Nghiên cứu ảnh hưởng của hiện tượng bóng che lên đặc tính làm việc của pin quang điện sử dụng phần mềm matlab/simulink simscape

Bài báo này sẽ tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của hiện tượng bóng che lên đặc tính làm việc của pin quang điện sử dụng phần mềm matlab/simulink simscape. Và tập trung nghiên cứu vai trò của bypass diode, vị trí module quang điện bị phủ bóng và nhiệt độ tới đặc tính đầu ra của hệ thống quang điện.

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆN TƯỢNG BÓNG CHE LÊN ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA PIN QUANG ĐIỆN SỬ DỤNG PHẦN MỀM MATLAB/SIMULINK SIMSCAPE A STUDY ON IMPACTS OF PARTIAL SHADING ON SOLAR PHOTOVOLTAIC ARRAYS USING MATLAB/SIMULINK SIMSCAPE SOFTWARE Nguyễn Xuân Hiếu(1), Bùi Đăng Thảnh(2) (1) Khoa Cơ - Điện, Học viện Nông nghiệp Việt Nam, (2) Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Tóm tắt: Mơ đun quang điện coi phận biến đổi điện hệ thống phát điện lượng mặt trời Đặc tính làm việc phụ thuộc vào điều kiện môi trường nhiệt độ, cường độ xạ mặt trời tượng bóng che Thơng thường hệ thống pin quang điện bị che phần tồn đám mây, tòa nhà, cột điện, cối… làm thay đổi đặc tính cơng suất phát hệ thống Mặt khác, tổn thất công suất hiệu ứng điểm nóng gây pin bị che khuất đem đến vấn đề độ tin cậy an toàn cho cung cấp điện Nghiên cứu đặc tính làm việc hệ thống ảnh hưởng bóng che tốn kém, mơ hình mơ để nghiên cứu đặc tính làm việc hệ thống quang điện ảnh hưởng tượng bóng che cần thiết Trong báo này, pin quang điện DS-100M sử dụng làm đối tượng mô Việc nghiên cứu tập trung vào thay đổi đặc tính làm việc hệ thống thay đổi yếu tố như: mức độ che phủ pin quang điện, vị trí mơ đun quang điện bị che phủ với thay đổi nhiệt độ vai trò bypass diode hệ thống bị che phủ Các kết đạt rõ thay đổi đặc tính làm việc với ảnh hưởng tượng bóng che Các kết tích cực hỗ trợ nhiều cho nghiên cứu thực nghiệm Từ khóa:1 Simscape; dãy pin quang điện, tượng bóng che, đặc tính P-V, đặc tính I-V, bypass diode Abstract: Solar photovoltaic module is the fundamental power transformation unit of photovoltaic (PV) generation system The performance of a PV array is dependent on operating environmental conditions such as temperature, solar insolation, shading and array configuration In most cases, the PV arrays may get shadowed completely or partially by passing clouds, neighboring buildings, Ngày nhận bài: 17/08/2015; Ngày chấp nhận: 31/8/2015; Phản biện: TS Nguyễn Hoàng Nam SỐ - tháng 10 năm 2015 13 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) poles, and trees, etc Under such shaded conditions, the P-V characteristics become more complex with multiple peaks and it is very important to predict the characteristics to obtain maximum power On the other hand, power losses and hotspot effects caused by partial shading can also bring about security and reliability problems Due to expensiveness and time consumption, it is necessary to have a simulation model to study the impacts of partial shading on output characteristics of PV arrays under practical working conditions In this article, a DS-100M solar PV panel is used for reference The study also focuses on output characteristics of solar PV arrays under shading conditions: area and varying location of shaded modules, temperature changes as well as the role of bypass diode in the system The simulation results show that PV system’s operation is significantly affected by shading and also make considerable contributions to experimental researches in future Keywords: Simscape, photovoltaic arrays, shading effect, P-V characteristic, I-V characteristic, bypass diode GIỚI THIỆU CHUNG Mô toán học module quang điện nghiên cứu nhằm xác định đặc tính làm việc tối ưu Mơ hình mạch điện tương đương tế bào quang điện bao gồm nguồn dòng điện lý tưởng mắc song song (hoặc hai) diode, điện trở nối tiếp Rs, điện trở shunt Rsh [1-2] Một hệ quang điện bao gồm nhiều module ghép nối tiếp song song với nhau, module lại bao gồm nhiều tế bào quang điện ghép nối tiếp [3] Hiện tượng bóng che pin quang điện tượng ngẫu nhiên phức tạp, nghiên cứu thực nhờ mơ hình mơ với hỗ trợ cơng cụ Simulink Hiện tượng phủ bóng yếu tố ảnh hưởng lên công suất đầu pin quang điện với nhiệt độ, cường độ xạ đề cập nghiên cứu [4] Các phương pháp mô hệ thống quang điện dùng mơ hình để nghiên cứu tác 14 động bypass diode, bóng che biến động Rsh mơ tả [5-8] Nhìn chung, số nghiên cứu đề cập đưa nhận định đặc tính làm việc pin quang điện module hệ thống bị che phủ vai trò bypass diode cấu trúc hệ thống Mặc dù vậy, hình dạng đường đặc tính làm việc tồn hệ thống có thay đổi vị trí mức độ nhận ánh sáng module quang điện lại chưa nhấn mạnh Đồng thời, thực tế cho thấy ánh sáng nhận module quang điện thấp nhiệt độ làm việc giảm, điều ảnh hưởng đến cơng suất, đặc tính đầu pin quang điện, lại chưa đề cập đến nghiên cứu Do báo tập trung vào nghiên cứu vai trò bypass diode, vị trí module quang điện bị phủ bóng nhiệt độ tới đặc tính đầu hệ thống quang điện SỐ - tháng 10 năm 2015 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PIN QUANG ĐIỆN DƯỚI ẢNH HƯỞNG BÓNG CHE DÙNG MATLAB/SIMULINK SIMSCAPE 2.1 Mơ hình mơ tế bào quang điện Matlab/Simulink Simscape Khối mô tế bào quang điện phát triển sẵn Simulink Simscape Nó bao gồm nguồn dòng điện, diode mắc ngồi điện trở mắc nối tiếp Rs Thông số đầu vào cho khối cho hai dạng [9]:  Thơng qua dòng điện ngắn mạch Isc điện áp hở mạch Voc;  Thông qua thông số mạch điện tương đương Khối tế bào quang điện có cổng sau: cường độ xạ đầu vào đầu cực (+) (-) tế bào (hình 1) Hình Module quang điện mơ Hình Khối tế bào quang điện Simscape [9] Trong thực tế nhiều tế bào quang điện ghép nối tiếp với để tạo thành module quang điện hệ thống quang điện hoàn chỉnh bao gồm nhiều module ghép nối tiếp song song với Mơ hình nghiên cứu đề xuất bao gồm module ghép nối tiếp, module có tế bào quang điện mắc nối tiếp với (hình 2, 3, 4) SỐ - tháng 10 năm 2015 Hình Hệ thống quang điện mơ 15 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Hình Hệ thống mơ 2.2 Đối tượng mô Đối tượng mô pin quang điện DS-100M có thơng số mơ tả bảng Bảng Thông số pin DS-100M Mã hiệu DS-100M Số tế bào quang điện song song (NP) Điện áp cực đại Phạm vi nhiệt độ vận hành Mã hiệu Công suất cực đại (Pmp) 1000 V -40oC÷80oC DS-100M 100 W Các thơng số xây dựng điều kiện kiểm tra: cường độ xạ 1000 W/m2 nhiệt độ 250C Điện áp cơng suất cực đại (Vmp) 18 V Dòng điện công suất cực đại (Imp) 5.55 A Điện áp hở mạch (VOC) 21.6 V module quang điện bị che phủ Dòng ngắn mạch (ISC) 6.11 A Các trường hợp che phủ vị trí module quang điện thể bảng Số tế bào quang điện nối tiếp (NS) 16 2.3 Phương pháp nghiên cứu a Ảnh hưởng vị trí số lượng 36 SỐ - tháng 10 năm 2015 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Bảng Các trường hợp nghiên cứu vị trí số lượng module bị che phủ Bảng Ảnh hưởng bóng che nhiệt độ TH Mô tả TH Mô tả Khơng module bị che phủ (tồn nhận xạ Ir=1000 W/m2) Một module bị che (Ir=500 W/m2): vị trí module bị che thay đổi từ đến 6, module khác không bị che (Ir=1000 W/m2) Module 1, 2, bị che phủ (Ir=500 W/m2), module lại (Ir=1000 W/m2) T=25oC Module 1, 2, bị che phủ (Ir=500 W/m2, T=15oC) Các module lại (Ir=1000 W/m2), T=25oC module bị che (Ir=500 W/m2), module lại có Ir=1000 W/m2 a) Module bị che c Ảnh hưởng bypass diode Bảng Ảnh hưởng bypass diode b) Module bị che c) Module bị che module bị che (Ir=500 W/m2), module lại (Ir=1000 W/m2) TH Mơ tả Module 2, 3, bị che phủ (Ir=500, 300 100 W/m2 lần lượt), T=25oC a) Module 1, 2, bị che Không bypass diode cho module b) Module 1, 2, bị che c) Module 2, 3, bị che module bị che với mức độ khác nhau: 500, 300 100 W/m2 a) Module 1, 2, bị che Module 2, 3, bị che phủ (Ir=500, 300 100 W/m2 lần lượt), T=25oC Có bypass diode cho module b) Module 1, 2, bị che Tất module bị che phủ (Ir=100 W/m2), T=25oC c) Module 2, 3, bị che Tất có bypass diode b Ảnh hưởng bóng che nhiệt độ làm việc Trong thực tế module quang điện bị che phủ, nhiệt độ làm việc giảm gây ảnh hưởng đến công suất đầu hệ thống Ảnh hưởng bypass diode xét sở mơ hình đề xuất hình SỐ - tháng 10 năm 2015 10 KẾT QUẢ 3.1 Ảnh hưởng vị trí số lượng module quang điện bị che phủ Thử nghiệm với kịch mô tả mục 2.3 a nhận kết mô trường hợp 1, sau: 17 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Hình Đặc tính I-V, P-V cho trường hợp 1, Từ kết ta thấy: Khi module bị che phủ xuất điểm công suất cực đại (trên đường cong P-V), giá trị công suất lớn thuộc điểm nhận 60-65% điện áp hở mạch Voc (điểm cực đại đầu tiên); đồng thời đường cong I-V có bậc Mặt khác, hình dạng đặc tính làm việc hệ thống khơng thay đổi vị trí module bị che phủ thay đổi Nhận xét cho trường hợp (2 module bị che phủ với mức độ nhau) (hình 6), nhiên điểm cơng suất cực đại dịch lên khoảng 80÷85% Voc, công suất đầu thấp trường hợp so module bị che phủ Hình Đặc tính I-V, P-V cho trường hợp 1, 18 SỐ - tháng 10 năm 2015 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Trường hợp cho kết trường hợp 3: công suất cực đại thuộc điểm cực đại thứ (80÷5% Voc) (hình 7)  Số điểm công suất cực đại tăng số module bị che phủ tăng lên; Kết mô module bị che phủ với mức độ khác (trường hợp 5) ghi nhận hình cho thấy:  Đường cong I-V, P-V có bậc;  Với số lượng module bị che phủ, hình dạng đặc tính làm việc hệ thống khơng thay đổi vị trí module bị che phủ thay đổi;  Công suất đầu pin thấp so với trường hợp module bị che phủ;  Vị trí điểm công suất cực đại không phụ thuộc vào vị trí module bị che;  Cơng suất cực đại nằm điểm có điện áp 60÷65% Voc  Khi module bị che với mức độ nhau, công suất cực đại thường vị trí có điện áp 80÷85% Voc Mặt khác mức độ che phủ khác nhau, giá trị 60÷65% Voc Nhận xét:  Khi bị bóng che, cơng suất đầu hệ thống quang điện giảm; Hình Đặc tính I-V, P-V cho trường hợp 1, 3, 3.2 Ảnh hưởng bóng che nhiệt độ Kết mơ nhận với kịch mô mục 2.3 b, ta SỐ - tháng 10 năm 2015 thấy: Hình dạng đường đặc tính làm việc có khơng có ảnh hưởng nhiệt độ giống nhau, nhiệt độ thấp hơn, công suất đầu cao (hình 8, 9) 15 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Hình Đặc tính I-V, P-V trường hợp 6, Hình Cơng suất đầu trường hợp 6, 3.3 Ảnh hưởng bypass diode Kết mô nhận cho kịch mơ tả mục 2.3 c, thể hình 10 cho thấy: 20  Khi khơng có bypass diode, công suất cực đại hệ thống (bị che phủ với mức độ 500, 300 100 W/m2) thấp (trường hợp 8), tương đương công SỐ - tháng 10 năm 2015 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) suất hệ thống (có bypass diode) với mức nhận cường độ xạ thấp 100 W/m2 (trường hợp 10);  Khi có bypass diode (trường hợp 9), công suất cực đại hệ thống cao so với hệ thống khơng có bypass diode (trường hợp 8) Điều khẳng định bypass diode giúp cải thiện làm việc hệ thống quang điện bị bóng che;  Khi có bypass diode, đường cong I-V có nhiều bậc đường cong P-V ghi nhận nhiều điểm cực đại Số điểm cực đại không lớn số bypass diode hệ thống;  Khi có bypass diode, hệ thống bị che phủ với mức độ khác (trường hợp 9: 500, 300, 100 W/m2) có cơng suất điện áp đầu cao tất module bị che phủ với cường độ nhỏ 100 W/m2 (trường hợp 10) Hình 10 Đặc tính I-V, P-V trường hợp 8, 9, 10 KẾT LUẬN Mơ hình mơ xây dựng Matlab/Simulink Simscape áp dụng để nghiên cứu ảnh hưởng bóng che lên đặc tính làm việc hệ thống quang điện Kết nghiên cứu ra:  Với mức độ che phủ, thay đổi vị trí module bị che phủ khơng làm thay đổi hình dạng đường đặc tính làm việc I-V P-V;  Khi bị che phủ, đặc tính I-V có nhiều SỐ - tháng 10 năm 2015 bậc, đặc tính P-V xuất nhiều điểm cực đại Số điểm cực đại tăng lên số module bị che phủ tăng;  Số module bị che phủ tăng, công suất đầu hệ thống quang điện giảm Công suất ghi nhận điểm có điện áp 60-65% Voc (1 module bị che) 80-85% Voc (nhiều module bị che);  Khi nhiệt độ làm việc module quang điện giảm, công suất đầu hệ thống quang điện tăng; 21 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557)  Bypass diode giúp tăng công suất đầu hệ thống quang điện Với kết luận trên, nghiên cứu làm rõ mối quan hệ đặc tính làm việc hệ thống quang điện với vị trí module quang điện bị che phủ xét đồng thời tác động nhiệt độ tượng phủ bóng Mặc dù vậy, nghiên cứu cần tiếp tục triển khai nội dung sau:  Cung cấp thêm số liệu đo đạc thực nghiệm để có so sánh rõ với kết phỏng;  Nghiên cứu ảnh hưởng blocking diode hệ thống bao gồm module mắc song song với nhau;  Nghiên cứu ảnh hưởng tượng bóng che lên phản ứng bắt điểm công suất cực đại MPPT;  Mơ hình đề xuất kết hợp mơ hình mơ biến đổi cơng suất DC-DC, DC-AC MPPT để tạo nên hệ thống phát điện xoay chiều hoàn chỉnh TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] N Belhaouas, M.S Ait Cheikh, "Matlab-Simulink of photovoltaic system based on a two-diode model simulator with shaded solar cells." Revue des Energies Renouvelables, Vol 16, No 1, pp 65-73, Jan 2013 [2] Ahmed Bouraiou, Salah Lachtar, Abdelkader Hadidi, Nadir Benamira, "Matlab/Simulink Based Modeling and Simulation of Photovoltaic Array Under Partial Shading " International Conference on Green Energy and Environmental Engineering (GEEE-2014), Sousse, Tunisia, 2014, pp 1-5 [3] Amrita Mantri, Ajay Verma, "Developed Simulated Circuit of Photovoltaic Array under Partially Shading Conditions." International Journal of Research (IJR), Vol 2, No 3, pp 468-473, Mar 2015 [4] Mohammed S Ibbini, Shadi Mansi, Mohammed Masadeh, Eid Al Hajri, "Simscape Solar Cells Model Analysis and Design." Computer Applications in Environmental Sciences and Renewable Energy, pp 97-103, 2014 [5] Ramaprabha Ramabadran, Badrilal Mathur, "A Comprehensive Review and Analysis of Solar Photovoltaic Array Configurations under Partial Shaded Conditions." International Journal of Photoenergy, Vol 3, No 10, pp 32-41, Oct 2009 [6] Sridhar Ramasamy, Jeevananthan S, S.S Dash Thamizh Selvan, "An Intelligent Differential Evolution based Maximum Power Point Tracking (MPPT) Technique for Partially Shaded Photo Voltaic (PV) Array." International Journal of Advanced Soft Computing Appllication, Vol 6, No 2, pp 1-16, Jul 2014 [7] Mohammadmehdi Seyedmahmoudian, Saad Mekhilef, Rasoul Rahmani, Rubiyah Yusof, Ehsan Taslimi Renani "Analytical Modeling of Partially Shaded Photovoltaic Systems." Energies, Vol 6, pp 128-144, 2013 22 SỐ - tháng 10 năm 2015 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) [8] Gunjan Varshney, D.S Chauhan, M.P Dave, "Simscape Based Modelling and Simulation of MPPT Controller for PV Systems " IOSR Journal of Electrical and Electronics Engineering (IOSRJEEE), Vol 9, No 6, pp 41-46, Nov-Dec 2014 [9] www.mathwork.com Giới thiệu tác giả: Tác giả Nguyễn Xuân Hiếu giảng viên Bộ môn Hệ thống điện, Khoa Cơ Điện, Học viện Nông nghiệp Việt Nam Tác giả tốt nghiệp Kỹ sư ngành Hệ thống điện Viện Điện - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội năm 2008, tốt nghiệp Thạc sỹ ngành Kỹ thuật điện Trường Đại học Wollongong, Australia năm 2012 Hướng nghiên cứu hệ thống lượng tái tạo, điều khiển hệ thống điện phân tán Tác giả Bùi Đăng Thảnh nhận Thạc sỹ ngành Đo lường Hệ thống điều khiển Trường Đại học Bách khoa Hà Nội năm 2012, nhận Tiến sỹ Điện - Tự động hóa Trường Ecole Normale Superieure de Cachan, Cộng hòa Pháp năm 2011 Hiện giảng viên, nghiên cứu viên Viện Điện - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Hướng nghiên cứu phát triển thiết bị thơng minh khơng dây, thiết kế hệ thống điều khiển công nghiệp, hệ thống quan trắc môi trường SỐ - tháng 10 năm 2015 23 ... dựng Matlab/Simulink Simscape áp dụng để nghiên cứu ảnh hưởng bóng che lên đặc tính làm việc hệ thống quang điện Kết nghiên cứu ra:  Với mức độ che phủ, thay đổi vị trí module bị che phủ khơng làm. .. HỆ THỐNG PIN QUANG ĐIỆN DƯỚI ẢNH HƯỞNG BÓNG CHE DÙNG MATLAB/SIMULINK SIMSCAPE 2.1 Mơ hình mơ tế bào quang điện Matlab/Simulink Simscape Khối mô tế bào quang điện phát triển sẵn Simulink Simscape. .. hệ thống quang điện dùng mơ hình để nghiên cứu tác 14 động bypass diode, bóng che biến động Rsh mơ tả [5-8] Nhìn chung, số nghiên cứu đề cập đưa nhận định đặc tính làm việc pin quang điện module