Tài liệu điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ pin quang điện mặt trời có xét đến hiện tượng bóng râm

i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc TP. Hồ Chí Minh, ngày …… tháng …… năm …… BẢN CAM ĐOAN Họ và tên học viên: Nguyễn Ngọc Thoại Ngày sinh: 07/4/1977 Nơi sinh: TP.HCM Trúng tuyển đầu vào năm: 2012 Là tác giả luận văn: Điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ pin quang điện mặt trời có xét đến hiện tượng bóng râm Chuyên ngành:Kỹ thuật điện Mã ngành: 605202202 Bảo vệ ngày: 18 Tháng 01 năm 2014 Điểm bảo vệ luận văn: 6,9 Tôi cam đoan chỉnh sửa nội dung luận văn thạc sĩ với đề tài trên theo góp ý của Hội đồng đánh giá luận văn Thạc sĩ. Các nội dung đã chỉnh sửa: Trình bày lý do chọn giải thuật Cần có sự so sánh kết quả giữa giải thuật đề xuất với kết quả khi không có sử dụng giải thuật được đề xuất Người cam đoan (Ký, ghi rõ họ tên) Nguyễn Ngọc Thoại Cán bộ Hướng dẫn (Ký, ghi rõ họ tên) ii LỜI CÁM ƠN Trước tiên, xin chân thành cảm ơn sự quan tâm hỗ trợ, tạo điều kiện và hết lòng động viên về tinh thần lẫn vật chất của các thành viên trong gia đình trong suốt thời gian qua. Đồng thời cảm ơn Thầy Huỳnh Châu Duy đã hướng dẫn, quan tâm và tạo thuận lợi cho bản thân học viên trong suốt thời gian thực hiện đề tài tốt nghiệp này. Bên cạnh đó, xin chuyển lời cảm ơn đến Ban Giám đốc Công ty Điện lực Gia Định, nơi học viên đang công tác đã tạo điều kiện về thời gian cũng như các điều kiện thuận lợi khác để học viên hoàn thành chương trình cao học này. Ngoài ra học viên cũng xin gởi lời cảm ơn đến tất cả những Thầy Cô đã trực tiếp giảng dạy trong suốt khóa học, những đồng nghiệp đã chia sẽ khó khăn, những người bạn đã quan tâm, động viên và luôn giữ mối liên lạc tốt trong quá trình học tập và rèn luyện vừa qua. Học viên thực hiện luận văn Nguyễn Ngọc Thoại iii TÓM TẮT Năng lượng là rất cần thiết cho cuộc sống của chúng tôi. Gần đây, nhu cầu sử dụng năng lượng đã được tăng lên rất nhiều trên toàn thế giới. Điều này đã dẫn đến một cuộc khủng hoảng về năng lượng và biến đổi khí hậu. Các nỗ lực nghiên cứu trong việc hướng tới việc khai thác và sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo có thể giải quyết được các vấn đề này. So với các nguồn năng lượng nhiên liệu hóa thạch truyền thống, các nguồn năng lượng tái tạo có những ưu điểm chủ yếu sau đây: bền vững, không cạn kiệt, miễn phí và không gây ô nhiễm môi trường. Có thể dễ dàng hiểu được rằng năng lượng tái tạo là nguồn năng lượng được tạo ra từ các nguồn tài nguyên thiên nhiên mà có thể được tái tạo như bức xạ mặt trời, gió, thủy triều, sóng biển, v. v . . . Trong số các nguồn năng lượng này, năng lượng mặt trời là một trong những nguồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất và được sử dụng rộng rãi. Năng lượng mặt trời được sử dụng phổ biến để cung cấp nhiệt, ánh sáng và điện. Một trong các công nghệ quan trọng của năng lượng mặt trời là pin quang điện (Photovoltaic, PV) mà chuyển đổi bức xạ trực tiếp thành điện năng bởi hiệu ứng quang điện. Tuy nhiên, bản thân quá trình chuyển đổi năng lượng điện này lại có hai vấn đề chính cần được giải quyết. Thứ nhất, hiệu suất chuyển đổi của các tế bào pin quang điện là rất thấp (9 % đến 17 %), đặc biệt là trong các điều kiện bức xạ thấp. Thứ hai, điện năng được phát ra bởi pin quang điện thay đổi liên tục với các điều kiện thời tiết khác nhau. Ngoài ra, đặc tính VI của pin quang điện là phi tuyến tính và thay đổi theo bức xạ và nhiệt độ. Nhưng tổng quát cho thấy, luôn luôn tồn tại một điểm duy nhất trên các đường cong VI hoặc VP mà được gọi là điểm công suất cực đại (Maximum power point, MPP). Điều này có nghĩa rằng hệ thống pin quang điện sẽ hoạt động với hiệu suất tối đa và tạo ra một công suất ngõ ra tối đa. Điểm công suất cực đại không được biết trước trên các đường cong VI hoặc VP, nhưng nó có thể được xác định bởi các thuật toán tìm kiếm mà có thể có các ưu và nhược điểm khác nhau liên quan đến tính đơn giản, tốc độ hội tụ, thêm các phần cứng hỗ trợ và chi phí thực hiện. Luận văn này trình bày thuật toán P&O để tìm kiếm các điểm công suất cực đại trên đặc tính VI của hệ pin quang điện, đặc biệt xét đến các ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm. iv ABSTRACT Energy is absolutely essential for our life. Recently, energy demand has greatly increased all over the world. This has resulted in an energy crisis and climate change. The research efforts in moving towards renewable energy can solve these problems. Compared to conventional fossil fuel energy sources, renewable energy sources have the following major advantages: they are sustainable, never going to run out, free and non-polluting. Renewable energy is the energy generated from renewable natural resources such as solar irradiation, wind, tides, wave, etc. Amongst these sources, solar energy is one of the most important renewable sources and is widely used. Solar energy is popularly used to provide heat, light and electricity. One of the important technologies of solar energy is photovoltaic (PV) which converts irradiation directly to electricity by the photovoltaic effect. However, the solar PV generation panels have two main problems. Firstly, the conversion efficiency of solar PV cells is very low (9% to 17%), especially under low irradiation conditions. Secondly, the amount of electric power which is generated by solar PV panels changes continuously with various weather conditions. In addition, the V-I characteristic of the solar cell is non-linear and varies with irradiation and temperature. But in general, there is always a unique point on the V-I or V-P curve which is called the Maximum Power Point (MPP). This means that the solar PV system will operate with maximum efficiency and produce a maximum output power. The MPP is not known on the V-I or V-P curve, but it can be located by search algorithms which can have several advantages and disadvantages concerned with simplicity, convergence speed, extra hardware and cost. This thesis presents the P&O algorithm for searching a MPP on the V-I characteristic of the solar PV system, especially under partial shading conditions. v MỤC LỤC Bản cam đoan ................................................................................................. i Lời cảm ơn .................................................................................................... ii Tóm tắt .......................................................................................................... iii Abstract ......................................................................................................... iv Mục lục ......................................................................................................... v Chương 1: Giới thiệu 1.1 Giới thiệu ......................................................................................................... 1 1.2 Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................................ 2 1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................................... 3 1.4 Nội dung nghiên cứu........................................................................................ 3 1.5 Bố cục của luận văn ......................................................................................... 3 Chương 2 : Tổng quan tình hình nghiên cứu 2.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước ................................................... 5 2.2 Tổng quan tình hình phát triển năng lượng mặt trời tại Việt Nam .................. 7 Chương 3: Pin quang điện 3.1 Giới thiệu.......................................................................................................... 11 3.2 Sơ đồ thay thế đơn giản của PV ..................................................... ................ 15 3.3 Sơ đồ thay thế của PV có xét đến các tổn hao ................................................. 16 3.4 Modul PV ........................................................................................................ 17 3.5 Mảng PV .......................................................................................................... 18 3.5.1 Nối nối tiếp nhiều modul PV .................................................................. 18 3.5.2 Nối song song nhiều modul PV .............................................................. 19 3.5.3 Nối hổn hợp nhiều modul PV.. .............................................. . ............... 19 3.6 Phân loại hệ thống PV .................................................................... ................ 20 3.6.1 Hệ thống PV kết nối lưới điện ................................................................ 20 3.6.2 Hệ thống PV độc lập ............................................................................... 21 3.7 Các ảnh hưởng đến PV .................................................................................... 22 3.7.1 Ảnh hưởng của cường độ chiếu sáng..................................... ................ 22 3.7.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ ......................................................... ................ 22 3.7.3 Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm .................................... ................ 23 vi Chương 4: Điều khiển bám điểm công suất cực đại cho hệ pin quang điện 4.1 Giới thiệu ........................................................................................................ 31 4.2 Bộ biến đổi DC/DC.......................................................................................... 33 4.2.1 Bộ biến đổi Buck ................................................................................... 33 4.2.2 Bộ biến đổi Boost .................................................................................. 36 4.2.3 Bộ biến đổi Buck – Boost ...................................................................... 37 4.3 Điều khiển bộ biến đổi DC/DC........................................................................ 38 4.3.1 Điều khiển điện áp hồi tiếp ..................................................................... 38 4.3.2 Điều khiển dòng điện hồi tiếp ................................................................. 39 4.4 Thuật toán xác định điểm công suất cực đại. ..................................................... 40 4.4.1. Thuật toán Perturbation & Observation (P&O) .................................... 40 4.4.2. Thuật toán Incremental Conductance (IC) ........................................... 43 4.4.3 Thuật toán điện áp không đổi ................................................................ 45 4.4.4 Thuật toán dòng điện ngắn mạch .......................................................... 46 Chương 5 : Kết quả mô phỏng 5.1 Giới thiệu ......................................................................................................... 48 5.2 Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống pin quang điện .................................. 48 5.3 Kết quả mô phỏng cho một array pin quang điện ............................................ 53 5.3.1 Trường hợp không bị bóng râm ............................................................. 53 5.3.2 Trường hợp bị bóng râm ........................................................................ 56 5.3.2.1 Trường hợp 1 ........................................................................... 56 5.3.2.2 Trường hợp 2 ........................................................................... 60 5.3.2.3 Trường hợp 3 ........................................................................... 63 5.3.2.4 Trường hợp 4 ........................................................................... 66 5.4 Kết luận ............................................................................................................. 69 Chương 6 : Kết luận và hướng phát triển tương lai 6.1 Kết luận ........................................................................................................... 70 6.2 Hướng phát triển tương lai..................................................................................70 Tài liệu tham khảo...............................................................................................72 vii Danh mục các từ viết tắt P&O: Perturbation & Observation IC: Incremental Conductance algorithm PV: Photovoltaic kWp: Kilowatt peak MPP: Maximum Power Point MPPT: Maximum Power Point Tracking PWM: Pulse Width Modulation V-I: Voltage Amper viii Danh mục các bảng Bảng 2.1 Tiềm năng năng lượng mặt trời tại Việt Nam ................................... 7 Bảng 3.1 Bảng phân loại tuần hoàn trích lược với tinh thể Silicon thuộc nhóm IV ....................................................................................................... 13 ix Danh mục các hình Hình 3.1 Phổ năng lượng mặt trời .................................................................... 12 Hình 3.2 Bản đồ bức xạ mặt trời trung bình toàn cầu....................................... 12 Hình 3.3 Bản đồ nhiệt độ trung bình toàn cầu .................................................. 13 Hình 3.4 Nguyên tắc chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện của PV ................................................................................................ 14 Hình 3.5 Mô hình đơn giản của PV .................................................................. 14 Hình 3.6 Sơ đồ thay thế đơn giản của PV ......................................................... 15 Hình 3.7 Các tham số quan trọng của PV: Dòng điện ngắn mạch Isc và điện áp hở mạch Voc ....................................................................................... 15 Hình 3.8 Mô hình thay thế PV có xét đến các tổn hao ..................................... 16 Hình 3.9 Đặc tính PV có xét đến các ảnh hưởng Rs và Rp ............................... 17 Hình 3.10 Modul PV ........................................................................................... 17 Hình 3.11 Đặc tính của modul PV ...................................................................... 18 Hình 3.12 Các modul PV được kết hợp nối tiếp với nhau .................................. 18 Hình 3.13 Các modul PV được kết hợp song song với nhau .............................. 19 Hình 3.14 Các modul PV được kết hợp hổn hợp với nhau ................................. 20 Hình 3.15 Hệ thống PV kết nối lưới điện ........................................................... 21 Hình 3.16 Hệ thống PV độc lập .......................................................................... 21 Hình 3.17 Đặc tuyến V-I của PV với các cường độ chiếu sáng khác nhau và nhiệt độ PV không đổi, 25oC ............................................................. 22 Hình 3.18 Đặc tuyến V-I của PV với các nhiệt độ khác nhau và cường độ chiếu sáng không đổi 1 kW/m2 .................................................................... 23 Hình 3.19 Module PV với n PV trong trường hợp modul không bị che khuất .. 23 Hình 3.20 Module PV với n PV trong trường hợp modul bị che khuất một phần............................................................................................. 24 Hình 3.21 Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm đối với module PV ................. 25 Hình 3.22 Module PV với nhiều PV bị che khuất .............................................. 25 Hình 3.23 Module PV sử dụng diode bypass ..................................................... 26 Hình 3.24 Đặc tính của PV trong trường hợp sử dụng diode bypass ................ 26 Hình 3.25 Đánh giá so sánh giữa các trường hợp có và không có diode bypass ................................................................................................ 27 x Hình 3.26 Các đặc tính của một mảng PV khi không có bóng râm.................... 29 Hình 3.27 Các đặc tính của một mảng PV trong điều kiện có bóng râm ........... 30 Hình 4.1 Các đặc tính phi tuyến của PV ........................................................... 32 Hình 4.2 Đặc tính V-I của PV với các cường độ bức xạ khác nhau ................. 32 Hình 4.3 Hệ thống bám điểm công suất cực đại ............................................... 33 Hình 4.4 Bộ giảm áp Buck......... ....................................................................... 34 Hình 4.5 Bộ tăng áp Boost............ .................................................................... 36 Hình 4.6 Bộ biến đổi Buck – Boost .................................................................. 37 Hình 4.7 Sơ đồ điều khiển điện áp hồi tiếp....................................................... 39 Hình 4.8 Sơ đồ điều khiển dòng điện hồi tiếp .................................................. 39 Hình 4.9 Lưu đồ thuật toán P&O ...................................................................... 41 Hình 4.10 Sự phân kỳ của thuật toán P&O khi cường độ bức xạ thay đổi ......... 43 Hình 4.11 Thuật toán IC ..................................................................................... 43 Hình 4.12 Lưu đồ thuật toán IC .......................................................................... 45 Hình 5.1 Cấu hình của mảng PV cần mô phỏng ............................................... 48 Hình 5.2 Một module gồm 4 x 6 cell ................................................................ 49 Hình 5.3 Đặc tính V-I của module RTL-CS 90 ................................................ 50 Hình 5.4 Đặc tính V-P của module RTL-CS 90 ............................................... 50 Hình 5.5 Sơ đồ mô phỏng cho một array pin quang điện ................................. 51 Hình 5.6 Array pin quang điện có xét đến hiệu ứng bóng râm......................... 52 Hình 5.7 Đặc tuyến V-I của array pin quang điện trong trường hợp không bị bóng râm ............................................................................................ 53 Hình 5.8 Đặc tuyến V-P của array pin quang điện trong trường hợp không bị bóng râm ............................................................................................ 54 Hình 5.9 Công suất thu được của hệ pin quang điện trong trường hợp bỏ qua hiện tượng bóng râm .......................................................................... 54 Hình 5.10 Điện áp ngõ ra của hệ pin quang điện trong trường hợp bỏ qua hiện tượng bóng râm .................................................................................. 55 Hình 5.11 Cường độ dòng điện ngõ ra của hệ pin quang điện trong trường hợp bỏ qua hiện tượng bóng râm .............................................................. 55 Hình 5.12 Array pin quang điện bị bóng râm tại Module 19.............................. 56 Hình 5.13 Đặc tuyến V-I xét đến hiệu ứng bóng râm, trường hợp 1...................56 xi Hình 5.14 Đặc tuyến V-P xét đến hiệu ứng bóng râm, trường hợp 1 ................. 58 Hình 5.15 Công suất thu được của hệ pin quang điện, trường hợp 1 ................. 58 Hình 5.16 Điện áp ngõ ra của hệ pin quang điện, trường hợp 1 ......................... 59 Hình 5.17 Cường độ dòng điện của hệ pin quang điện, trường hợp 1................ 59 Hình 5.18 Array pin quang điện bị bóng râm tại Module 13, 19 và 20 .............. 60 Hình 5.19 Đặc tuyến V-I xét đến hiệu ứng bóng râm, trường hợp 2 .................. 60 Hình 5.20 Đặc tuyến V-P xét đến hiệu ứng bóng râm, trường hợp 2 ................. 61 Hình 5.21 Công suất thu được của hệ pin quang điện, trường hợp 2 ................. 61 Hình 5.22 Điện áp ngõ ra của hệ pin quang điện, trường hợp 2 ......................... 62 Hình 5.23 Cường độ dòng điện ngõ ra của hệ pin quang điện, trường hợp 2 .... 62 Hình 5.24 Array pin quang điện bị bóng râm tại Module 7, 13, 14, 19, 20 và 21 .............................................................................................. 63 Hình 5.25 Đặc tuyến V-I xét đến hiệu ứng bóng râm, trường hợp 3 .................. 63 Hình 5.26 Đặc tuyến V-P xét đến hiệu ứng bóng râm, trường hợp 3 ................. 64 Hình 5.27 Công suất thu được của hệ pin quang điện, trường hợp 3 ................. 64 Hình 5.28 Điện áp ngõ ra của hệ pin quang điện, trường hợp 3 ......................... 65 Hình 5.29 Cường độ dòng điện ngõ ra của hệ pin quang điện, trường hợp 3 .... 65 Hình 5.30 Array pin quang điện bị bóng râm tại Module 1, 7, 8, 13, 14, 15, 19, 20, 21 và 22 ........................................................................................ 66 Hình 5.31 Đặc tuyến V-I xét đến hiệu ứng bóng râm, trường hợp 4 .................. 66 Hình 5.32 Đặc tuyến V-P xét đến hiệu ứng bóng râm, trường hợp 4 ................. 67 Hình 5.33 Công suất thu được của hệ pin quang điện, trường hợp 4 ................. 67 Hình 5.34 Điện áp ngõ ra của hệ pin quang điện, trường hợp 4 ......................... 68 Hình 5.35 Cường độ dòng điện ngõ ra của hệ pin quang điện, trường hợp 4 .... 68 1 Chương 1 GIỚI THIỆU 1.1 Giới thiệu Có thể dễ dàng nhận ra rằng năng lượng đã là một trong những yếu tố thiết yếu cho sự tồn tại và phát triển của xã hội, cũng như duy trì mọi sự sống trên trái đất. Ngày nay, trong thời đại khoa học kỹ thuật phát triển, nhu cầu về năng lượng của con người ngày càng tăng. Trong khi đó, các nguồn nhiên liệu dự trữ như than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên và ngay cả thủy điện đều đang rơi vài tình trạng cạn kiệt và khan hiếm. Điều này khiến cho nhân loại đang đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng một cách trầm trọng. Việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng khác như năng lượng hạt nhân, năng lượng địa nhiệt, năng lượng gió, năng lượng thuỷ triều và năng lượng mặt trời có ý nghĩa rất quan trọng. Trong số các nguồn năng lượng này, nguồn năng lượng mặt trời với rất nhiều ưu việt sẽ chính là nguồn năng lượng bổ xung tốt nhất cho lượng thiếu hụt năng lượng trong hiện tại và tương lai. Vì vậy, việc nghiên cứu sử dụng và khai thác năng lượng mặt trời ngày càng được quan tâm rộng rãi ở các nước trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng. Vấn đề này không chỉ bởi các nguồn năng lượng khác đang bị cạn kiệt thiếu hụt, mà còn vì trái đất của chúng ta đang phải đối diện với vấn đề cấp bách về môi trường như hạn hán, lũ lụt, hiệu ứng nhà kính, ô nhiễm . . . Năng lượng mặt trời chính là nguồn năng lượng không gây hại cho môi trường, sẵn có, siêu sạch và miễn phí. Việt Nam có vị trí địa lý được ưu ái với một nguồn năng lượng tái tạo vô cùng lớn, đặc biệt là năng lượng mặt trời. Trải dài từ vĩ độ 8027’ Bắc đến 23023’ Bắc, với lượng bức xạ trung bình 5kW/m²/ngày với khoảng 2000 giờ nắng/năm. Trong đó, nhiều nhất phải kể đến các thành phố như Ninh Thuận, Bình Thuận, Tây Ninh, Hồ Chí Minh, Bình Dương, Đồng Nai, các vùng Tây Bắc (Lai Châu, Sơn La, Lào Cai) và vùng Bắc Trung Bộ (Thanh Hóa, Nghệ 2 An, Hà Tĩnh) là các Tỉnh, Thành Phố của Việt Nam có tiềm năng rất lớn về năng lượng mặt trời. Về cơ bản, có 2 phương thức được sử dụng phổ biến để biến đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện như sau: - Phương thức 1: Quang năng  nhiệt năng  điện năng - Phương thức 2: Quang năng  điện năng Luận văn sẽ tập trung chính nghiên cứu phương thức biến đổi năng lượng mặt trời dưới dạng quang năng thành năng lượng điện thông qua pin quang điện (Photovotaic, PV) mà có cấu tạo từ các chất bán dẫn. Tuy nhiên, do đặc thù riêng của pin quang điện nên chi phí đầu từ cho một hệ điện năng lượng mặt trời vẫn còn khá cao. Điều này thôi thúc các nhà nghiên cứu không ngừng tìm tòi để nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn năng lượng này. Giải pháp “Điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ pin quang điện mặt trời có xét đến hiện tượng bóng râm” cũng không nằm ngoài mục tiêu chung đó, nhằm cung cấp công suất điện tối đa trong mọi điều kiện môi trường. Đặc biệt, hiện tượng bóng râm cũng là một trong các hiện tượng mà sẽ được nghiên cứu và xét đến trong luận văn trong quá trình điều khiển bám điểm công suất cực đại. 1.2 Mục tiêu nghiên cứu: Nghiên cứu, mô phỏng điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ pin quang điện mặt trời có xét đến hiện tượng bóng râm để đảm bảo công suất ngõ ra là lớn nhất. Khảo sát các đường đặc tính V-I , V-P và điều khiển để bám điểm công suất cực đại của hệ pin quang điện mặt trời có xét đến hiện tượng bóng râm. 3 Thuật toán P&O (Perturbation and Observation) là một trong các thuật toán cho phép xác định điểm công suất cực đại đơn giản và phổ biến nhất mà sẽ được áp dụng cho việc xác định điểm công suất cực đại trong luận văn này. 1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: - Đối tượng nghiên cứu của đề tài là một hệ thống pin quang điện mặt trời bao gồm nhiều module với mỗi module có nhiều tế bào pin quang điện được kết nối với nhau. Tải của hệ thống pin quang điện là tải thuần trở. - Phạm vi nghiên cứu của đề tài là tìm điểm công suất cực đại toàn cục (Global Maximum Power Point, GMPP) của hệ thống pin quang điện có xét đến hiện tượng bóng râm. - Luận văn bỏ qua các ảnh hưởng khác mà có thể ảnh hưởng đến hiệu quả khai thác của hệ thống pin quang điện. 1.4 Nội dung nghiên cứu: - Tiến hành mô phỏng hệ thống điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ pin quang điện mặt trời có xét đến hiện tượng bóng râm. - Trong điều kiện không có bóng râm, khảo sát các đường đặc tính V-I và V-P để tìm điểm công suất cực đại của hệ pin quang điện. - Trong điều kiện có bóng râm, khảo sát ảnh hưởng của hiệu ứng bóng râm đến các đặc tính V-I, V-P và tìm điểm công suất cực đại toàn cục của hệ thống pin quang điện. - Trình bày và mô phỏng các thuật toán tìm điểm công suất cực đại cho hệ thống pin quang điện trong trường hợp không có và có xét đến hiện tượng bóng râm. - So sánh trường hợp không có bóng râm và trường hợp che từng mảng 1.5 Bố cục của luận văn: Bố cục của luân văn bao gồm: Chương 1: Giới thiệu Chương 2: Tổng quan tình hình nghiên cứu Chương 3: Pin quang điện Chương 4: Điều khiển bám điểm công suất cực đại cho hệ pin quang điện 4 Chương 5: Kết quả mô phỏng Chương 6: Kết luận và hướng phát triển 5 Chương 2 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU Với các mục tiêu nghiên cứu đã được đặt ra trong Chương 1, tổng quan cho tình hình nghiên cứu liên quan đến bài toán điều khiển bám điểm công suất cực đại cũng như tổng quan cho tình hình khai thác và sử dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam sẽ được trình bày trong chương này. 2.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước Bài toán điều khiển bám điểm công suất cực đại đã được giới thiệu và các kỹ thuật bám điểm công suất cực đại đã được đề xuất và giới thiệu, chẳng hạn như thuật toán xáo trộn và giám sát (Perturbation & Observation algorithm, P&O) [2.1]-[2.4], thuật toán gia tăng độ dẫn (Incremental Conductance algorithm, IC) [2.1]-[2.5], mạng nơ- rôn nhân tạo [2.6], logic mờ [2.7], v. v . . . Các kỹ thuật này khác nhau ở một vài khía cạnh và quan điểm bao gồm: tính chất đơn giản của thuật toán, tốc độ hội tụ của thuật toán, tính chất phức tạp của việc thực hiện các phần ứng thực nghiệm, cũng như chi phí thực hiện cho mỗi giải pháp. Trên nền tảng của thuật toán P&O, J. Jiang, T. Huang, Y. Hsiao, và C. Chen đã giới thiệu phương pháp so sánh 3 điểm. Phương pháp này tương tự như phương pháp P&O và có thể xem như thuật toán P&O cải tiến. Thuật toán P&O thực hiện so sánh 2 thời điểm. Trong khi đó, thuật toán được giới thiệu so sánh 3 thời điểm từ đó mới ra quyết định tăng, giảm hay giữ nguyên giá trị của điện áp. Có thể nhận ra các ưu điểm của thuật toán này, việc so sánh 3 điểm có khả năng khắc phục được sự hoạt động sai của giải thuật P&O truyền thống khi có sự thay đổi nhanh của môi trường chẳng hạn như cường độ bức xạ, nhiệt độ, v. v . . . Tuy nhiên đề xuất này cũng tồn tại một vài khuyết điểm chẳng hạn như khi cường độ bức xạ thay đổi mạnh và kéo dài so với chu kỳ lấy mẫu thì thuật toán so sánh 3 điểm này có thể sai do thuật toán luôn xác định được 3 điểm cùng tăng (nếu cường độ bức xạ tăng) hoặc 3 điểm cùng giảm (nếu cường độ bức xạ giảm) và cuối cùng quyết định thay đổi giá trị điện áp sẽ không chính xác, ảnh hưởng đến hiệu quả của thuật toán [2.8]. 6 Tương tự, để khắc phục cho các khuyết điểm của thuật toán P&O truyền thống, D. Sera, T. Kerekes, R. Teodorescu và F. Blaabjerg đã giới thiệu thêm một thuật toán bám điểm công suất cực đại trên nền tảng của thuật toán P&O bằng việc lấy thêm các mẫu trung gian. Ưu điểm của thuật toán này sẽ giúp bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại không bị nhẫm lẫn khi cường độ sáng thay đổi tuyến tính. Trong khi đó, nhược điểm của thuật toán này là khi cường độ chiếu sáng thay đổi không tuyến tính thì thuật toàn này có thể hoạt động sai [2.9]. M. A. Younis, T. Khatib, M. Najeeb và A. M. Ariffin [2.10] đã tiếp tục nghiên cứu để kết hợp công nghệ mạng nơ-rôn nhân tạo và thuật toán P&O cho việc xây dựng một bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại. Các tác giả đã sử dụng mạng nơ-rôn nhân tạo để dự báo giá trị điện áp tối ưu của hệ thống PV sao cho có thể đạt được điểm công suất cực đại. Cấu trúc mạng nơ-rôn được sử dụng trong nghiên cứu là cấu trúc lan truyền ngược với bốn tín hiệu ngõ vào mà tương ứng là cường độ bức xạ, nhiệt độ, hệ số nhiệt của dòng điện ngắn mạch và hệ số nhiệt độ của điện áp hở mạch của PV và tín hiệu ngõ ra của mạng nơ-rôn là giá trị điện áp tối ưu. Các kết quả mô phỏng trong nghiên cứu này cho thấy rằng bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại sử dụng công nghệ mạng nơ-rôn có các đáp ứng nhanh hơn bộ điều khiển sử dụng thuật toán P&O và đồng thời, hiệu suất bám trung bình cũng được cải tiến hơn thuật toán P&O một cách đáng kể. B. Das, A. Jamatia, A. Chakraborti, P. R. Kasari và M. Bhowmik [2.11] đã giới thiệu phương pháp chia đôi (Bisection method) cho bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ thống PV. Thuật toán tìm ra được giá trị điện áp của mô-đun PV, tính toán công suất và cuối cùng là xác định và bám theo điểm công suất cực đại. Các kết quả mô phỏng trong nghiên cứu này cũng được sử dụng để so sánh với các kết quả khác bằng việc sử dụng kỹ thuật P&O thông thường. Kết quả so sánh cho thấy rằng phương pháp đề xuất có khả năng đạt được giá trị công suất cực đại nhanh hơn thuật toán P&O. Với mục tiêu xét các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của pin quang điện như sự thay đổi của các điều kiện nhiệt độ, bức xạ mặt trời hoặc đặc biệt là hiện tưởng bóng râm. Một hiện tượng mà pin quang điện bị che khuất bởi một đám mây thoáng qua, một tòa nhà cao tầng, . . . , các mô phỏng và thực nghiệm cho hệ thống pin quang điện dưới điều kiện bóng râm đã được thực hiện [2.12]-[2.14]. 7 2.2 Tổng quan tình hình phát triển năng lượng mặt trời tại Việt Nam Lãnh thổ Việt Nam kéo dài từ 8–230 vĩ Bắc, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao với trị số tổng xạ khá lớn từ 100–175 kcal/cm2.năm. Do đó, việc sử dụng năng lượng mặt trời ở nước ta sẽ đem lại hiệu quả kinh tế lớn. Giải pháp sử dụng năng lượng mặt trời hiện đang được cho là giải pháp tối ưu. Đây là nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường và có trữ lượng vô cùng lớn. Đồng thời, việc phát triển ngành công nghiệp sản xuất PV sẽ góp phần thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch, giảm phát khí thải nhà kính và bảo vệ môi trường. Đây được coi là nguồn năng lượng quý giá, có thể thay thế các dạng năng lượng cũ đang ngày càng cạn kiệt. Các quốc gia trên thế giới đã sử dụng năng lượng mặt trời như một giải pháp thay thế những nguồn tài nguyên truyền thống. Tuy nhiên, Việt Nam mới chỉ khai thác khoảng 25% nguồn năng lượng tái tạo này. Do lãnh thổ của Việt Nam trải dài nên tiềm năng về năng lượng mặt trời ở mỗi vùng cũng khác nhau, có thể chia ra thành 5 vùng với tiềm năng tại mỗi vùng như sau: Bảng 2.1 Tiềm năng năng lượng mặt trời tại Việt Nam STT Khu vực Năng lượng mặt Số giờ nắng trung trời trung bình bình năm (kcal/cm2.năm) (giờ/năm) 1 Đông Bắc Bộ 100 – 125 1500 – 1700 2 Tây Bắc Bộ 125 – 150 1750 – 1900 3 Bắc Trung Bộ 140 – 160 1700 – 2000 4 Nam Trung Bộ và Tây Nguyên 150 – 175 2000 – 2600 5 Nam Bộ 130 – 150 2200 – 2500 130 – 152 1830 – 2450 Trung bình cả nước Với tiềm năng về năng lượng và số giờ nắng trong năm như Bảng 2.1, Việt Nam được đánh giá là một quốc gia có tiềm năng lớn về năng lượng mặt trời. Tại Việt Nam, với sự hỗ trợ của nhà nước (các bộ, ngành) và một số tổ chức quốc tế đã thực hiện thành công việc xây dựng các trạm pin quang điện có công suất khác nhau phục vụ nhu cầu sinh hoạt và văn hóa của các địa phương vùng sâu, vùng 8 xa, các công trình nằm trong khu vực không có lưới điện. Tuy nhiên, hiện nay pin quang điện vẫn đang còn là món hàng xa xỉ đối với các nước đang phát triển. Đi đầu trong việc phát triển ứng dụng này là ngành bưu chính viễn thông. Các trạm pin quang điện phát điện sử dụng làm nguồn cung cấp điện cho các thiết bị thu phát sóng của các bưu điện lớn, trạm thu phát truyền hình thông qua vệ tinh. Ở ngành bảo đảm hàng hải, các trạm pin quang điện phát điện sử dụng làm nguồn cung cấp điện cho các thiết bị chiếu sáng, cột hải đăng, đèn báo sông. Trong ngành công nghiệp, các trạm pin quang điện phát điện sử dụng làm nguồn cung cấp điện dự phòng cho các thiết bị điều khiển trạm biến áp 500 kV, thiết bị máy tính và sử dụng làm nguồn cung cấp điện nối với điện lưới quốc gia. Trong ngành giao thông đường bộ, các trạm pin quang điện phát điện dần được sử dụng làm nguồn cung cấp điện cho các cột đèn đường chiếu sáng. Trong sinh hoạt của các hộ gia đình vùng sâu, vùng xa, các trạm pin quang điện phát điện sử dụng để thắp sáng, nghe đài, xem vô tuyến. - Khu vực miền Nam ứng dụng các dàn pin quang điện phục vụ thắp sáng và sinh hoạt văn hóa tại một số vùng nông thôn xa lưới điện. Các trạm điện mặt trời có công suất từ 500 - 1000 Wp được lắp đặt ở trung tâm xã, nạp điện vào ắc qui cho các hộ gia đình sử dụng. Các dàn pin quang điện có công suất từ 250 - 500 Wp phục vụ thắp sáng cho các bệnh viện, trạm xá và các cụm văn hoá xã. Đến nay, có khoảng 800 - 1000 dàn pin quang điện đã được lắp đặt và sử dụng cho các hộ gia đình, công suất mỗi dàn từ 22,5 - 70 Wp. - Khu vực miền Trung có bức xạ mặt trời khá tốt và số giờ nắng cao, rất thích hợp cho việc ứng dụng pin quang điện. Hiện tại, khu vực miền Trung có hai dự án lai ghép với pin quang điện có công suất lớn nhất Việt Nam, đó là: * Dự án phát điện ghép giữa pin quang điện và thuỷ điện nhỏ, công suất 125 kW được lắp đặt tại xã Trang, huyện Mang Yang, tỉnh Gia Lai, trong đó công suất của hệ thống PMT là 100 kWp (kilowatt peak) và của thuỷ điện là 25 kW. Dự án được đưa vào vận hành từ cuối năm 1999, cung cấp điện cho 5 làng. Hệ thống điện do Điện lực Mang Yang quản lý và vận hành. 9 * Dự án phát điện lai ghép giữa pin quang điện và động cơ gió phát điện với công suất là 9 kW, trong đó pin quang điện là 7 kW. Dự án trên được lắp đặt tại làng Kongu 2, huyện Đak Hà, tỉnh Kon Tum, do Viện Năng lượng thực hiện. Công trình đã được đưa vào sử dụng từ tháng 11/2000, cung cấp điện cho một bản người dân tộc thiểu số với 42 hộ gia đình. Hệ thống điện do sở Công thương tỉnh quản lý và vận hành. Các dàn pin quang điện đã lắp đặt ứng dụng tại các tỉnh Gia Lai, Quảng Nam, Bình Định, Quảng Ngãi và Khánh Hoà, hộ gia đình công suất từ 40 - 50 Wp. Các dàn đã lắp đặt ứng dụng cho các trung tâm cụm xã và các trạm y tế xã có công suất từ 200 - 800 Wp. Hệ thống điện sử dụng chủ yếu để thắp sáng và truyền thong. Đối tượng phục vụ là người dân, do dân quản lý và vận hành. - Khu vực miền Bắc, việc ứng dụng các dàn pin quang điện phát triển với tốc độ khá nhanh, phục vụ các hộ gia đình ở các vùng núi cao, hải đảo và cho các trạm biên phòng. Công suất của dàn pin quang điện dùng cho hộ gia đình từ 40 - 75 Wp. Các dàn dùng cho các trạm biên phòng, nơi hải đảo có công suất từ 165 - 300 Wp. Các dàn dùng cho trạm xá và các cụm văn hoá thôn, xã là 165 - 525 Wp. Tại Quảng Ninh có hai dự án PMT do vốn trong nước (từ ngân sách) tài trợ: * Dự án pin quang điện cho đơn vị bộ đội tại các đảo vùng Đông Bắc. Tổng công suất lắp đặt khoảng 20 kWp. Dự án trên do Viện Năng lượng và Trung tâm Năng lượng mới Trường đại học Bách khoa Hà Nội thực hiện. Hệ thống điện sử dụng chủ yếu để thắp sáng và truyền thông, đối tượng phục vụ là bộ đội, do đơn vị quản lý và vận hành. * Dự án pin quang điện cho các cơ quan hành chính và một số hộ dân của huyện đảo Cô Tô. Tổng công suất lắp đặt là 15 kWp. Dự án trên do Viện Năng lượng thực hiện. Công trình đã vận hành từ tháng 12/2001. * Công ty BP Solar của Úc đã tài trợ một dự án pin quang điện có công suất là 6120 Wp phục vụ cho trạm xá, trụ sở xã, trường học và khoảng 10 hộ gia đình. Dự án trên được lắp đặt tại xã Sĩ Hai, huyện Hà Quảng, tỉnh Cao Bằng.