Chương III : CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN
3.3 Mô hình toán học pin quang điện
3.3.1 Khái quát chung
Pin mặt trời PV (Photovoltaic cell) gồm các lớp bán dẫn chịu tác dụng của quang học để biến đổi các năng lượng phôton bức xạ mặt trời thành năng lượng điện. Theo quan điểm năng lượng điện tử, pin mặt trời có thể được coi là những nguồn dòng biểu diễn mối quan hệ phi tuyến I-V như ở Hình 3.7.
Hình 3.7. Đặc tính làm việc của pin mặt trời
Điện năng được sản suất ra bởi pin quang điện phụ thuộc vào cường độ bức xạ mà bề mặt tấm pin nhận được, đường đặc tính điện áp – dòng điện của pin có được từ định luật Kirchhoff một như sau:
(3.5)
Đối với hệ thống pin quang điện bao gồm Np dãy mắc song song, mỗi dãy gồm Ns tế bào nối tiếp, công thức (1) chuyển hóa thành
(3.6)
V, I: điện áp [V] và dòng điện [A] đầu ra của pin quang điện. Iph: dòng photon [A]; Rs: điện trở nối tiếp [Ω]
q: điện tích, q=1,602.10-19 C;
k: hằng số Boltzman, k=1,381.10-23 J/K n: hệ số lý tưởng của diode
Điện trở Rsh thường có giá trị rất lớn nên dòng điện Ish có giá trị nhỏ, có thể bỏ qua, như vậy phương trình (3.4) biến đổi thành:
(3.7)
(3.8)
Trường hợp hệ thống quang điện bao gồm nhiều đơn vị tế bào ghép lại, ta có:
(3.9)
Nguồn dòng điện phụ thuộc chủ yếu vào cường độ bức xạ mặt trời và nhiệt độ làm việccủa pin.
(3.10)
Trong đó:
Isc: dòng điện ngắn mạch của pin ở điều kiện 25oC và cường độ bức xạ là 1000 W/m2.
λ: cường độ bức xạ mặt trời, kW/m2
3.3.2 Sơ đồ thay thế
Hình 3.9: Sơ đồ thay thế pin mặt trời
Trong đó: G : Cường độ bức xạ mặt trời. Iph : Dòng điện pin.
Is : Dòng điện bão hòa ngược. Rsh : Điện trở shunt.
Rs : Điện trở pin
3.3.3 Sơ đồ mô phỏng pin mặt trời bằng phần mềm simulink
Sử dụng phần mềm Simulink mô phỏng hệ thống pin năng lượng mặt trời như Hình 3.10.
Hình 3.10: Sơ đồ mô phỏng năng lượng mặt trời bằng phần mềm Simulink bằng phần mềm Simulink
Kết hợp hai sơ đồ mô phỏng pin năng lượng mặt trời Hình 3.10 và hệ thống Diezen Hình 3.9, ta có sơ đồ mô phỏng hệ thống kết hợp giữa pin năng lượng mặt trời – Diezen như Hình 3.11 dưới đây:
Hình 3.11: Sơ đồ mô phỏng hệ thống năng lượng mặt trời-Diezen bằng phần mềm Simulink
4.1 Kết quả
4.1.1 Kết quả mô phỏng hệ Diezen bằng phần mềm Matlab – Simulink
Sử dụng phần mềm Matlab – Simulink mô phỏng hệ thống Diezen như Hình 3.6 ở trên ta được:
Khi ta để hệ số khuếch đại K = 20 và các thông số khác như hình3.7:
Hình 4.1 Các thông số điều khiển động cơ Diezen trong phần mềm Matlab - Simulink
Ta sẽ nhận được dạng đồ thị tốc độ của bộ diezen như sau: Dạng đồ thị tốc độ của bộ Diezen khi K = 20
Hình 4.2: Dạng đồ thị tốc độ của bộ Diezen khi K = 20
K =20
T1 =0.01(s) T2 =0.02(s) T3 =0.2(s)
T4 =0.25(s) T5 =0.009(s) T6=0.0384(s)
Td = 0.024(s)
Tmin = 0.1pu Tmax = 1pu
Ta nhận được các giá trị cho bộ Diezen khi K = 20 như sau: >> Độ quá điều chỉnh ∆hmax = 2%
>> Thời gian đáp ứng Tr = 0.1s >> Thời gian quá độ T2% = 0.7 s
Khi ta thay K = 40 ta được giá trị của bộ Diezen như sau:
Hình 4.3: Dạng đồ thị tốc độ của bộ Diezen khi K =40
Ta nhận được các giá trị cho bộ Diezen khi K = 40 như sau: >> Độ quá điều chỉnh ∆hmax = 1%
>> Thời gian đáp ứng Tr = 0.1s >> Thời gian quá độ T2% = 0.5s
Ta nhận thấy thời gian quá độ của bộ Diezen khi K = 40 (t = 0.5s) là nhanh hơn
so với K = 20 (t = 0.7s). Cùng với đó độ quá điều chỉnh khi K = 40 (1%) nhỏ hơn so với khi K = 20 (2%). Qua đó ta thấy K = 40 cho chất lượng tốt hơn khi K = 20. Làm tiếp nhận thấy K nằm trong khoảng (15; 75) thì chất lượng tốt hơn cả.
Kết luận: Qua quá trình mô phỏng, ta lựa chọn được thông số mô hình Diezen
Bảng 4.1 Thông số mô hình động cơ Diezen phù hợp nhất[1].
K = 40
T1 = 0,01 (s) T2 = 0,02 (s) T3 = 0,2 (s)
T4 = 0,25 (s) T5 = 0,009 (s) T6 = 0,0384 (s) Td =0,024(s)
4.1.2 Mô phỏng pin năng lượng mặt trời bằng phần mềm Matlab – Simulink
Sử dụng phần mềm Matlab – Simulink mô phỏng hệ thống pin năng lượng mặt trời như Hình 3.10 ở trên ta thu được kết quả như sau:
Hình 4.4: Dạng sóng dòng và áp hệ thống pin năng lượng mặt trời
Nhận xét: Ta thấy tín hiệu dòng áp của hệ thống pin năng lượng mặt trời liên tục nhưng không ổn định và đồng trục như mong đợi.
Hình 4.5: Dạng sóng công suất của pin năng lượng mặt trời.
Nhận xét: Do giá trị dòng áp nhỏ dẫn đến công suất thu được cũng nhỏ theo. Tín hiệu công suất cũng liên tục nhưng ổn định như mong đợi.
Hình 4.6: Tín hiệu điện áp, dòng điện một chiều thu được sau tấm pin mặt trời
Nhận xét: Ta thấy giá trị dòng điện giảm dần theo thời gian mô phỏng, trong khi điện áp tăng dần dẫn đến công suất cũng tăng dần theo điện áp. Chúng ta có thể sử dụng điện áp một chiều thu được này cho các thiết bị điện một chiều.
4.1.3 Mô phỏng hệ thống kết hợp năng lượng mặt trời và Diezen bằng phần mềm Matlab – Simulink
4.1.3.1 Hệ thống khi chưa có bộ khuếch đại
Sử dụng phần mềm Matlab – Simulink mô phỏng hệ thống kết hợp pin năng lượng mặt trời – Diezen như Hình 3.11 ở trên khi chưa có bộ khuếch đại trước khối hiển thị ta thu được kết quả như sau:
Hình 4.7: Dạng sóng mô phỏng dòng điện xoay chiều pin mặt trời khi chưa có bộ khuếch đại
Nhận xét: Ta thấy tín hiệu dòng điện thu được là xoay chiều gần sin, tuy nhiên giá trị dòng là rất lớn thiết bị điện sẽ không chịu được và sẽ gây cháy phá hủy cách điện cũng như dây dẫn. Cần có biện pháp giảm dòng nằm trong khoảng cho phép của thiết bị điện và dây dẫn điện.
Hình 4.8: Dạng sóng mô phỏng điện áp xoay chiều pin mặt trời khi chưa có bộ khuếch đại
Nhận xét: Cũng tương tự tín hiệu dòng thu được như trên, giá trị điện áp có dạng xoay chiều gần sin nhưng có giá trị rất lớn vượt quá giá trị làm việc của thiết bị điện.
Hình 4.9: Dạng sóng mô phỏng công suất khi chưa có bộ khuếch đại
Nhận xét: Công suất thu được có giá trị lớn nhưng nằm gần như toàn bộ phía dưới gốc tọa độ 0.
Hình 4.10: Tín hiệu mô phỏng tốc độ bộ Diezen
Nhận xét: Tốc độ bộ Diezen giảm dần theo thời gian.
4.1.3.2 Hệ thống khi có thêm bộ khuếch đại
Sử dụng phần mềm Matlab – Simulink mô phỏng hệ thống kết hợp pin năng lượng mặt trời – Diezen như Hình 3.11 ở trên khi có thêm bộ khuếch đại trước khối hiển thị ta thu được kết quả như sau:
Hình 4.11: Dạng sóng mô phỏng điện áp xoay chiều khi có thêm bộ khuếch đại
Nhận xét: Ta thấy tín hiệu điện áp thu được sau khi qua bộ khuếch đại ( bộ phận giảm áp trong thực tế) có dạng xoay chiều gần sin với giá trị khoảng U=220 V (khi tín hiệu ổn định) nằm trong khoảng làm việc cho phép của thiết bị điện xoay chiều trong thực tế.
Hình 4.12: Dạng sóng mô phỏng dòng điện xoay chiều khi có thêm bộ khuếch đại
Nhận xét: Tương tự tín hiệu điện áp khi có thêm bộ khuếch đại, dòng điện thu được có dạng xoay chiều gần sin với gía trị nằm trong khoảng làm việc cho phép của thiết bị điện.
Hình 4.13: Dạng sóng mô phỏng công suất khi có thêm bộ khuếch đại
Nhận xét: Do giá trị dòng áp nằm trong khoảng cho phép nên giá trị công suất cũng có giá trị trung bình nắm trong dải công suất cho phép của các thiết bị điện. Tuy nhiên tín hiệu công suất vẫn nằm dưới trục âm của đồ thị, cần điều chỉnh để có tín hiệu ổn định và phân bố đều về 2 phía âm dương của đồ thị.
Kết luận: Kết quả mô phỏng thu được cho thấy năng lượng điện sau khi qua
khối pin mặt trời là tín hiệu một chiều và sau khi đi qua bộ Inverter thì tín hiệu được chuyển thành dạng xoay chiều. Tin hiệu dòng , áp tương đối lớn so với mong muốn của thụ điện nhưng vẫn có thể xử lý được bằng nhiều cách khác nhau như cầu giảm áp, …ở đây sử dụng bộ khuếch đại với hệ số khuếch đại là k=0,1 cho kết quả tương đối phù hợp với thực tế. Khi có sự kết hợp giữa hệ năng lượng mặt trời và Diezen thì tín hiệu thu được có dạng hình sin, tín hiệu ổn định và đảm bảo hơn so với không kết hợp với hệ Diezen do ngoài vai trò như một nguồn dự phòng thì máy phát Diezen còn có tác dụng bù công suát phản kháng cho hệ thống hệ thống không bị sụt áp, ổn định và liển tục hơn…
4.2 Thảo luận
-Giá trị tín hiệu thu được lớn hơn so với yêu cầu khi không sử dụng thiết bị giảm áp. -Tín hiệu không ổn định và không đồng trục khi mô phỏng hệ năng lượng mặt trời mà không kết hợp với hệ Diezen.
-Khả năng xuống cấp của hệ thống thực tế trong thời gian hoạt động.
-Sử dụng chuyển mạch tự động cho hệ thống : thiết bị này dùng để chuyển mạch giữa máy phát Diezen và điện từ năng lượng mặt trời tuỳ trạng thái khi dùng phối hợp giữa chúng.
Kết luận và kiến nghị 1. Kết luận
Đồ án “Sử dụng phần mềm Matlab Simulink mô phỏng hệ Diezen - năng
lượng mặt trời ”đã hoàn thành và cho được kết quả như sau:
- Thiết kế và chạy mô phỏng thành công hệ thống pin năng lượng mặt trời bằng phần mềm Matlab Simulink.
- Thiết kế và chạy mô phỏng thành công hệ thống máy phát Diezen bằng phần mềm Matlab Simulink.
- Thiết kế và chạy mô phỏng thành công hệ thống kết hợp Diezen - năng lượng mặt trời, tín hiệu thu được có dạng hình sin liên tục tương đối khả quan bằng phần mềm Matlab Simulink.
- Sử dụng khá thành thạo phần mềm Matlab Simulink.
Hình 4.14: Hình ảnh chạy mô phỏng phần mềm Simulink
hạn chế như sau:
-Tín hiệu khi không có sự kết hợp với hệ Diezen vẫn chưa cho ra kết quả ổn định như mong đợi.
-Giá trị các tín hiệu lớn nhỏ khác nhau chưa có tính toán và thiết kế được bộ điều tiết tín hiệu.
-Hệ thống thiết kế còn phức tạp, chưa có sự sắp xếp và bố trí hợp lý.
5.2 Kiến nghị
-Dùng phần mềm hoặc công cụ khác để mô phỏng và kiểm tra hệ thống.
- Nghiên cứu để có hệ thống tự động điều chỉnh dàn pin theo hướng ánh sáng để nâng cao hiệu suất của hệ thống.
- Cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển đề tài ở quy mô lớn hơn nữa để kết quả đem lại có ý nghĩa về mặt thực tiễn, có khả năng ứng dụng cao.
- Nhân rộng mô hình lai giữa hệ Diezen – năng lượng mặt trời với quy mô, số lượng, công suất lớn hơn.
- Xây dựng các mô hình hệ thống phát điện kết hợp khác như: Gió- Mặt trời- Diezen: + Đối với các huyện đảo ở khu vực Biển Đông có tiềm năng gió tốt, dân cư thường sống tập trung thì hệ thống kết hợp tua bin gió + pin mặt trời + máy phát diezen.
+ Đối với các đảo nhỏ, số dân ít, dân cư sống tập trung, không có tiềm năng phát triển sản xuất, thì hệ thống kết hợp tua bin gió + pin mặt trời + máy phát diezen.
+ Đối với khu vực miền núi thường có tiềm năng về thuỷ điện nhỏ kết hợp pin mặt trời + TĐN + ắc quy + máy phát diezen.
+ Pin mặt trời + TĐN + ắc quy cung cấp điện tập trung và chỉ cung cấp một số giờ cao đỉểm trong ngày.
+ Đối với một số khu vực đặc biệt ở miền núi có tiềm năng gió địa hình thì có thể khai thác hệ thống kết hợp tua bin gió + pin mặt trời.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Chu Văn Lai ‘’Sử dụng phần mềm Matlab Simulink mô phỏng hệ Diezen - năng lượng gió’’, 6-2016, Khoa Cơ-Điện, . Việt Nam.
[2] Đặng Thị Hải Hậu, Nguyễn Thành Đạt, Ngô Văn Thái, Vũ Đăng Thi, Trần Văn Quỳnh, ‘’Xây dựng dữ liệu về cường độ bức xạ mặt trời tại khu vực Gia Lâm,Hà Nội và đánh giá ảnh hưởng của điều kiện làm việc lên sự hoạt động của pin mặt trời’’ 2014-2015, Khoa Cơ-Điện, . Việt Nam.
[3] Nguyễn Minh Phương ‘’Sử dụng pin mặt trời mô phỏng pin quang điện’’, 6-2015, Khoa Cơ-Điện, . Việt Nam.
[4] Nguyễn Xuân Bách, ‘’Tổng quan các bộ biến đổi dùng trong lưới PV. Đi sâu xây dựng bộ biến đổi 12V sang 48V’’.
[5] Trần Việt Anh ‘’STATCOM và hệ năng lượng ĐIỆN GIÓ – DIESEL’’6-2015, Khoa Cơ-Điện, . Việt Nam.
[6] http://mayphatdien123.com/tin-tuc/uu-diem-may-phat-dien-chay-bang-dau-diesel- 46.html [7] http://dhsptn.edu.vn/khoavatli/index.php?language=vi&nv=vat-ly-giai- tri&op=Phat-minh-khoa-hoc/NANG-LUONG-MAT-TROI-30 [8] http://nangluongvietnam.vn/news/vn/khoa-hoc-va-cong-nghe/phat-trien-va-ung- dung-cong-nghe-nang-luong-mat-troi.html [9] http://nangluongvietnam.vn/news/vn/dien-hat-nhan-nang-luong-tai-tao/buc-xa- mat-troi-va-thuc-trang-ung-dung-o-viet-nam.html [10]http://www.vienvatly-hcm.ac.vn/vi/ChiTietGioiThieu.aspx?ctgt=109 [11]http://samtrix.vn/chi-tiet-tin/117/387/uu-diem-va-nhuoc-diem-cua-pin-mat- troi.html [12]http://3t-vietnam.com/tin-tuc/xu-huong-su-dung-may-phat-dien-nang-luong-mat- troi