Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Thiết kế bộ điều khiển MPPT sử dụng phương pháp tìm kiếm trực tiếp cho hệ pin quang điện

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:74

Thêm vào BST

Báo xấu

38
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung nghiên cứu của luận văn là mô hình hóa hệ thống Pin quang điện trên Matlab/Simulink. Khảo sát đặc tính điện như dòng điện, điện áp, công suất của Pin quang điện khi thay đổi điều kiện môi trường như bức xạ, nhiệt độ. Mô phỏng hệ thống tìm điểm MPP với giải thuật P&O (Perturb and Observe). Mô phỏng hệ thống tìm điểm MPP với giải thuật Incond (Increamental Conductance).

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Thiết kế bộ điều khiển MPPT sử dụng phương pháp tìm kiếm trực tiếp cho hệ pin quang điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM --------------------------- NGUYỄN THỊ BÍCH LIÊN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MPPT SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP TÌM KIẾM TRỰC TIẾP CHO HỆ PIN QUANG ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số ngành: 60520202 TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2016
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM --------------------------- NGUYỄN THỊ BÍCH LIÊN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MPPT SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP TÌM KIẾM TRỰC TIẾP CHO HỆ PIN QUANG ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số ngành: 60520202 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. HUỲNH QUANG MINH TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2016
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. Huỳnh Quang Minh Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM ngày 25 tháng 09 năm 2016. Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: TT Họ và tên Chức danh Hội đồng 1 PGS.TS. Võ Ngọc Điều Chủ tịch 2 PGS.TS. Nguyễn Thanh Phương Phản biện 1 3 PGS.TS. Trần Thu Hà Phản biện 2 4 TS. Nguyễn Minh Tâm Ủy viên 5 TS. Đinh Hoàng Bách. Ủy viên, Thư ký Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được sửa chữa (nếu có). Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV
TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG QLKH – ĐTSĐH Độc lập – Tự do – Hạnh phúc TP. HCM, ngày 23 tháng 01 năm 2016 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên : NGUYỄN THỊ BÍCH LIÊN Phái : NỮ Ngày, tháng, năm sinh : 29/10/1981 Nơi sinh : Ninh Bình Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện MSHV : 1441830047 I. Tên đề tài: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MPPT SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP TÌM KIẾM TRỰC TIẾP CHO HỆ PIN QUANG ĐIỆN II. Nhiệm vụ và nội dung: + Mô hình hóa hệ thống Pin quang điện trên Matlab/Simulink. Khảo sát đặc tính điện như dòng điện, điện áp, công suất của Pin quang điện khi thay đổi điều kiện môi trường như bức xạ, nhiệt độ. + Mô phỏng hệ thống tìm điểm MPP với giải thuật P&O (Perturb and Observe). + Mô phỏng hệ thống tìm điểm MPP với giải thuật Incond (Increamental Conductance). III. Ngày giao nhiệm vụ : 23/01/2016 IV. Ngày hoàn thành nhiệm vụ : 20/07/2016 V. Cán bộ hướng dẫn : TS. Huỳnh Quang Minh CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam kết các nội dung lý thuyết trình bày trong luận văn này là do tôi tham khảo các tài liệu và biên soạn lại, tất cả các kết quả mô phỏng, thực nghiệm đều do chính bản thân tôi tự làm ra, hoàn toàn không phải sao chép của từ bất kỳ một tài liệu hoặc công trình nghiên cứu nào khác. Nếu tôi không thực hiện đúng các cam kết nêu trên, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm trước kỷ luật của nhà trường. Tác giả Nguyễn Thị Bích Liên
ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi đến thầy TS. Huỳnh Quang Minh lời biết ơn sâu sắc vì đã dành thời gian quý báu để hướng dẫn, tạo điều kiện thuận lợi cũng như cho tôi những lời khuyên bổ ích để hoàn thành luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn tất cả các Thầy, Cô trong Phòng Thí Nghiệm Nghiên Cứu Điện Tử Công Suất đã giúp đỡ và đồng hành cùng tôi trong thời gian thực hiện luận văn. Ngoài ra, trong suốt thời gian học tập tại trường đại học Công Nghệ TP. HCM, tôi đã được các Thầy Cô khoa Điện – Điện tử, và đặc biệt là các Thầy Cô bộ môn Kỹ thuật điện giảng dạy tận tình, cho tôi nhiều kiến thức mới bổ ích, bên cạnh đó tôi cũng được các đồng nghiệp đóng góp nhiều ý kiến cũng như các tài liệu có giá trị. Xin gửi đến các Thầy, Cô và các bạn lời cảm ơn chân thành nhất. Cuối cùng, tôi xin cám ơn Cha Mẹ, các anh chị em trong gia đình và đặc biệt là người chồng của tôi, đã động viên và tạo điều kiện giúp tôi vượt qua những khó khăn trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu vừa qua. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 07 năm 2016 Nguyễn Thị Bích Liên
iii TÓM TẮT Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch, hoàn toàn miễn phí và không gây ô nhiễm môi trường. Việc nghiên cứu hệ thống điện mặt trời có ý nghĩa rất quan trọng, góp phần khai thác triệt để nguồn năng lượng tự nhiên trong khi các nguồn năng lượng truyền thống đang ngày càng cạn kiệt Luận văn tập trung nghiên cứu và mô phỏng hai giải thuật tìm điểm công suất cực đại của Pin quang điện (MPPT) đáp ứng trong các điều kiện thay đổi của môi trường như bức xạ, nhiệt độ. Đó là phương pháp nhiễu loạn và quan sát - Perturb and Observer (P&O), điện dẫn gia tăng - Increamental Conductance (Incond). Luận văn sử dụng phần mềm Matlab/Simulink thực hiện các mô hình mô phỏng để kiểm chứng lý thuyết của đề tài, mô hình mô phỏng được xây dựng bằng hàm truyền, phương trình trạng thái mô hình hóa của hệ thống cũng như là mô phỏng hệ thống thực sử dụng Sim Power system.
iv ABSTRACT Solar energy is a clean energy source, it is free and do not make polluted environment. The study of the solar energy system is very important, contributing to exploit the natural energy sources while the traditional energy sources are exhaustible. The thesis focus on two algorithms to find the maximum power point of the photovoltaic. Those are Perturb and Observer (P&O) and Increamental conductance (Incond) methods. The thesis use the Matlab / Simulink software to implement the simulation model to verify the theory of the subject, the simulation model is built in the transfer function, the equation state of the modeling system. Sim Power library of Matlab is also used in this thesis.
v MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................ii TÓM TẮT ................................................................................................................. iii ABSTRACT ............................................................................................................... iv MỤC LỤC ................................................................................................................... v DANH MỤC HÌNH ẢNH ........................................................................................vii CHƯƠNG 1: TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI.................................................... 1 1.1 Phạm vi nghiên cứu luận văn ...................................................................... 3 1.2 Sản phẩm của luận văn ............................................................................... 3 CHƯƠNG 2: TỔNG QUÁT VỀ HỆ THỐNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ................................................................................................................ 4 2.1Nguồn năng lượng Mặt Trời ......................................................................... 4 2.1.1Phổ của Mặt Trời ................................................................................... 4 2.1.2 Định nghĩa tỷ số AM ............................................................................ 6 2.1.3 Các dạng bức xạ thu được ................................................................. 8 2.2 Sơ lược lịch sử Pin Quang điện ................................................................... 9 2.3Cơ bản về bán dẫn ...................................................................................... 10 2.3.1 Dải năng lượng ................................................................................... 11 2.3.2 Hiệu suất của Vật liệu Quang điện ..................................................... 13 2.3.3 Cấu trúc P-N cho PV .......................................................................... 14 2.3.4 Công nghệ chế tạo PV ....................................................................... 16 2.4 Hệ thống PV .............................................................................................. 17 2.4.1 Hệ thống PV độc lập........................................................................... 17 2.4.2 Hệ thống PV kết hợp .......................................................................... 18 2.4.3 Hệ thống PV nối lưới .......................................................................... 18 CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH HÓA PV ........................................................................ 20 3.1 Đặc tuyến và thông số cơ bản của PV ....................................................... 20 3.2 Phương trình toán của PV.......................................................................... 22 CHƯƠNG 4: CÁC GIẢI THUẬT TRUY TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI25 4.1 Giới thiệu về đặc tuyến tải ......................................................................... 25
vi 4.2 Điểm công suất cực đại ............................................................................. 26 4.2.1 Mục đích của MPPT ........................................................................... 26 4.2.2 Bộ Buck-Boost ................................................................................... 27 4.3 Giới thiệu các giải thuật của MPPT........................................................... 29 4.3.1 Phương pháp nhiễu loạn và quan sát (Perturbation And Observe - P&O) ................................................................................................................. 29 4.3.2 Phương pháp độ dẫn (Incremental Conductance-IncCond) ............... 31 CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG..................................................................................... 34 5.1 Mô hình mô phỏng MPP trong Matlab Simulink ...................................... 34 5.2 Mô hình hóa và mô phỏng PV ................................................................... 40 5.3 Kết quả mô phỏng của phương pháp P&O ................................................ 45 5.4 Kết quả mô phỏng của phương pháp InCond ............................................ 50 5.5 So sánh P&O và InCond ............................................................................ 54 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ..................................... 57 6.1 Ưu điểm của năng lượng mặt trời:............. Error! Bookmark not defined. 6. 2 Nhược điểm của năng lượng mặt trời ....... Error! Bookmark not defined. 6. 3 Hướng phát triển: ...................................................................................... 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 60
vii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2. 1 Phổ của vật thể đen ..................................................................................... 5 Hình 2. 2 Phổ của mặt trời ngoài khí quyển ............................................................... 6 Hình 2. 3 Tỷ số AM .................................................................................................... 7 Hình 2. 4 Phổ của mặt trời theo AM khác nhau.......................................................... 7 Hình 2. 5 Bức xạ trực tiếp ........................................................................................... 8 Hình 2. 6 Tán xạ .......................................................................................................... 8 Hình 2. 7 Phản xạ ........................................................................................................ 9 Hình 2. 8 Nguyên tử Silic ......................................................................................... 11 Hình 2. 9 Dải năng lượng .......................................................................................... 11 Hình 2. 10 Vùng năng lượng có ích và hao phí ........................................................ 13 Hình 2. 11 Phổ năng lượng có ích và hao phí ........................................................... 13 Hình 2. 12 Nguyên tử hóa trị 5 ................................................................................. 14 Hình 2. 13 Nguyên tử hóa trị 3 ................................................................................. 15 Hình 2. 14 Tiếp xúc P-N ........................................................................................... 15 Hình 2. 15 Mẫu PV ................................................................................................... 16 Hình 2. 16 Hướng chế tạo PV ................................................................................... 16 Hình 2. 17 Bảng tuần hoàn ........................................................................................ 17 Hình 2. 18 Hệ thống độc lập ..................................................................................... 18 Hình 2. 19 Hệ thống kết hợp ..................................................................................... 18 Hình 2. 20 Hệ thống kết lưới..................................................................................... 19 Hình 3. 1.Mô hình PV ............................................................................................... 20 Hình 3. 2 Đặc tuyến PV ............................................................................................ 20 Hình 3. 3 Thông số cơ bản PV .................................................................................. 21 Hình 3. 4 Hệ số lấp đầy ............................................................................................. 21 Hình 3. 5 Mô hình 1 diode ....................................................................................... 22 Hình 3. 6 Mô hình 2 diode ........................................................................................ 22 Hình 3. 7 Mô hình 1 diode đơn giản ......................................................................... 22 Hình 3. 8 Datasheet solartech.................................................................................... 24 Hình 3. 9 Hệ số nhiệt K0 ........................................................................................... 24 Hình 4. 1 Điểm hoạt động của tải ............................................................................. 25
viii Hình 4. 2 Đặc tuyến điện trở ..................................................................................... 25 Hình 4. 3 Đặc tuyến trở khi thay đổi bức xạ ............................................................. 26 Hình 4. 4 Buck-Boost ................................................................................................ 26 Hình 4. 5 Mạch điện Buck-Boost .............................................................................. 27 Hình 4. 6 Giản đồ hoạt động ..................................................................................... 28 Hình 4. 7 Cách thay đổi đặc tuyến bộ Buck-Boost ................................................... 29 Hình 4. 8 Cách thực hiện P&O ................................................................................. 30 Hình 4. 9 Nguyên lý thực hiện thuật toán P&O ........................................................ 30 Hình 4. 10 Lưu đồ P&O ............................................................................................ 31 Hình 5. 1 Sơ đồ tổng quát hệ thống tìm MPP trong Matlab Simulink...................... 34 Hình 5. 2 Sơ đồ chi tiết triển khai giải thuật P&O và InCond .................................. 35 Hình 5. 3 Mô hình hóa PV BX1 ................................................................................ 35 Hình 5. 7 Mô hình trên Simulink .............................................................................. 40 Hình 5. 8 Đặc tuyến V-I khi nhiệt độ thay đổi, bức xạ không đổi ............................ 41 Hình 5. 9 Đặc tuyến P-V khi nhiệt độ thay đổi, bức xạ không đổi ........................... 41 Hình 5. 10 Đặc tuyến P-I khi nhiệt độ thay đổi, bức xạ không đổi .......................... 42 Hình 5. 11 Đặc tuyến V-I khi bức xạ thay đổi, nhiệt độ không đổi .......................... 43 Hình 5. 12 Đặc tuyến P-V khi bức xạ thay đổi, nhiệt độ không đổi ......................... 43 Hình 5. 13 Đặc tuyến P-I khi bức xạ thay đổi, nhiệt độ không đổi .......................... 44 Hình 5. 14 Điện áp PV tại MPP khi bức xạ thay đổi theo P&O ............................... 45 Hình 5. 15 Dòng điện PV tại MPP khi bức xạ thay đổi theo P&O ........................... 45 Hình 5. 16 Công suất PV tại MPP khi bức xạ thay đổi theo P&O ........................... 46 Hình 5. 17 Điện áp PV tại MPP khi nhiệt độ thay đổi theo P&O ............................. 47 Hình 5. 18 Dòng điện PV tại MPP khi nhiệt độ thay đổi theo P&O ........................ 48 Hình 5. 19 Công suất PV tại MPP khi nhiệt độ thay đổi theo P&O ......................... 48 Hình 5. 20 Đáp ứng dòng điện, điện áp, công suất của PV khi cả nhiệt độ và bức xạ thay đổi theo P&O ..................................................................................................... 49 Hình 5. 21 Điện áp PV tại MPP khi bức xạ thay đổi theo InCond ........................... 50 Hình 5. 22 Dòng điện PV tại MPP khi bức xạ thay đổi theo InCond ....................... 50 Hình 5. 23 Công suất PV tại MPP khi bức xạ thay đổi theo InCond ........................ 51 Hình 5. 24 Điện áp PV tại MPP khi nhiệt độ thay đổi theo InCond ......................... 52
ix Hình 5. 25 Dòng điện PV tại MPP khi nhiệt độ thay đổi theo InCond ..................... 52 Hình 5. 26 Công suất PV tại MPP khi nhiệt độ thay đổi theo Incond ...................... 53 Hình 5. 28 So sánh InCond và P&O khi bức xạ thay đổi, nhiệt độ không đổi ........ 54 Hình 5. 29 So sánh InCond và PO khi bức xạ không đổi, nhiệt độ thay đổi ............ 55
1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI Ngày nay, tình hình dân số và nền công nghiệp phát triển không ngừng. Điều này càng thể hiện rõ vai trò quan trọng của ngành năng lượng và trở thành yếu tố không thể thiếu trong cuộc sống, hai lý do chính khiến nhu cầu sử dụng năng lượng gia tăng đó là sự phát triển kinh tế và sự phát triển dân số. Sự phát triển này gắn liền với sự phát triển sử dụng năng lượng hay nói cách khác muốn phát triển kinh tế phải phát triển năng lượng. Vấn đề năng lượng hiện nay đang là chủ đề nóng và được cả thế giới quan tâm, các nhà nghiên cứu nhận định rằng thị trường tiêu thụ năng lượng ở các quốc gia trên thế giới không ngừng tăng đặc biệt là ở Bắc Mỹ, Châu Á, Châu Âu. Khi nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng gia tăng thì việc khai thác các nguồn năng lượng truyền thống không còn đáp ứng được do nguồn năng lượng ngày càng cạn kiệt, gây ô nhiễm môi trường, hiệu ứng nhà kính và biến đổi khí hậu và sự nóng lên của trái đất cùng hiện tượng băng tan v..v..Hiểu được tầm quan trọng đó, chúng ta đang tìm kiếm những nguồn năng lượng mới như năng lượng hạt nhân, năng lượng gió, năng lượng sinh học, năng lượng thủy triều, năng lượng mặt trời. Theo tính toán và đánh giá của các nhà khoa học khi nghiên cứu về các nguồn năng lượng trên thì thấy nguồn năng lượng mặt trời có ưu điểm hơn cả. Tuy nhiên quá trình thu được lượng ánh sáng chiếu vào tấm pin quang điện và chuyển đổi được thành điện năng đạt được hiệu suất rất thấp, khoảng 9% đến 17%. Đặc biệt là trong các điều kiện bức xạ thấp, bóng râm, độ ẩm, khoảng cách hay nhiệt độ thay đổi liên tục Vì vậy việc nghiên cứu các giải pháp để nâng cao hiệu quả của hệ thống điện năng lương mặt trời là hết sức cần thiết và cấp bách. Có rất nhiều các phương pháp và giải thuật đang được nghiên cứu và áp dụng vào thực tiễn như giải thuật nhiễu loạn và quan sát(P&O), giải thuật điện dẫn gia tăng(INC), giải thuật mạng nơron nhân tạo, giải thuật logic mờ v..v…Trong các giải thuật vừa nêu trên, tác giả chọn lựa hai giải thuật nhiễu loạn và quan sát P&O và giải thuật điện dẫn gia tăng INC để trình bày và mô phỏng 2 giải thuật trên phần mềm matlb Similink.
2 CHƯƠNG 1: TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Các nguồn năng lượng truyền thống như dầu mỏ, than đá… đang dần cạn kiệt và vấn đề bức thiết đặt ra cho các nhà khoa học trên toàn thế giới đó chính là tìm ra các nguồn năng lượng thay thế. Trong nhiều nguồn năng lượng mới, năng lượng mặt trời đóng một vai trò quan trọng và được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học. Tiếp cận được nguồn năng lượng mặt trời không chỉ góp phần giải quyết vấn đề cung cấp điện năng, mà nguồn năng lượng này còn là một nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường. Trong tất cả các nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng mặt trời là phong phú và ít biến đổi nhất trong thời kỳ biến đổi khí hậu hiện nay. cThuận lợi tại Việt Nam: là một trong những nước nằm trong dải phân bổ ánh nắng mặt trời nhiều nhất trong năm trên bản đồ bức xạ mặt trời của thế giới cho nên nguồn năng lượng mặt trời ở Việt Nam rất phong phú. Việt Nam có nhiều đảo hiện có cư dân sinh sống nhưng nhiều nơi không thể đưa điện lưới đến được. Sử dụng được nguồn năng lượng mặt trời sẽ có ý nghĩa như “nguồn năng lượng tại chỗ” đáp ứng nhu cầu tiêu thụ điện của cư dân những vùng này. Như vậy, yêu cầu sử dụng được nguồn năng lượng mặt trời ở Việt Nam còn mang ý nghĩa kinh tế, xã hội, quốc phòng. Tuy nhiên, tình hình nghiên cứu và ứng dụng năng lượng mặt trời ở Việt Nam cho đến nay vẫn chưa phát triển đủ để đáp ứng nhu cầu, thực trạng đó đòi hỏi phải có các nghiên cứu cụ thể nhằm chế tạo được các bộ nghịch lưu pin mặt trời tạo thành nguồn điện có khả năng ứng dụng được trong dân dụng cũng như trong công nghiệp. Các bộ nghịch lưu này phải đảm bảo chất lượng điện áp, tính ổn định và giá thành hợp lý. Năng lượng điện tạo ra bởi các tấm pin mặt trời là năng lượng điện 1 chiều (DC), để sử dụng được (trong công nghiệp, dân dụng, hoà lưới điện), nó phải được chuyển đổi thành năng lượng điện xoay chiều AC. Sự chuyển đổi đó được thực hiện bởi các bộ nghịch lưu – inverter.
3 Thông thường, điện áp ngõ ra của các tấm pin mặt trời chưa đủ để đưa vào bộ DC-AC (hoặc do nhu cầu muốn tăng hiệu suất của các bộ biến đổi công suất), giữa pin mặt trời và tầng chuyển đổi DC/AC, thường có thêm một bộ biến đổi công suất dạng DC/DC, tăng hoặc giảm áp (Boost/Buck). Tuy nhiên, công suất của pin mặt trời là một đại lượng biến thiên liên tục và phụ thuộc nhiều yếu tố môi trường như bức xạ mặt trời, nhiệt độ, bóng râm,… khiến cho ngõ ra thường không ổn định và không tận dụng được công suất tối đa. Do đó, trong bài toán năng lượng mặt trời, làm sao để sử dụng công suất pin mặt trời hiệu quả nhất, hay nói cách khác là làm sao để làm việc ở điểm công suất cực đại MPP (Maximum power point) là một vấn đề hết sức quan trọng. Có rất nhiều kĩ thuật tối ưu điểm công suất cực đại, những kĩ thuật này còn đang được tiếp tục nghiên cứu và phát triển. 1.1 Phạm vi nghiên cứu luận văn Luận văn tập trung nghiên cứu mô phỏng mô hình hóa Pin quang điện trên phần mềm Matlab Simulink, khảo sát các đặc tính của Pin như dòng điện, điện áp và công suất khi thay đổi các điều kiện môi trường như bức xạ, nhiệt độ, tải. Tìm hiểu và phân tích hai giải thuật tìm điểm công suất cực đại là P&O và Incond. Đưa ra các kết luận về ưu nhược điểm của hai phương pháp trên. 1.2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài: Nghiên cứu mô phỏng bộ điều khiển công suất cực đại MPPT ( Maximum power Point Tracker ) sử dụng phương pháp tìm kiếm trực tiếp cho hệ Pin quang điện. Nội dung thực hiện: Đề xuất hai giải thuật tìm điểm công suất cực đại của Pin Quang điện bao gồm:  Perturb and Oberser (P&O): Phương pháp nhiễu loạn và quan sát  Increamental Conductance (Incond): Phương pháp điện dẫn gia tăng Khảo sát mô hình mô phỏng đặc tính Pin Quang Điện và mô hình toán tìm điểm công suất cực đại sử dụng trên phần mềm Matlab Simulink
4 CHƯƠNG 2: TỔNG QUÁT VỀ HỆ THỐNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 2.1 Nguồn năng lượng Mặt Trời 2.1.1 Phổ của Mặt Trời Mặt trời là một nguồn sáng khổng lồ với đường kính 1.4 triệu km. Bên trong mặt trời, các phản ứng hạt nhân biến đổi hydro thành heli liên tục diễn ra. Sự hao hụt khối lượng do phản ứng hạt nhân này sinh ra nguồn năng lượng điện từ khoảng 3.8x1020 MW và bức xạ ra ngoài không gian. Năng lượng bức xạ của một vật thể là hàm số phụ thuộc vào nhiệt độ. Để mô tả độ bức xạ của một đối tượng, người ta thường dùng một khái niệm lý thuyết để so sánh, gọi là vật thể đen (blackbody). Phương trình bức xạ của vật thể đen được cho bởi định luật Planck: (2.1) Trong đó: E: Công suất bức xạ trên một đơn vị diện tích (của vật thể đen) trong đoạn vi phân bước sóng (Wm-2( m)-1). T : nhiệt độ tuyệt đối của vật thể đen (K).  : bước sóng ( m). Ví dụ: Nếu xem trái đất tương đồng với một vật thể đen có nhiệt độ 288 K (15oC), thì phổ năng lượng bức xạ của trái đất theo định luật Planck giống như hình 2.1
5 Hình 2. 1 Phổ của vật thể đen Diện tích của đồ thị trên ở giữa 2 giá trị bước sóng bất kỳ chính là công suất bức xạ của vật thể trong khoảng bước sóng đó. Nếu lấy tích phân đồ thị trên từ 0 đến vô cùng chính là tổng công suất bức xạ của vật thể. Tổng công suất bức xạ của một vật thể đen (trên toàn bề mặt) được cho bởi định luật Stefan- Boltzmann: (2.2) Trong đó: E: công suất bức xạ tổng (W) :: hằng số Stefan-Boltzmann = 5.67e- 8 Wm-2K-4. T : nhiệt độ tuyệt đối (K). A : diện tích bề mặt của vật thể đen (m2). Đường cong phổ bức xạ có giá trị cực đại ở bước sóng được xác định bởi công thức (2.3) Trong lòng mặt trời có nhiệt độ khoảng 15 triệu Kelvin, nhưng bức xạ từ bề mặt của mặt trời tương đồng với vật thể đen có nhiệt độ 5800 K. Hình 2.2 diễn tả phổ bức xạ của mặt trời và phổ bức xạ của vật thể đen 5800 K. Công suất bức xạ của vật thể đen 5800 K (toàn bộ diện tích của đường cong) là 1.37 kW/m2, bằng với công
6 suất bức xạ tổng của mặt trời ở ngoài khí quyển trái đất. Công suất bức xạ tổng của mặt trời được phân tỷ lệ như sau: những bước sóng dưới tia cực tím (UltraViolet- UV) chiếm 7%, trong vùng khả kiến chiếm 47%, từ vùng hồng ngoại (Infrared-IR) trở lên chiếm 46%. Nhắc lại về bước sóng trong vùng khả kiến có tầm từ 0.38  m đến 0.78 m. Hình 2. 2 Phổ của mặt trời ngoài khí quyển Khi bức xạ mặt trời đi vào khí quyển cúa trái đất sẽ bị hấp thu bởi nhiều thành phần. Do đó, đường cong phổ bức xạ của mặt trời nhận được trên mặt đất bị méo dạng nhiều so với ngoài không gian. Phổ bức xạ nhận được trên mặt đất còn phụ thuộc vào góc chiếu của mặt trời so với bề mặt trái đất, được phản ánh theo tỷ số AM. 2.1.2 Định nghĩa tỷ số AM Với mỗi góc chiếu khác nhau của mặt trời so với mặt đất thì quãng đường của tia sáng xuyên qua khí quyển sẽ khác nhau. Nếu định nghĩa: h1: quảng đường ngắn nhất xuyên qua khí quyển (tia sáng vuông với mặt đất) h2: quảng đường thực mà tia sáng xuyên qua khí quyển thì tỷ số AM (Air Mass ratio) được tính: (2.4)
7 Hình 2. 3 Tỷ số AM Tỷ số AM1 ( tương ứng với tia sáng chiếu trực tiếp vuông góc với mặt đất. AM0 tương ứng với phổ bức xạ ở ngoài khí quyển. Thông thường, AM1.5 được xem là phổ bức xạ trung bình trên mặt đất. Công suất bức xạ tổng ứng với AM1.5 được phân tỷ lệ như sau: những bước sóng dưới UV chiếm 2%, trong vùng khả kiến chiếm 54%, từ vùng IR trở lên chiếm 44%. Phổ công suất của mặt trời theo tỷ số AM được diễn tả trong hình 2.4. Đường cong có khuynh hướng giảm lại và dịch chuyển về phía bước sóng lớn khi AM tăng lên. Hình 2. 4 Phổ của mặt trời theo AM khác nhau