Thạc Sĩ Tìm điểm công suất cực đại của pin mặt trời

LUận văn thạc sĩ năm 2012
Đề tài: TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CỦA PIN MẶT TRỜI
Định dạng file word

Chương 1 1.
TỔNG QUAN .1
11. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và
ngoài nước đã công bố 1
12 Mục đích của đề tài 1
13 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tai .4`
14 Phương pháp nghiên cứu 4
15 Noidung^. luận văn .5
Chương 2 6.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT .6
21. Mô hình pin mặt trời 6
22 Bộ chuyển đổi ĐCC/ boost converter 13
23 Điểm làm việc cực đại của Pin mặt trời 16
24 Các phương pháp tìm điểm cực đại của pin mặt trời phổ biến 21
24.1
24.2
Phương pháp điện áp hằng số 21
Phương pháp P&O (Perturb and Observe) . 22
Chương 3 25.
CHỌN GIẢI THUẬT BỘ DÒ ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CỦA PIN MẶT
TRỜI .25
31 Phương pháp INC (Incremental Conductance) .25
32 Mô hình mô phỏng giải thuật .27
32.1
32.2
Mô hình Pin mặt trời . 28
Giải thuật INC . 31
Chương 4 33.
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 33
41 Mô hình pin mặt trời 33
42 Giải thuật MPPT 35
Chương 5 42.
KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM .42
51 Mô hình thực nghiệm .42
52 Kết quả thực nghiệm 50
Chương 6 54.
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 54
61 Kết luận 54
62 Hướng phát triển của đề tài 54
TÀI LIỆU THAM KHẢO 56
PHỤ LỤC


TÓM TẮT

Nghiên cứu này trình bày phương pháp tìm điểm làm việc có công suất cực đại của

pin mặt trời (MPPT) bằng giải thuật INC. Tác giả sử dụng MatlabSimulink/ để xây

dựng mô hình pin mặt trời và mô phỏng giải thuật và sử dụng thực nghiệm để kiểm

tra giải thuật.

Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy sự cần thiết phải sử dụng MPPT trong

hệ thống pin mặt trời và bằng việc sử dụng giải thuật INC, hệ thống đã nhanh

chóng đưa pin mặt trời vào làm việc tại điểm có công suất tối ưu.
ABSTRACT

This study presents the Maximum Power Point Tracking (MPPT) technique of

Photovoltaic by INC Algorithm. The author uses Matlab / Simulink for modeling

and simulation of solar cells and the Algorithm.

The simulation results and experiment shows the need to use MPPT solar system

and by using the INC algorithm, the system was quickly put photovoltaic to work at

optimum power point .



Chương 1

TỔNG QUAN


11 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong

và ngoài nước đã công bố

Ngày nay, nhu cầu sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo đang tăng lên mạnh

mẽ do bởi các nguồn năng lượng hoá thạch đang dần cạn kiệt và chúng gây ra

những hậu quả về môi trường như hiệu ứng nhà kính, lũ lut . Trong các nguồn

năng lượng tái tạo như năng lượng sinh khối, năng lượng địa nhiệt, gió, thuỷ điện

nhỏ, năng lượng mặt trời đang dần trở nên rất phổ biến bởi vì chúng có nhiều ưu

điểm trong phương pháp phát điện, chi phí bảo dưỡng thấp, an toàn cho người sử

dụng, không gây ô nhiễm môi trường và đặc biệt nguồn tài nguyên này cực kỳ lớn.

Tổng tiêu thụ năng lượng của con người trên thế giới hiện tại (tính tổng cộng

tất cả các loại năng lượng như dầu hoả, than đá, thuỷ điện, vv ) khoảng 15 nghìn tỷ

watt, tức là chỉ bằng khoảng 15000/ công suất dự trữ của năng lượng mặt trời cho

trái đất. Trong số 15 nghìn tỷ watt công suất năng lượng mà con người đang dùng,

thì có đến 37% là từ dầu hoả, 25% là than đá, và 23% là khí đốt (tổng cộng ba thứ

này đã đến 85%), là những nguồn năng lượng cạn kiệt nhanh chóng và không phục

hồi lại được .

Với tốc độ khai thác hiện tại, thì các nguồn năng lượng hoá thạch sẽ gần như

hết đi trong thế kỷ 21. Tương lai năng lượng của thế giới không thể nằm ở những

nguồn này, mà phải nằm ở những nguồn năng lượng tái tạo (renewable energy), ví

dụ như năng lượng gió và thuỷ năng. Nhưng tổng cộng dự trữ của tất cả các nguồn

khác này (trong đó chủ yếu là gió) chỉ bằng khoảng 1 phần trăm nguồn dự trữ năng

lượng mặt trời. Bởi vậy có thể nói tương lai năng lượng của thế giới chính là năng

lượng mặt trời.

Ở Việt Nam, vị trí địa lý đã ưu ái cho chúng ta một nguồn năng lượng tái tạo

vô cùng lớn, đặc biệt là năng lượng mặt trời. Nằm gần đường xích đạo, Việt Nam
nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao, năng lượng bức xạ
mặt trời trung bình đạt 4 đến 5kWhm2/ mỗi ngay[1`].

Tuy nhiên, với tiềm năng lớn song năng lượng mặt trời lại đang gặp những

rào cản lớn về kỹ thuật và các rào cản khác. Rào cản kỹ thuật là một trong những
thách thức lớn cho việc sử dụng pin mặt trời hiện nay do bởi giá thành cao và hiệu

suất chuyển đổi năng lượng còn thấp. Giá của một mô đun pin mặt trời khoảng

35$/Wp. và nếu tính cả chi phí lắp đặt hệ thống thì khoảng 7$/Wp dẫn đến giá

thành điện năng phát ra còn rất cao khoảng 025. – 065. $/kWh gấp gần 5 lần điện

năng phát ra dùng nguồn năng lượng hoá thạch [2]. Ngoài ra còn các rào cản khác

như thiếu sự hỗ trợ về chính sách của chính phủ, nhận thức của mọi người về năng

lượng, sự tham gia của các tổ chức cá nhân vào các dự án phát triển nguồn năng

lượng tái tạo.

Để khắc phục những rào cản đó, đặc biệt là liên quan đến giá thành và hiệu

suất của pin mặt trời rất nhiều giải pháp đã được thực hiện. Ví dụ như liên quan đến

giá thành của pin mặt trời, các nhà nghiên cứu và sản xuất đã phát triển công nghệ

sản xuất pin theo hướng hiện đại, liên quan đến việc cải thiện hiệu suất chuyển đổi

năng lượng có hai phương pháp chủ yếu đó là cải thiện hiệu suất của pin dựa trên

công nghệ sản xuất pin và cải thiện phương pháp sử dụng pin mặt trời.

Phương pháp thứ nhất, các nhà nghiên cứu đã và đang tìm ra rất nhiều các

phương pháp nhằm nâng cao hiệu suất của pin mặt trời như dùng vật liệu mới, thậm

chí là phương pháp phát điện mới. Phương pháp thứ hai có thể được thực hiện bằng

cách sử dụng bộ thu năng lượng tập trung để hút được bức xạ cực đại hoặc sử dụng

bộ dò điểm công suất cực đại để đảm bảo pin mặt trời luôn vận hành ở điều kiện tối

ưu và công suất pin sẽ đạt được cực đại.

Trên thế giới và trong nước đã có nhiều nghiên cứu về hệ thống pin mặt trời.

Chủ yếu về các lĩnh vực như:

Ổn định và nâng cao điện áp phát ra của hệ thống pin mặt trời [5,6]

Các phương pháp điều khiển nhằm đưa hệ thống pin mặt trời làm việc tại

điểm công suất cực đại [16-26].

Các phương pháp nghịch lưu nhằm cải thiện chất lượng điện trong hệ thống

năng lượng mặt trời [4-15].
Các phương pháp ngăn ngừa hiện tượng Islanding cho hệ thống pin năng

lượng mặt trời [12,13].

Các phương pháp điều khiển công suất tác dụng, công suất phản kháng và

dòng điện bơm vào lưới của hệ thống pin mặt trời nối lưới [12,13].


12 Mục đích của đề tài

Đề tài tập trung nghiên cứu các phương pháp tìm điểm làm việc cực đại của

pin mặt trời. Trên các đặc tuyến của pin mặt trời, tồn tại một điểm vận hành tối ưu

nơi mà công suất nhận được từ pin mặt trời là cực đại. Tuy nhiên, điểm vận hành

tối ưu này không cố định mà nó thay đổi theo các điều kiện môi trường đặc biệt là

bức xạ mặt trời và nhiệt độ pin. Vì vậy tìm điểm làm việc cực đại (MPPT) của pin

mặt trời là một phần không thể thiếu của hệ thống pin mặt trời để đảm bảo rằng các

mô đun pin mặt trời luôn vận hành trong điều kiện tối ưu.

Có rất nhiều phương pháp MPPT đã được nghiên cứu và công bố. Các

phương pháp khác nhau ở nhiều khía cạnh như mức độ phức tạp, thông số đo

lường, số lượng cảm biến yêu cầu, tốc độ chuyển đổi và giá thành. Đề tài sẽ nghiên

cứu các phương pháp MPPT. Mục đích của nghiên cứu của đề tài là đề xuất

phương pháp MPPT tối ưu với khả năng đáp ứng dưới các điều kiện môi trường

bức xạ thay đổi và có thể thực hiện mô hình vật lý với chi phí thấp.


13 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài

- Nghiên cứu phân tích mô hình pin mặt trời, phân tích các đặc tuyến I-V, P-

V của pin mặt trời, sự phụ thuộc các đặc tính của pin mặt trời dưới các điều kiện

môi trường.

- Phân tích tính cần thiết của điểm làm việc cực đại của pin mặt trời.

- Nghiên cứu các giải thuật MPPT của pin mặt trời, đề xuất phương pháp

MPPT khả dụng.

- Dùng phần mềm MatlabSimulink/ nghiên cứu mô hình mô dò tìm điểm

làm việc cực đại của phỏng pin mặt trời.
- Thiết kế thi công bộ MPPT kiểm tra giải thuật.


14 Phương pháp nghiên cứu

- Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu.

- Nghiên cứu các mô hình toán học của pin mặt trời. Đề nghị mô hình tính

toán cụ thể.

- Nghiên cứu bộ tăng áp DC- DC

- Thực hiện mô hình mô phỏng pin mặt trời và các giải thuật MPPT.

- Thiết kế thi công bộ MPPT kiểm tra giải thuật đề xuất.

- Phân tích các kết quả nhận được và các kiến nghị.

- Đánh giá tổng quát toàn bộ bản luận văn.

- Đề nghị hướng phát triển của đề tài.


15 Nội dung luận văn:

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Chọn giải thuật bộ dò tìm điểm công suất cực đại

Chương 4 : Kết quả mô phỏng

Chương 5: Kết quả thực nghiệm

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển của đề tài


Chương 2


CƠ SỞ LÝ THUYẾT





21 Mô hình pin mặt trời

Từ khi hiệu ứng quang điện được phát hiện bởi nhà vật lí Eđmun Becquere

năm 1838 và pin mặt trời đầu tiên được phát minh bởi Charles Fritts vào năm

1883, kỹ thuật pin mặt trời (PV) đã phát triển đáng kể. Sự phát triển đó là: cải

thiện hiệu suất chuyển đổi năng lượng, thúc đẩy quá trình sản xuất, giảm chi

phí sản xuất và thậm chí cũng giới thiệu của một số thế hệ mới của PV. Quá

trình phát triển kỹ thuật PV được mô tả trong hình 14 Hiện nay, hiệu suất cao

nhất của PV (khoảng 40%) đã đạt được trong phòng thí nghiệm. Tuy nhiên,

hiệu suất module PV thương mại còn thấp, khoảng 15%. Việc giảm chi phí sản

xuất lớn cũng đạt được.

Hiệu suất pin là tỉ số của năng lượng điện từ ánh sáng mặt trời. Vào buổi

trưa một ngày trời trong, ánh mặt trời toả nhiệt khoảng 1000 Wm²/. Trong đó,

10% hiệu suất của 1 module 1 m² cung cấp năng lượng khoảng 100 W. Hiệu

suất của pin mặt trời thay đổi từ 6% từ pin mặt trời làm từ silic không thù hình,

và có thể lên đến 30% hay cao hơn nữa, sử dụng pin có nhiều mối nối nghiên

cứu trong phòng thí nghiệm.

Có một số loại pin mặt trời như: đơn tinh thể, đa tinh thể, vô định hình,

nhiều mối nối, tế bào năng lượng mặt trời hữu cơ và pin mặt trời màng mỏng,

và một số loại khác.

Tuy nhiên, nhìn chung pin thương mại được phân thành 3 thế hệ:

a) Thế hệ đầu tiên: lát silic (đơn và đa tinh thể).

b) Thế hệ thứ hai: màng mỏng (cadmium telluride [CdTe], copper indium

gallium diselenide [CIGS], và amorphous silicon [a-Si]).

c) Thế hệ thứ ba: polymehứu cơ, quang điện hoá.
Pin mặt trời sản xuất trực tiếp điện một chiều (DC) khi hấp thụ photon từ

ánh sáng mặt trời. Có nhiều ứng dụng sử dụng điện DC từ các mo-đun^ này. Tuy

nhiên, hiện nay việc điện DC chuyển thành điện AC và hoà đồng bộ vào lưới

điện đang rất phát triển vì lợi ích và nhu cầu năng lượng. Nhìn chung, các ứng

dụng của pin mặt trời có thể được phân loại thành hai nhóm: nhóm độc lập và

hệ thống kết nối lưới điện.

Hệ thống độc lập thường được sử dụng trong khu vực vùng sâu, vùng xa, hải

đảo. Hệ thống này thường bao gồm một số thành phần: năng lượng mặt trời, ắc

quy dự trữ và bộ điều khiển. Biến tần cũng có thể được sử dụng để chuyển đổi

điện DC thành AC. Bộ điều khiển là thành phần quan trọng, đặc biệt là điều

khiển quá trình nạp, xả ắc quy dự trữ và ngăn chặn việc sạc quá mức hay xả quá

mức. Ban ngày, pin mặt trời cung cấp điện cho tải và sạc cho ắc quy dự trữ và

ban đêm chỉ có ắc quy cung cấp điện cho tải.

Về cấu tạo pin mặt trời bao gồm một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng

biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời thành điện nhờ hiệu ứng quang

điện được gọi là pin mặt trời. Khi ánh sáng chiếu tới pin mặt trời, năng lượng từ

ánh sáng (các photon) tạo ra các hạt mang điện tự do, được tách ra bởi điện

trường. Điện áp được tạo ra và đo được tại các điểm tiếp xúc bên ngoài, vì vậy

ta đo được giá trị dòng quang điện khi có tải kết nối vào. Dòng quang điện được

tạo ra trong pin mặt trời và tỷ lệ thuận với cường độ bức xạ.

Pin quang điện (pin mặt trời) tiêu biểu cho thiết bị chuyển đổi cơ bản năng

lượng mặt trời thành năng lượng điện. Cường độ nắng, nhiệt độ của tế bào

quang điện và điện áp vận hành ảnh hưởng lớn đến đặc tính công suất và dòng

điện ngõ ra của pin mặt trời.

Ngày nay, quang điện vẫn là nguồn năng lượng tương đối đắt tiền. Vì vậy,

điều quan trọng là phải sử dụng pin mặt trời đúng cách để đạt được công suất

tối đa. Để đạt được điều này, các tấm pin mặt trời thường được bố trí ở một vị

trí cố định và nghiêng về phía Nam để tối ưu hoá việc sản xuất năng lượng hàng

ngày và buổi trưa. Sự định hướng tấm pin cố định cần được chọn cẩn thận để


TÀI LIỆU THAM KHẢO




TIẾNG VIỆT
1. Viện khí tượng thuỷ văn: http://wwwịmhạcvn/.

2. First Solar Việt Nam – dự án công nghệ cao đầu năm 2011,

http://wwwhepzạhochiminhcitỵgov.vn.

3Đăng. Đình Thống “Cơ sở năng lượng mới và tái tao”. Nhà xuất bản khoa học kỹ

thuật. 2006

TIẾNG NƯỚC NGOÀI
4. Jeyraj Selvaraj and Nasrudin A. RahimMultilevel’ Inverter For Grid-Connected

PV System Employing Digital PI Controller’ IEEE TRANSACTIONS ON

INDUSTRIAL LECTRONICS, VOL. 56, NO. 1, JANUARY 2009 .

5. Syafrudin Masri, Pui-Weng Chan ‘Development of a microcontroller – based

boost converter for photovoltaic systém ISSN 1450-216X Vol41. No1. (2010).

6. Ahmed A. A. Hafez ‘Simple maximum power point contronller for single –

phase grid connected PV systém Cairo University, Egypt, December 19-21, 2010,

paper ID 123.

7. Jae Ho Lee , HyunSu Bae and Bo Hyung Cho “Advanced Incremental
Conductance MPPT Algorithm with a Variable Step Size” - Seoul National
University School of Electrical Engineering and Computer Science, Seoul, Korea-
2009
8. Marcio Mendes Casarơ, Denizar Cruz Martins Power Electronics Institute,

Federal University of Santa Catarina ‘Grid-Connected PV System: Introduction to

Behavior Matchíng

9. ẠPS. Ramalakshmi ‘Comparision of solar panel power under varying load and

irradiance conditions’

10. Jing Li , Fang Zhuo , Xianwei Wang , Lin Wang , Song Ni ‘A Grid-Connected

PV System with Power Quality Improvement Based on Boost + Dual-Level Four-

Leg Inverter’
11. Samatcha Phuttapatimok, Anawach Sangswang, Member, IEEE, and

Krissanapong Kirtikara ’ Effects on Short Circuit Level of PV Grid-Connected

Systems under Unintentional Islandíng

12. Fei Wang, Chengcheng Zhang, Zengqiang Mi ’ Anti-islanding Detection and

Protection for Grid connected PV System Using Instantaneous Power Theorý

13. Fei Wang, Zengqiang Mi ‘Passive Islanding Detection Method for Grid

Connected PV Systém 2009 International Conference on Industrial and

Information Systems.

14. MB Bana Sharifian ‘Single-Stage grid connected photovoltaic system with

Reactive power control and adaptive predictive current controller’ Journal of

applied sciences 9 (8): 1593-1509, 2009.

15. N. Hamrouni and ACherif. ‘Modelling and control of a grid connected
photovoltaic systém Revue des Energies Renouvelables Vol. 10 No3 September

2007).

16. Roberto F. Coelho, Filipe M. Concer, Denizar C. Martins ‘A MPPT Approach

Based on Temperature Measurements Applied in PV Systems’ Electrical

Engineering Departament, Power Electronics Institute, Federal University of Santa

Catarina, PỌ. 5119 - Florianopolis', SC 88040-970, Brazil

17Vocational. School of Technical Studies, Marmara University, Kadıkoy, 34722

Istanbul, Turkey ‘Recent Developments inMaximumPower Point Tracking

Technologies for Photovoltaic Systems’

18. Ibrahim, H. E-S A. and Houssiny, F. F., “Microcomputer Controlled Buck

Regulator for Maximum Power Point Tracker for DC Pumping System Operates

from Photovoltaic System,” Proceedings of the IEEE International Fuzzy Systems

Conference, August 22-25,Vol. 1, pp. 406-411 (1999).

19. Jawad Ahmad, and Hee-Jun Kim “A Voltage Based Maximum Power Point

Tracker for Low Power and Low Cost Photovoltaic Applications” World Academy

of Science, Engineering and Technology 60 2009
20. Masoum, Mohammad A. S. Dehbonei, Hooman, “Design, Construction and

Testing of a Voltage-based Maximum Power Point Tracker (VMPPT) for Small

Satellite Power Supply” SSC99-XII-7

21. Enslin, J. H. R. and Snyman, D. B., “Simplified Feed-Forward Control of the

Maximum Power Pont in PV Installations” Proceedings of the IEEE International

Conference on Power Electronics Motion Control, Vol1., pp. 548-553 (1992).

22Sreẹ Manju B, Ramaprabha R, Mathur BL. “Design and Modeling of

Standalone Solar Photovoltaic Charging System”International Journal of Computer

Applications (0975 – 8887) Volume 18– No2., March 2011

23. Mayssa Farhat, Lassaad^ Sbita “Advanced Fuzzy MPPT Control Algorithm

for Photovoltaic Systems ” Science Academy Transactions on Renewable Energy

Systems Engineering and Technology Vol. 1, No. 1, March 2011

24. Mohamed Salhi, Rachid El-Bachtri “Maximum Power Point Tracker using

Fuzzy Control for Photovoltaic System” International Journal of Research and

Reviews in Electrical and Computer Engineering (IJRRECE) Vol. 1, No. 2, June

2011, ISSN: 2046-5149

25. R. Belaidi, M. Fathi, A. Hađouche, A. Chikouche, G. Mohand Kaci and Z.

Smara, “ Study and Simulation of a Mppt controller based on Fuzzy logic

controller for photovoltaic system” IGEC-VI-2011-208

26Theodoros. L. Kottas, Athanassios D. Karlis, “New Maximum Power Point

Tracker for PV Arrays Using Fuzzy Controller in Close Cooperation With Fuzzy

Cognitive Networks” IEEE TRANSACTIONS ON ENERGY CONVERSION,

VOL. 21, NO. 3, SEPTEMBER 2006

27. Huan-Liang Tsai “Insnolation oriented model of PV using MatlabSimulink”/

Solar Energy 1318-1326