authors consider the PV characteristics under partially shaded insolation conditions. This thesis focus research and improve energy converters for solar fields under partially shaded insolation conditions. This thesis presents the algorithm to maximum power point tracking and energy converter configuation for solar fields under partially shaded insolation conditions. Solar fields are divided into several small elements for Energy converter configuation that is proposed, each element is a solar panel, each of which is equipped with a saperated DC/DC, and is installed together on the bus voltage parallelly. The MPPT set tracks from 0 to 100%, in the tracking process, it will save the maximum power point, when completing the track process, the maximum power point will be output for working. Simulation and experimental results shows that this configuration transmits output power that is larger than configuration of energy converter used for whole the fields. MPPT algorithm can overcome disadvantages of error detecting at the local maximum power point when solar fields is under shaded insolation conditions. v MC LC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài Xác nhận của cán bộ hướng dẫn Lý lịch khoa học i Lời cam đoan ii Cảm tạ iii Tóm tắt iv Abstract iv Mục lục v Danh sách các chữ viết tắt vi Danh sách các hình vii Danh sách các bảng viii Chơng 1 TNG QUAN 1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố 1 1.2. Mục đích của đề tài 5 1.3. Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài 6 1.4. Phương pháp nghiên cứu 6 chơng 2 C S Lụ THUYẾT 2.1. Mô hình pin mặt trời 7 2.2. Bộ chuyển đổi DC/DC 11 2.2.1. Bộ chuyển đổi DC/DC boost converter 11 2.2.2. Bộ chuyển đổi DC/DC buck converter 14 2.3. Điểm làm việc cực đại của Pin mặt trời 17 2.4. Các phương pháp tìm điểm cực đại của pin mặt trời phổ biến 20 2.4.1. Phương pháp điện áp hằng số 20 2.4.2. Phương pháp P&O (Perturb and Observe) 22 2.4.3. Phương pháp INC (Incremental Conductance) 23 2.5. Pin mặt trời bị ảnh bởi bóng che. 25 v Chơng 3 ĐỀ XUT B CHUYN ĐI NĂNG LỢNG ĐÁP NG CÁC ĐIỀU KIN THAY ĐI 3.1. Xây dựng cấu hình chung cho bộ chuyển đổi năng lượng. 29 3.2. Giải thuật đề xuất cho việc tìm điểm cực đại cho pin mặt trời khi bị bóng. 31 3.2.1. Cấu hình một bộ DC/DC cho toàn hệ thống cánh đồng pin (cấu hình 1) 31 3.2.2. Cấu hình một bộ DC/DC cho 1 pin (cấu hình 2) 32 3.3. Xây dựng mô hình mô phỏng giải thuật 33 3.3.1. Mô hình Pin mặt trời 33 3.3.2. Cấu hình bộ chuyển đổi NL cho cánh đồng pin mặt trời đề xuất 37 3.3.3. Bộ chuyển đổi DC/DC boost converter 39 Chơng 4 KẾT QU MÔ PHNG 4.1. Mô hình mô phỏng 43 4.1.1. Mô hình hệ thống mô phỏng cấu hình 1 43 4.1.2. Mô hình hệ thống mô phỏng cấu hình 2 46 4.2. Kết quả mô phỏng 47 Chơng 5 KẾT QU THC NGHIM 5.1. Mô hình thực nghiệm 56 5.2. Kết quả thực nghiệm 66 chơng 6 KẾT LUN VÀ HNG PHÁT TRIN CA ĐỀ TÀI 6.1. Kết luận 70 6.2. Hướng phát triển của đề tài 71 TÀI LIU THAM KHO 72 vi DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TT P&O (Perturb and Observe) INC (Incremental Conductance) NL: Năng lượng CĐNL: chuyển đổi năng lượng MPP: Maximum power point (điểm có công suất lớn nhất) MPPPT: Maximum power point tracking (dò tìm điểm có công suất lớn nhất) DC/DC: Direct Curent/ Direct Curent vii DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1: Quang phổ mặt trời ngoài khí quyển trái đất 1 Hình 1.2: Thang sóng điện từ của bức xạ mặt trời 1 Hình 1.3: Phân bố tổng số giờ nắng 3 tháng 1,2,3 năm 2011 3 Hình 1.4: Bức xạ mặt trời tại ba thành phố tiêu biểu năm 2009 3 Hình 2.1: Mạch điện tương đương của pin mặt trời 7 Hình 2.2: Mô hình pin mặt trời lý tưởng 9 Hình 2.3: Mô đun pin mặt trời 9 Hình 2.4: Đặc tuyến I-V với các bức xạ khác nhau 10 Hình 2.5: Đặc tuyến P-V với các bức xạ khác nhau 11 Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý mạch boost 12 Hình 2.7: Mạch điện khi S đóng 12 Hình 2.8: Dạng sóng điện áp và dòng điện trên cuộn dây L khi S đóng 12 Hình 2.9: Mạch điện khi S mở 13 Hình 2.10: Dạng sóng điện áp và dòng điện trên L khi S mở 13 Hình 2.11: Cấu hình mạch buck 14 Hình 2.12: Đặc tuyến I-V, P-V của pin mặt trời với điểm công suất cực đại 17 Hình 2.13: Các điểm MPP dưới các điều kiện môi trường thay đổi 17 Hình 2.14: Sơ đồ khối của hệ thống CĐNL tiêu biểu 18 Hình 2.15: Bộ DC/DC giúp hút công suất cực đại từ pin mặt trời 19 Hình 2.16: Tỷ lệ phần trăm của V MPP và V OC như chức năng của nhiệt độ và bức xạ 20 Hình 2.17: Sơ đồ thuật toán điện áp không đổi 21 Hình 2.18: Sự thay đổi điểm MMP của P&O nhanh chóng theo gia tăng bức xạ 22 vii Hình 2.19: Lưu đồ giải thuật P&O 23 Hình 2.20: Độ dốc (dP/dV) của PV 24 Hình 2.21: Giải thuật InC 25 Hình 2.22: Mô đun pin mặt trời khi bị bóng che một phần 26 Hình 2.23: đặc tuyến P-V tương ứng với bức xạ 0,25-0,5-0,75-1 kW/m 2 của hai dãy pin trong cánh đồng pin gồn 2 dãy pin song song, mỗi dãy có 6 pin ghép nối tiếp (100W/1pin), trong đó có 1 dãy pin bị bóng che 27 Hình 2.24: Đặc tuyến P-V tổng của hai dãy pin trong hình 2.23 27 Hình 2.25: Cánh đồng pin mặt trời trong thực tế 28 Hình 3.1: Cấu hình bộ chuyển đổi năng lượng cho 1 tấm pin 30 Hình 3.2: Cấu hình bộ chuyển đổi năng lượng cho toàn cánh đồng pin mặt trời 30 Hình 3.3: Lưu đồ giải thuật MPPT cho khi bị ảnh hưởng của bóng che 31 Hình 3.4: Lưu đồ giải thuật MPPT cho cấu hình bộ chuyển đổi NL được đề xuất 33 Hình 3.5: Mô hình 1 cell pin mặt trời được xây dựng trong Matlab/Simulink 34 Hình 3.6: Mô hình bên trong 1 tấm pin mặt trời được ghép từ 108 cell pin xây dựng trong Matlab/Simulink 34 Hình 3.7: Mô hình pin mặt trời thu gọn 34 Hình 3.8: Bảng thông số đầu vào của 1 cột gồm 36 cell nối tiếp trong pin mặt trời 35 Hình 3.9: Đặc tuyến I-V, P-V với các bức xạ khác nhau, có 3 tấm pin bi bóng che (Nhiệt độ pin 25 o C, trục y hình bên trái là dòng điện A, trục y hình bên phải là công suất, trục x là điện áp V) 36 Hình 3.10: Đặc tuyến I-V, P-V với nhiệt độ vận hành khác nhau, có 3 tấm pin bi bóng che (bức xạ 1kW/m 2 ) 36 Hình 3.11: Cấu hình của toàn cánh đồng pin mặt trời 37 Hình 3.12: Cách ghép các pin theo cấu hình được đề xuất trong thực tế 38 Hình 3.13: Cấu hình bên trong khối PV sytem 38 vii Hình 3.14: Sơ đồ bên trong khối MPPT 39 Hình 3.15: Mạch boost trong Matlab & Simulink 39 Hình 3.16: Dạng sóng điện áp và dòng điện trên cuộn dây L 40 Hình 4.1: Cấu hình cánh đồng pin NLMT sử dụng 1 bộ DC/DC chung. 43 Hình 4.2: Hệ thống mô phỏng 2 46 Hình 4.3: Bức xạ mặt trời thay đổi từ 0.5 lên 1 kW/m 2 47 Hình 4.4: Đáp ứng của bộ MPP trong cấu hình 1 bộ chuyển đổi NL chung 48 Hình 4.5: (a) Công suất, (b) điện áp pin, khi sử dụng 1 bộ DC/DC cho toàn cánh đồng pin 49 Hình 4.6: (a) Công suất, (b) điện áp tải, khi sử dụng cấu hình 1 bộ DC/DC 1 pin trong toàn cánh đồng 50 Hình 4.7: Công suất thu được từ 2 cấu hình khác nhau 51 Hình 4.8: Bức xạ mặt trời thay đổi từ 0.5 lên 1 kW/m 2 52 Hình 4.9: (a) Công suất, (b) điện áp pin, khi sử dụng cấu hình 1. Trong trường hợp các pin bị che bức xạ chỉ giảm đi ½ lần sơ với các tấm không bị che 53 Hình 4.10: (a) Công suất, (b) điện áp tải, khi sử dụng cấu hình 2. Trong trường hợp các pin bị che bức xạ chỉ giảm đi ½ lần sơ với các tấm không bị che 54 Hình 4.11: Công suất thu được từ 2 cấu hình khác nhau. Trong trường hợp các pin bị che bức xạ chỉ giảm đi ½ lần sơ với các tấm không bị che 54 Hình 4.12: Công suất thu được của hai cấu hình 55 Hình 5.1: Mô hình thực nghiệm 56 Hình 5.2: Pin mặt trời 15W và thông số của nhà sản xuất 57 Hình 5.3: Pin mặt trời 80W và thông số của nhà sản xuất 58 Hình 5.4: Sơ đồ mạch công suất và bộ phận đo lường dòng điện 58 Hình 5.5: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển 59 [...]... vụ chuyển toàn bộ năng lượng của pin mặt trời ra tải, dưới sự điều khiển của bộ tìm điểm cực đại của pin mặt trời Có rất nhiều bộ chuyển đổi năng lượng từ pin mặt trời đã được nghiên cứu và công bố Các bộ chuyển đổi năng lượng này khác nhau ở nhiều khía cạnh như mức độ phức tạp, thông số đo lường, số lượng cảm biến yêu cầu, tốc độ chuyển đổi và giá thành Đề tài sẽ nghiên cứu các bộ chuyển đổi năng lượng. .. thay đổi theo các điều kiện môi trường đặc biệt là bức xạ mặt trời và nhiệt độ pin, đối với cán đồng pin năng lượng mặt trời điểm vận hành tối ưu này còn phụ thuộc vào vùng bóng của cách đồng pin Vì vậy tìm điểm làm việc cực đại (MPP) của pin mặt trời là một phần không thể thiếu của hệ thống pin mặt trời nói chung và là của bộ chuyển đổi năng lượng từ pin mặt trời nói riêng Bộ chuyển đổi năng lượng. .. P-V của pin mặt trời, sự phụ thuộc các đặc tính của pin mặt trời dưới các điều kiện môi trường - Nghiên cứu các giải thuật MPPT của pin mặt trời, đề xuất phương pháp MPPT xét đến ảnh hưởng của bóng che - Đề xuất cấu hình cánh đồng pin mặt trời - Thi công phần cứng dò tìm điểm cực đại khi bị bóng che - Dùng phần mềm Matlab/Simulink nghiên cứu xây dựng mô hình pin mặt trời, bộ chuyển đổi năng lượng và... lượng từ pin mặt trời Mục đích của nghiên cứu của đề tài là đề xuất bộ chuyển đổi năng lượng kết hợp với phương pháp MPPT tối ưu với khả năng đáp ứng dưới các điều kiện môi trường như nhiệt độ, bức xạ thay đổi và chi phí thấp, có khả năng dò được điểm làm việc tối ưu của hệ thống cánh đồng pin năng lượng mặt trời 5 Chương 1 1.3 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài - Xây dựng mô hình pin mặt trời xét... tài Đề tài tập trung nghiên cứu các phương pháp tìm điểm làm việc cực đại của pin mặt trời xét trên 1 cá thể pin mặt trời và xét trên toàn thể cách đồng pin năng lương mặt trời, khi xét điểm làm việc cực đại của hệ thống cánh đồng pin mặt trời có xét đến ảnh hưởng của bóng Trên đặc các đặc tuyến của pin mặt trời, tồn tại một điểm vận hành tối ưu nơi mà công suất nhận được từ pin mặt trời là cực đại Tuy... của mô đun pin mặt trời gồm có Np nhánh song song và Ns pin nối tiếp được mô tả như hình 2.3: Hình 2.3 Mô đun pin mặt trời 9 Chương 2 Mạch điện hình 2.3 được miêu tả bởi biểu thức sau: = − � � � −1 (2.6) Pin mặt trời chuyển một phần bức xạ mặt trời trực tiếp thành năng lượng điện, nhưng một phần đó chuyển thành nhiệt cộng với pin mặt trời có màu dễ hấp thụ nhiệt nên nhiệt độ vận hành của pin có thể... truyền từ pin mặt trời đến tải Tuy nhiên, trong thực tế hai tổng trở này lại không bằng nhau Mục đích của bộ MPPT là điều chỉnh tổng trở tải nhìn từ phía nguồn bằng với tổng trở tối ưu của pin mặt trời Thông thường bộ biến đổi DC/DC (tăng áp, giảm áp) được phục vụ cho việc truyền công suất từ pin mặt trời tới tải Bộ DC/DC hoạt động như thiết bị giao tiếp giữa tải và pin mặt trời Bằng việc thay đổi độ... việc cực đại cho cánh đồng pin 1.4 Phương pháp nghiên cứu - Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu - Nghiên cứu các mô hình toán học của pin mặt trời Đề nghị mô hình tính toán cụ thể - Xây dựng mô hình mô phỏng pin mặt trời và các giải thuật MPPT kết hợp với bộ chuyển đổi năng lượng DC/DC - Phân tích các kết quả nhận được và các kiến nghị - Đánh giá tổng quát toàn bộ bản luận văn Đề nghị hướng... số, chúng luôn thay đổi theo nhiệt độ và bức xạ Vỳ vậy, dò tìm điểm làm việc cực đại của pin mặt trời (MPPT) phải được sử dụng để đưa pin mặt trời luôn làm việc tại điểm này, nhằm nâng cao hiệu suất của pin mặt trời Trên thế giới và trong nước đã có nhiều nghiên cứu về hệ thống pin mặt trời nối lưới Chủ yếu về các lĩnh vực như: n định và nâng cao điện áp phát ra của hệ thống pin mặt trời [5,6] Các phương... đại từ pin mặt trời khi nhiệt độ và bức xạ thay đổi sử dụng bộ tìm điểm công suất cực đại Hình 2.13 Các điểm MPP dưới các điều kiện môi trường thay đổi Hình 2.14 giới thiệu sơ đồ khối của hệ thống CĐNL tiêu biểu Hầu hết các bộ CĐNL hiện nay gồm có ba phần cơ bản: bộ chuyển đổi DC-DC, bộ phận đo lường và bộ phận điều khiển (bộ phận đo lường và bộ phận điều khiển chính là bộ MPPT) 17 Chương 2 Khi pin mặt . (MPP) của pin mặt trời là một phần không thể thiếu của hệ thống pin mặt trời nói chung và là của bộ chuyển đổi năng lượng từ pin mặt trời nói riêng. Bộ chuyển đổi năng lượng có nhiệm vụ chuyển. chuyển toàn bộ năng lượng của pin mặt trời ra tải, dưới sự điều khiển của bộ tìm điểm cực đại của pin mặt trời. Có rất nhiều bộ chuyển đổi năng lượng từ pin mặt trời đã được nghiên cứu và công. tập trung nghiên cứu và cải thiện bộ chuyển đổi năng khi cánh đồng pin mặt trời bị bóng che. Luận văn trình bày phương pháp tìm điểm cực đại của pin mặt trời và cấu hình bộ chuyển đổi NL cho