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 nhiên, điểm vận hành tối ưu này không cố định mà nó 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 có nhiệm 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.
Chương CAO ĐẲNG LILAMA LẠI MINH HỌC HƯỚNG DẪN ĐỒ ÁN HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI ĐỘC LẬP, NỐI LƯỚI TẠI TPHCM VIỆT NAM Chương Chương TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung lĩnh vực nghiên cứu, kết nghiên cứu nước công bố Năng lượng mặt trời xạ vũ trụ lượng khổng lồ Mỗi giây phát 3,865.1026J, tương đương với lượng đốt cháy hết 1,32.10 16 than đá tiêu chuẩn Nhưng bề mặt đất nhận phần lượng nhỏ 17,57 1016 J hay tương đương lượng đốt cháy 6.106 than đá Hình 1.1 Quang phổ mặt trời ngồi khí trái đất Hình 1.2 Thang sóng điện từ xạ mặt trời Chương Hình 1.1 Trình bày thang sóng điện từ xạ mặt trời ánh sáng nhìn thấy có bước sóng 0,4µm đến gần 0,8µm, chiếm phần nhỏ phổ sóng điện từ xạ mặt trời Bảng 1.1: Phân bố xạ mặt trời theo bước sóng Quang phổ Bước sóng Tỷ lệ % Mật độ lượng (W/m ) Tia vũ trụ Tia x Tia tử ngoại C Tia tử ngoại B Tia tử ngoại A < 1nm 0,1 nm 0,2 ữ 0,28 àm 0,28 ữ 0,32 àm 0,32 ữ 0,4 àm 6,978.10 6,978.10 0,57 1,55 5,90 7,864.10 2,122.10 8,073.10 Tia nhìn thấy 0,4 ữ 0,52 àm 0,52 ữ 0,62 àm 0,62 ữ 0,78 µm 2,24.10 16,39 13,36 16,68 1,827.10 Tia hồng ngoại Sóng vơ tuyến điện 2,280.10 4,125.102 1,836.102 2,637.101 6,987.10-9 6,987.10-10 0,78 ữ1,4 àm 1,4 ữ3 àm ÷100 µm 0,1 ÷10 cm 10 ÷100cm ÷ 20cm 30,18 13,43 1,93 6,987.10-9 Tuy nhiên, đất bị bao bọc xung quanh tầng khí có chiều dài khoảng 7991 km bao gồm phân tử khí, nước, hạt bụi, hạt chất lỏng, chất rắn đám mây Vì vậy, xạ mặt trời xun qua lớp khí để đến mặt đất lượng phổ bị thay đổi đáng kể Chương Ơ bên ngồi lớp khí đất, lượng xạ mặt trời số có giá trị 1353 W/m Ở Việt Nam, Vị trí địa lý ưu cho nguồn lượng tái tạo vô lớn, đặc biệt lượng mặt trời Trải dài từ vĩ độ 23023’ Bắc đến 8027’ Bắc, Việt Nam nằm khu vực có cường độ xạ mặt trời tương đối cao, lượng xạ mặt trời trung bình đạt đến 5kWh/m2 ngày Hình 1.3 Phân bố tổng số nắng tháng 1,2,3 năm 2011 Chương Hình 1.4 Bức xạ mặt trời ba thành phố tiêu biểu năm 2009 Ngày nay, nhu cầu sử dụng nguồn lượng tái tạo tăng lên mạnh mẽ nguồn lượng hóa thạch dần cạn kiệt chúng gây hậu môi trường hiệu ứng nhà kính, lũ lụt… Trong nguồn lượng tái tạo, lượng mặt trời dần trở nên phổ biến chúng có nhiều ưu điểm phương pháp phát điện, chí phí bảo dưỡng thấp, an toàn cho người sử dụng không gây ô nhiễm môi trường Nguồn lượng điện mặt trời tăng 20% - 25% so với 20 năm qua yếu tố sau: - Hiệu suất phát điện pin mặt trời ngày cải thiện Cải tiến công nghệ sản xuất pin Giá thành giảm Tuy nhiên, thời điểm giá thành pin mặt trời cịn cao Cơng suất phát pin mặt trời lại phụ thuộc trực tiếp vào xạ, nhiệt độ điều kiện thời tiết Đặc tính PV VI pin mặt trời lại khơng tuyến tính, đường đặc tuyến tồn điểm làm việc cực đại (MPP) mà cơng suất phát pin mặt trời lớn Nhưng điểm số, chúng thay đổi theo nhiệt độ xạ Vỳ vậy, dị tìm điểm làm việc cực đại pin mặt trời (MPPT) phải sử dụng để đưa pin mặt trời làm việc điểm này, nhằm nâng cao hiệu suất pin mặt trời Chương Trên giới nước có nhiều nghiên cứu hệ thống pin mặt trời nối lưới Chủ yếu lĩnh vực như: Ổn định nâng cao điện áp phát hệ thống pin mặt trời [5,6] Các phương pháp điều khiển nhằm đưa hệ thống pin mặt trời làm việc điểm công suất cực đại [16-26] Các phương pháp nghịch lưu nhằm cải thiện chất lượng điện hệ thống lượng mặt trời [4-15] Các phương pháp điều khiển công suất tác dụng, cơng suất phản kháng dịng điện bơm vào lưới hệ thống pin mặt trời nối lưới [12,13] Comparative Study of Maximum Power Point Tracking Algorithms [24] Comparison Of Maximum Power Point Tracking Algorithms For Photovoltaic System [7] A study of a two stage maximum power point tracking control of a photovoltaic system under partially shaded insolation conditions [28] 1.2 Mục đích đề tài Đề tài tập trung nghiên cứu phương pháp tìm điểm làm việc cực đại pin mặt trời xét cá thể pin mặt trời xét toàn thể cách đồng pin lương mặt trời, xét điểm làm việc cực đại hệ thống cánh đồng pin mặt trời có xét đến ảnh hưởng bóng Trên đặc đặc tuyến pin mặt trời, tồn điểm vận hành tối ưu nơi mà công suất nhận từ pin mặt trời cực đại Tuy nhiên, điểm vận hành tối ưu không cố định mà thay đổi theo điều kiện mơi trường đặc biệt xạ mặt trời nhiệt độ pin, cán đồng pin lượng mặt trời điểm vận hành tối ưu phụ thuộc vào vùng bóng cách đồng pin Vì tìm điểm làm việc cực đại (MPP) pin mặt trời phần Chương thiếu hệ thống pin mặt trời nói chung chuyển đổi lượng từ pin mặt trời nói riêng Bộ chuyển đổi lượng có nhiệm vụ chuyển tồn lượng pin mặt trời tải, điều khiển tìm điểm cực đại pin mặt trời Có nhiều chuyển đổi lượng từ pin mặt trời nghiên cứu công bố Các chuyển đổi lượng khác nhiều khía cạnh mức độ phức tạp, thông số đo lường, số lượng cảm biến yêu cầu, tốc độ chuyển đổi giá thành Đề tài nghiên cứu chuyển đổi lượng từ pin mặt trời Mục đích nghiên cứu đề tài đề xuất chuyển đổi lượng kết hợp với phương pháp MPPT tối ưu với khả đáp ứng điều kiện môi trường nhiệt độ, xạ thay đổi chi phí thấp, có khả dò điểm làm việc tối ưu hệ thống cánh đồng pin lượng mặt trời 1.3 Nhiệm vụ đề tài giới hạn đề tài - Xây dựng mơ hình pin mặt trời xét đến ảnh hưởng bóng che, phân tích đặc tuyến I-V, P-V pin mặt trời, phụ thuộc đặc tính pin mặt trời - điều kiện môi trường Nghiên cứu giải thuật MPPT pin mặt trời, đề xuất phương pháp MPPT xét - đến ảnh hưởng bóng che Đề xuất cấu hình cánh đồng pin mặt trời Thi cơng phần cứng dị tìm điểm cực đại bị bóng che Dùng phần mềm Matlab/Simulink nghiên cứu xây dựng mơ hình pin mặt trời, chuyển đổi lượng giải thuật dị tìm điểm làm 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 mô hình tốn học pin mặt trời Đề nghị mơ hình tính tốn cụ - thể Xây dựng mơ hình mô pin mặt trời giải thuật MPPT kết hợp với - chuyển đổi lượng DC/DC Phân tích kết nhận kiến nghị Chương - Đánh giá tổng quát toàn luận văn Đề nghị hướng phát triển đề tài Chương Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Mơ hình pin mặt trời Một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả biến đổi trực tiếp lượng xạ mặt trời thành điện nhờ hiệu ứng quang điện gọi pin mặt trời Mạch điện tương đương pin mặt trời cho hình 2.1: Hình 2.1 Mạch điện tương đương pin mặt trời Mạch điện gồm có dịng quang điện Iph, điot, điện trở dòng rò Rsh điện trở nối tiếp Rs, đặc tuyến I-V pin mô tả biểu thức sau: Trong đó: Iph: dịng quang điện (A) Is: dịng bão hịa (A) q: điện tích electron, q = 1,6x10-19 C k: số Boltzmann’s, k =1,38x10-23 J/K Chương Tc: nhiệt độ vận hành pin (K) A: hệ số lý tưởng phụ thuộc vào cơng nghệ chế tạo pin, ví dụ cơng nghệ Simono A=1.2, Si-Poly A = 1.3… Dòng quang điện Iph phụ thuộc trực tiếp vào xạ mặt trời nhiệt độ pin: Trong đó: Isc: dịng ngắn mạch nhiệt độ tiêu chuẩn 250C (A) xạ 1kW/m2 K1: hệ số dòng điện phụ thuộc vào nhiệt độ (A/0C) Tc: Nhiệt độ vận hành pin mặt trời (K) TRef : Nhiệt độ tiêu chuẩn pin mặt trời (K) λ: Bức xạ mặt trời (kW/m2) Mặt khác, dòng bão hòa Is dòng hạt tải điện khơng tạo kích thích nhiệt Khi nhiệt độ pin mặt trời tăng dịng bão hịa tăng theo hàm mũ Trong đó: IRS: Dòng điện ngược bão hòa nhiệt độ tiêu chuẩn (A) EG: Năng lượng lỗ trống chất bán dẫn Đối với pin mặt trời lý tưởng, điện trở dòng rò R sh = ∞, Rs = Khi mạch điện tương đương pin mặt trời cho hình 2.2: 10 Chương Hình 5.5.Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển Sơ đồ mạch in: Hình 5.6 Sơ đồ mạch in mạch điều khiển 61 Chương Hình 5.7 Sơ đồ mạch in mạch cơng suất Hình 5.8 Mạch điều khiển mạch cơng suất thi cơng 62 Chương Lưu đồ chương trình chính: Hình 5.9 Lưu đồ chương trình Chương trình vi xử lý PIC16F887 63 Chương while(1) { write_command(0x80); write_data('U');//1 write_data('(');//2 write_data('V');//3 write_data(')');//4 write_data(' ');//5 write_data(' ');//6 write_data('I');//7 write_data('(');//8 write_data('m');//9 write_data('A');//10 write_data(')');//11 write_data(' '); write_data('P');//13 write_data('(');//14 write_data('W');//15 write_data(')');//16 write_command(0xc0); ADC_volt(); ADC_volt_out(); ADC_amper(); congsuat (); giai_thuat (); } } void ADC_volt(void) { 64 Chương setup_adc(ADC_CLOCK_DIV_2); setup_adc_ports(sAN0); set_adc_channel(0); for (a=0;a < chongnhieu_ap;a++) { tmp_v = read_adc(); volt=(5000*tmp_v)/256; b = volt; c = c + b; } c = c/chongnhieu_ap; c = c*10; c = c/100; volt = c; V1=c; } void ADC_amper(void) { setup_adc(ADC_CLOCK_DIV_2); setup_adc_ports(sAN2); set_adc_channel(2); for (e=0;e < chongnhieu_dong;e++) { tmp_i = read_adc(); amper =(5000*tmp_i)/256; f = amper; g = g + f; } 65 Chương g = g/chongnhieu_dong; g = g*100; g = g/15; amper = g; } void congsuat(void) { c_s = V1*g; c_s = c_s/100; c_s = c_s/10; P1 = c_s; } void giai_thuat(void) { timer = timer + 1; duty = duty + 1; if (timer Pmpp) { Pmpp = P2; Vmpp = V1; Dmpp = duty; } } if (timer > 220) { duty = Dmpp; 66 Chương } trunggian_tren = Pmpp*12; trunggian_tren = trunggian_tren/10; can_tren = trunggian_tren; trunggian_duoi = Pmpp*8; trunggian_duoi = trunggian_duoi/10; can_duoi = trunggian_duoi; if (timer > 300) { if (P1>=can_tren) { timer = 30; duty = 30; Dmpp = 0; Pmpp = 0; Vmpp = 0; } if (P1