Bài viết giới thiệu kết quả nghiên cứu phát triển mô hình vật lý của pin mặt trời bằng cách kết hợp một cách hợp lý các phần tử nguồn điện áp phụ thuộc, điôt và các điện trở. Mô hình tổng quát của pin mặt trời được mô phỏng trên phần mềm Proteus để đánh giá sơ bộ về đặc tính của một pin mặt trời công nghiệp.
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Nghiên cứu phát triển mô hình vật lý pin mặt trời Research and development for the photovoltaic emulator 1 Lưu Thị Huế , Vũ Hoàng Giang , Phạm Đức Khẩn Email: phamduckhan@gmail.com Trường Đại học Điện lực Hà Nội Trường Đại học Sao Đỏ Ngày nhận bài: 4/9/2018 Ngày nhận sửa sau phản biện: 26/12/2018 Ngày chấp nhận đăng: 27/12/2018 Tóm tắt Nghiên cứu khảo sát hoạt động hệ thống lượng mặt trời đòi hỏi việc thực nhiều thí nghiệm khác liên quan đến đặc tính pin mặt trời điều kiện mơi trường khác Hơn nữa, thí nghiệm ngồi trời khó khăn chi phí cho hệ thống thí nghiệm thường lớn Bài báo giới thiệu kết nghiên cứu phát triển mơ hình vật lý pin mặt trời cách kết hợp cách hợp lý phần tử nguồn điện áp phụ thuộc, điôt điện trở Mơ hình tổng qt pin mặt trời mơ phần mềm Proteus để đánh giá sơ đặc tính pin mặt trời cơng nghiệp Sau đó, thực thí nghiệm với cơng suất bé Kết thí nghiệm xác nhận tính khả thi, từ đề xuất phát triển mơ vật lý với công suất lớn nhằm phục vụ cho việc khảo sát hoạt động môđun pin mặt trời cơng suất lớn Từ khóa: Bộ mơ phỏng; cường độ xạ mặt trời; đặc tính pin mặt trời; mô phỏng; phần mềm Proteus Abstract Investigation of photovoltaic (PV) system requires the implementation of various tests related to the PV characteristic in the conditions that input factors including insolation and operating temperature vary Additionally, the difficulty of conducting outdoor tests and high-cost investment are usually the challenge of installing the system The paper introduces the development PV emulator by appropriately combining dependent voltage source, diode and resistors Generized model of PV is simulated in Proteus software in order to obtain the characteristic of an industrial PV Following that, the experiment with low-rated emulator is carried out Experiment results confirm the feasibility, and indicate the issues that need to be solved for constructing larger emulator Keywords: Emulator; insolation; PV characteristic; simulation; proteus software GIỚI THIỆU CHUNG Sự phát triển công nghệ phát điện lượng mặt trời trở nên phổ biến toàn giới thể gia tăng số lượng công suất phát hệ thống điện mặt trời Ở Việt Nam, dự án nguồn điện sản xuất từ lượng tái tạo có lượng mặt trời khuyến khích phát triển đề cập tới Quy hoạch điện VII (điều chỉnh) với mục tiêu đạt công suất khoảng 12000 MW vào năm 2030 [1] Trong trình phát triển, công nghệ phát điện lượng mặt trời gặp phải số vấn đề kỹ thuật cần cải thiện bao gồm yêu cầu nâng cao hiệu suất hệ thống, giảm thiểu giá thành Người phản biện: PGS.TS Trần Vệ Quốc TS Nguyễn Trọng Các đầu tư, giảm chi phí vận hành Về nguyên lý hoạt động, công suất phát nguồn điện mặt trời phụ thuộc vào cường độ xạ mặt trời nơi lắp đặt thường biến thiên không ổn định theo thời gian Để phục vụ cho nghiên cứu, khảo sát hệ thống pin mặt trời, nhiều mô xây dựng Ưu điểm mơ thay pin mặt trời thực tế nghiên cứu học tập lĩnh vực liên quan vượt qua hạn chế hệ thống thí nghiệm với pin mặt trời thực bao gồm: - Giá trị cường độ xạ mặt trời khơng phải ln sẵn có thời điểm - Cường độ xạ mặt trời phụ thuộc nhiều vào điều kiện thời tiết 12 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(63).2018 LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HĨA - Thí nghiệm ngồi trời gặp nhiều khó khăn khó lặp lại thí nghiệm với điều kiện khí hậu Sơ đồ mạch điện pin mặt trời thể hình [8, 9] - Chi phí trang bị lắp đặt hệ thống pin mặt trời thực Thực tế mô thương mại hóa thành sản phẩm hồn chỉnh nhiều hãng giới như: N8937APV Photovoltaic Array Simulator Keysight technologies [2], SAS12010 Solar Array Simulator Aplab [3], hay Chroma’s 62000H-S series Solar Array Simulator Chroma [4] Các mô công nghiệp thường trang bị điều khiển lập trình cho phép mơ đặc tính đầu vơn-ampe pin mặt trời điều kiện nhiệt độ, cường độ xạ mặt trời khác Nhược điểm mơ có chi phí cao đơi hạn chế mở rộng ứng dụng Vì lĩnh vực nghiên cứu, phát triển mô phịng thí nghiệm thu hút ý nhiều nhà nghiên cứu Yêu cầu mơ điều chỉnh trình sử dụng, cần đáp ứng yêu cầu gọn nhẹ chi phí thấp [5-10] Với mục tiêu phát triển hệ thống thí nghiệm cho môđun pin mặt trời, nghiên cứu thực tổng hợp phân tích mơ hình, mơ đối tượng phần mềm thực số thí nghiệm cơng suất thấp nhằm hướng đến việc xây dựng mơ hình vật lý có cơng suất phù hợp phục vụ cho nghiên cứu môđun pin mặt trời phịng thí nghiệm Bài báo bố cục sau Mục tổng hợp mơ hình tổng qt pin mặt trời Tiếp theo, mục giới thiệu kết mô pin mặt trời phần mềm Proteus Q trình xây dựng mơ hình vật lý cơng suất bé thử nghiệm đặc tính liên quan trình bày mục Cuối kết luận kiến nghị đưa mục 2.MƠ HÌNH CỦA PIN MẶT TRỜI Mơ hình ngun lý cấu tạo pin mặt trời hình [10] Hình Sơ đồ nguyên lý cấu tạo pin mặt trời Hình Sơ đồ mạch tương đương pin mặt trời Trong thành phần điện trở nối tiếp Rs điện trở vật liệu bán dẫn, điện trở tiếp xúc, điện trở khác đường truyền công suất I I Chiều tăng Rs V Chiều giảm Rp V Hình Sự ảnh hưởng điện trở đến đặc tính vôn-ampe pin mặt trời Điện trở song song Rp khơng hồn hảo tiếp giáp p-n pin phần lân cận [8] Sự dịch chuyển đặc tính điển hình vơn-ampe (V-I) PV theo điện trở thể hình Quan hệ đặc tính V-I PV tương ứng với mơ hình tổng quát hình biểu diễn phương trình sau: q V + IRs ) / ( kTC A ) − 1 − (V + IRs ) / R p (1) I = I ph − I s e ( (1) đó: Iph dòng quang điện; Is dòng điện tối bão hòa tế bào quang điện (ứng với tế bào quang điện che tối, không nhận photon); q điện tích electron, q = 1,6.10-19 C; k số Boltzmann, k = 1,38.10-23 J/K; TC nhiệt độ làm việc PV; A số lý tưởng; Rp điện trở song song; Rs điện trở nối tiếp sơ đồ tương đương PV Biểu thức xác định dòng điện quang điện dòng điện bão hòa tế bào quang điện giới thiệu chi tiết nhiều tài liệu tham khảo, ví dụ xem [6, 7] Trong ứng dụng thực tế, pin mặt trời thường nối song song, nối tiếp để tạo thành môđun hay dàn pin mặt trời để nâng cao công suất đáp ứng yêu cầu giá trị điện áp dòng điện Khi mơ hình pin mặt trời thiết lập có dạng tương tự phương trình (1) với hiệu chỉnh số pin mặt trời nối song song (Np) nối tiếp (Ns) sau: Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(63).2018 13 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC (2) Mơ hình pin mặt trời hình lựa chọn nghiên cứu có đặc điểm đơn giản thể đặc tính I-V P-V pin mặt trời Thực tế cho thấy nhiều nghiên cứu đến thời điểm dựa vào mơ hình làm mơ hình sở [7] Nội dung báo giới thiệu trình tự thực tiến tới xây dựng mơ hình vật lý sử dụng phịng thí nghiệm MƠ PHỎNG PIN MẶT TRỜI TRÊN PHẦN MỀM PROTEUS Trước xây dựng mơ hình vật lý pin mặt trời việc mơ mơ hình lựa chọn, kiểm tra đặc tính cần thiết Đây sở để xây dựng mạch in, mạch thực cho mơ hình Trong báo tác giả sử dụng phần mềm Protues để mơ Phần mềm Proteus miễn phí sử dụng làm công cụ mô nghiên cứu Đây phần mềm dễ sử dụng, trực quan thuận tiện thiết kế ban đầu để chế tạo mạch in cho mô Sơ đồ mô pin mặt trời thể hình 4, đó: Nguồn điện áp chiều V18 kết hợp biến trở RV4 để mô nguồn dòng điện Iph điện trở song song Rp mơ hình hình Mơ tả chi tiết thay nêu mục 4.1 Ngoài sơ đồ sử dụng điôt D1, điện trở R54 mô cho Rs, điện trở từ R1 đến R10 kết hợp với công tắc SW2 để thay đổi điểm làm việc V-I đầu pin (dòng điện điện áp đo tương ứng khối ampe kế vơn kế chiều) Hình Các đường đặc tính V-I pin mặt trời với cường độ xạ khác Hình thể kết mơ họ đặc tính PV (từ IPV1 đến IPV2) tương ứng với cường độ xạ khác Từ kết mô đặc tính pin mặt trời phần mềm Proteus bước chuẩn bị để thiết kế mơ hình vật lý pin thực nghiệm trình bày mục 4 MƠ HÌNH VẬT LÝ CỦA PIN MẶT TRỜI VÀ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 4.1 Giới thiệu mơ hình vật lý Dựa vào sơ đồ hình 2, mơ hình vật lý pin mặt trời xây dựng sở kết hợp nguồn Iph điơt mắc song song Thành phần dòng điện đầu dòng quang điện, dịng qua điơt có giá trị nhỏ tạo nhờ đặc tính vốn có điơt Trong thực tế, để tạo nguồn dòng điện thường gặp nhiều khó khăn (do yêu cầu phải kết hợp nhiều linh kiện điện tử công suất) so với nguồn điện áp phổ biến (có thể sẵn có tạo số linh kiện đơn giản) Mặt khác sở lý thuyết mạch điện, nguồn dòng điện Iph mắc song song với điện trở Rp thay tương đương nguồn áp Eph nối nối tiếp với điện trở Rp: Eph = Rp.Iph, minh họa mô mục Để xác nhận đặc tính mơ hình, thí nghiệm tiến hành với sơ đồ nối mạch đơn giản hình Hình Sơ đồ mơ pin mặt trời phần mềm Proteus Hình Sơ đồ nguyên lý mạch thí nghiệm 14 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(63).2018 LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HĨA đó: Rp = 217 W, Rs = 0,22 W, R1 =1027 W, E = 12 V, R2 thay đổi để tạo điện áp đầu thay đổi hai trường hợp: Eph = 24 V Eph = 18 V 4.2 Kết thí nghiệm Sơ đồ mạch thí nghiệm hình xây dựng dựa vào sơ đồ nguyên lý hình (3) Thơng số thu hai thí nghiệm sau: Eph = 24 V: A = 5,887; Is = 0,0006416 A; Eph = 18 V: A = 5,991; Is = 0,0005547 A 4.3 Đề xuất nâng cao cơng suất mơ hình Thí nghiệm mục 4.1 tiến hành với công suất bé sở linh kiện có điện áp nguồn hạn chế Mơ hình mạch thu dùng để mơ cho pin mặt trời điển hình Hình Sơ đồ mạch thí nghiệm Tiến hành điều chỉnh điểm làm việc pin thay đổi điện trở R2 với tham số bảng thu kết đường đặc tính V-I, P-V pin hình Để nâng cao cơng suất mơ hình đáp ứng u cầu thí nghiệm, bên cạnh việc sử dụng biến trở có cơng suất phù hợp, cần nâng cao công suất nguồn điện áp chiều điện áp nguồn điều khiển Mạch tăng áp có sơ đồ hình đáp ứng yêu cầu R1 R2 Ct Rt - 12V + C2 16 15 14 13 TL494 12 11 10 Q1 D1 D3 R4 R5 Q2 + + D2 D4 C3 C4 + - Hình 10 Sơ đồ nguyên lý mạch tăng áp Hình Kết thí nghiệm đặc tính I-V (trái) P-V (phải) Trong sơ đồ hình 10, TL494 làm chức tạo xung đóng cắt có thời gian chết để điều khiển van Q1 Q2 đóng cắt Do điều khiển thời gian đóng cắt Q1 Q2, điện áp đầu tăng lên điều khiển Công thức tính cho nguồn: (4) Hình Đặc tính xấp xỉ pin mặt trời Có thể nhận thấy từ kết thực nghiệm hình kết mơ hình giống đặc tính tạo có dạng đặc tính pin mặt trời thường gặp Áp dụng thuật tốn tìm đường cong dựa vào liệu cho trước (“fitting curve”) Matlab xác định phương trình đặc tính có dạng: Vout điện áp đầu ra; Vin điện áp đầu vào; n2 cuộn dây thứ cấp máy biến áp xung; n1 cuộn dây sơ cấp máy biến áp xung; f tần số đóng cắt; TonQ1 thời gian mở van Q1; Ton,Q2 thời gian mở van Q2 Để thay đổi điện áp đầu Vout điều khiển độ rộng xung PWM kích mở cho Q1 Q2, cần thay đổi điện áp đặt vào chân Hơn việc đóng cắt liên tục hai van bán dẫn Q1 Q2, ln xuất dịng điện liên tục tải, nguồn cho hiệu suất cao Hình 10 kết thử nghiệm mạch tăng áp Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(63).2018 15 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC KẾT LUẬN Như vậy, mô pin mặt trời đáp ứng yêu cầu: tạo đường đặc tính giống với đường đặc tính loại pin thường gặp điều kiện môi trường Mơ hình đơn giản dễ thực hiện, chi phí thấp Trên sở thực mơ hình cơng suất thấp kết mô phần mềm cơng suất cao Chính sở để xây dựng mơ hình với cơng suất cao phù hợp với mơđun pin mặt trời cơng nghiệp Hình 11 Mạch tăng áp Hình 11 minh họa giá trị đo mạch tăng áp sử dụng mạch có điều khiển điều biên độ rộng xung dùng TL494 hãng Texas Instruments, [4] để nâng điện áp từ 12 V lên khoảng 380 V Ngoài biến đổi tăng áp DC-DC sử dụng để nâng điện áp nguồn đòi hỏi thiết kế mạch điều khiển tương ứng Hình 12 hình 13 minh chứng sơ đồ kết mô pin mặt trời cơng nghiệp có thơng số xem bảng với nguồn vào Vout lấy từ đầu tăng áp TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] http://www.evn.com.vn [2] Hoàng Dương Hùng (2014) Năng lượng mặt trời lý thuyết ứng dụng Nhà xuất ĐH Bách khoa Đà Nẵng [3] H Abidi, A.B.B Abdelghani and D & MontesinosMiracle (2012) MPPT algorithm and photovoltaic array emulator using DC/DC converters In 16th IEEE Mediterranean Electrotechnical Conference [4] R.G Wandhare and V & Agarwal (2011) A low cost, light weight and accurate photovoltaic emulator In 37th IEEE Photovoltaic Specialists Conference [5] F.J Viglus and M.M & Casaro (2016) Photovoltaic array emulation using a three-phase DC-DC converter with galvanic isolation In 12th IEEE International Conference on Industry Applications [6] Ö Özden, Y Duru, S Zengin and M & Boztepe (2016) Design and implementation of programmable PV simulator In International Symposium on Fundamentals of Electrical Engineering Hình 12 Sơ đồ mô pin mặt trời [7] E Golubovic, A Sabanovic and B.C & Üstündağ (2015) Internet of things inspired photovoltaic emulator design for smart grid applications In 3rd International Istanbul Smart Grid Congress and Fair [8] J Gonzalez-Llorente, A Rambal-Vecino, L.A Garcia-Rodriguez, J.C Balda and E.I & OrtizRivera (2016) Simple and efficient low power photovoltaic emulator for evaluation of power conditioning systems In IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition [9] H.-L Tsai, C.-S Tu and Y.-J Su (2008) Development of generalized photovoltaic model using MATLAB/SIMULINK In Proceedings of the world congress on Engineering and computer science Hình 13 Đường đặc tính pin mặt trời [10] https://computergotx.com 16 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(63).2018 ... kế mơ hình vật lý pin thực nghiệm trình bày mục 4 MƠ HÌNH VẬT LÝ CỦA PIN MẶT TRỜI VÀ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 4.1 Giới thiệu mơ hình vật lý Dựa vào sơ đồ hình 2, mơ hình vật lý pin mặt trời xây dựng... dựng mơ hình vật lý cơng suất bé thử nghiệm đặc tính liên quan trình bày mục Cuối kết luận kiến nghị đưa mục 2.MÔ HÌNH CỦA PIN MẶT TRỜI Mơ hình ngun lý cấu tạo pin mặt trời hình [10] Hình Sơ... suất phù hợp phục vụ cho nghiên cứu mô? ?un pin mặt trời phịng thí nghiệm Bài báo bố cục sau Mục tổng hợp mơ hình tổng qt pin mặt trời Tiếp theo, mục giới thiệu kết mô pin mặt trời phần mềm Proteus