Luận văn Khảo sát thuật toán do tìm điểm công suất cực đại (MPPT) và bộ chuyển đổi DC – DC, DC – AC (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Khảo sát thuật toán do tìm điểm công suất cực đại (MPPT) và bộ chuyển đổi DC – DC, DC – AC (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÝ CÔNG NGUYÊN KHẢO SÁT THUẬT TOÁN DÒ TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI (MPPT) VÀ BỘ CHUYỂN ĐỔI DC-DC,S K C 0 0 3 9 5 9 DC-AC NGÀNH : THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250 S KC 0 0 3 9 6 5 Tp. Hồ Chí Minh, 2013
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÝ CÔNG NGUYÊN KHẢO SÁT THUẬT TOÁN DÕ TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI (MPPT) VÀ BỘ CHUYỂN ĐỔI DC-DC, DC-AC NGÀNH : THIẾT BỊ MẠNG - 605250 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04 /2013
3. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÝ CÔNG NGUYÊN KHẢO SÁT THUẬT TOÁN DÕ TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI (MPPT) VÀ BỘ CHUYỂN ĐỔI DC-DC, DC-AC NGÀNH : THIẾT BỊ MẠNG - 605250 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04 /2013
4. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: LÝ CÔNG NGUYÊN Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 21/10/1983 Nơi sinh: Phú yên Quê quán: Phú Yên Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 45 Mai Xuân Thưởng, Phường 5, TP Tuy Hòa, tỉnh Phú Yên. Điện thoại cơ quan: ĐT nhà: 0573893689 Fax: E-mail: II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ / đến / Nơi học (trường, thành phố): Ngành học: 2. Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2002 đến 05/ 2007 Nơi học (trường, thành phố): Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM Ngành học: Điện khí hóa & cung cấp điện ( ĐKC ) III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 2007 – đến nay Trường Cao Đẳng Công Nghiệp Tuy Hòa Giáo viên i
5. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tp. Hồ Chí Minh, ngày 07 tháng 04 năm 2013 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Lý Công Nguyên ii
6. LỜI CẢM TẠ Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS. NGUYỄN HỮU PHÚC, người thầy đã đề ra phương hướng, hết lòng chỉ bảo, tận tình hướng dẫn và dìu dắt trong suốt thời gian tôi học tập và thực hiện luận văn tốt nghiệp này. Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô trong ban Giám Hiệu, Ban chủ nhiệm Khoa Điện – Điện tử, Phòng Đào tạo sau đại học và thư viện Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM, đã nhiệt tình giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp này. Xin cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp và các bạn học cùng khóa, đã giúp đỡ , động viên, góp ý xây dựng trong thời gian nghiên cứu, học tập và thực hiện luận văn này. Xin kính chúc sức khỏe và chân thành cảm ơn ! Tp. Hồ Chí Minh, ngày 07 tháng 04 năm 2013 Học viên thực hiện Lý Công Nguyên iii
7. TÓM TẮT Năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng được xem như là một nguồn năng lượng sạch và vô tận, vì thế song song với nguồn năng lượng gió, năng lượng mặt trời đã nổi lên như là một nguồn năng lượng phổ biến nhất hiện nay thay thế các năng lượng truyền thống, để đáp ứng nhu cầu ngày càng thiếu năng lượng. Tuy nhiên, một hạn chế lớn của hệ thống quang điện (PV) là nó có hiệu suất thấp và vô hiệu vào ban đêm hoặc trong thời gian sư ̣ chiếu nắng thấp hoặc trong điều kiện bị bóng che một phần. Chi phí vốn ban đầu cao cũng là một vấn đề khác trong việc hạn chế phổ biến hệ thống PV. Để nâng cao công suất và giảm chi phí bắt buộc nguồn PV phải hoạt động tại điểm công suất tối đa như thế công suất tối đa mới có thể được trích xuất. Luận văn đã làm được: - Xây dựng thuật toán và mô phỏng thành công các thuật toán tìm điểm công suất cực đại P&O, thuật toán tăng tổng dẫn, thuật toán tỷ lệ điện áp hở mạch. - Mô phỏng thành công mô hình gồm hệ thống pin mặt trời, thuật toán tìm điểm công suất cực đại kết hợp với bộ biến đổi DC/DC và DC/AC. - Từ những kết quả nhận được của các phương pháp khảo sát đưa ra nhận xét về ưu điểm, khuyết điểm của từng phương pháp để có lựa chọn chính xác cho từng lĩnh vực ứng dụng cụ thể. iv
8. ABSTRACT Energy solar is considered a pollution-free energy and endless. So together winding energy, solar have emerged as one of the most popular alternatives to conventional energy, Satisfy the ever-increasing demand for low-energy. However, a major drawback of the Photovoltaic (PV) source is its low-effect and ineffectiveness during the nights or low insolation periods or during partially shaded conditions. High initial capital cost has been another problem in the popularity of PV systems.To increase power and decrease cost, it is imperative to operate the PV source at Maximum Power Point so that maximum power can be extracted. This thesis has been: - Construction algorithms and simulation algorithms to find the maximum power point P & O, the algorithm increases the total lead, the open circuit voltage ratio algorithm. - Successful simulation model of the solar system, the maximum power point algorithm combined with converters DC / DC and DC / AC. - From the results of the survey method to make comments on the advantages and disadvantages of each method to get the correct choice for each specific application areas. v
9. MỤC LỤC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan ii Cảm tạ iii Tóm tắt iv Mục lục vii Danh sách các chữ viết tắt x Danh sách các hình xi Danh sách các bảng xv Chƣơng 1. TỔNG QUAN 1 1.1 Tính cần thiết của đề tài. 1 1.2 Pin quang điện (PV). 2 1.3 Hệ pin mặt trời làm việc độc lập. 5 1.3.1 Thành phần lưu giữ năng lượng. 6 1.3.2 Các bộ biến đổi bán dẫn trong hệ PV. 6 1.4 Các nghiên cứu khoa học có liên quan. 10 1.5 Nhược điểm của các nghiên cứu khoa học. 11 1.6 Nhiệm vụ của luận văn 12 1.7 Phạm vi nghiên cứu 12 1.8 Phương pháp nghiên cứu 12 1.9 Giá trị thực tiễn của đề tài 13 Chƣơng 2.CƠ SỞ LÝ THUYẾT 14 2.1 Pin mặt trời, cấu tạo và nguyên lý hoạt động. 14 2.1.1 Cấu tạo 14 2.1.2 Nguyên lý hoạt động 14 vi
10. 2.1.3 Đặc tính làm việc của pin mặt trời 17 2.2 Các bộ biến đổi bán dẫn trong hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập 20 2.2.1 Bộ biến đổi DC/DC 20 2.2.1.1 Các loại bộ biến đổi DC/DC 21 2.2.1.2 Điều khiển bộ biến đổi DC/DC 26 2.2.2 Bộ biến đổi DC/AC. 27 2.3 Phương pháp dò tìm điểm công suất cực đại MPPT 28 2.3.1 Giới thiệu chung 28 2.3.2 Nguyên lý cân bằng tải 30 2.3.3 Thuật toán xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất MPPT 31 2.3.3.1 Thuật toán nhiễu loạn và quan sát P&O 32 2.3.3.2 Thuật toán P&O trong điều kiện dãy PV bị bóng che một phần 33 2.3.4 Phương pháp điều khiển MPPT. 34 2.3.4.1 Phương pháp điều khiển trực tiếp. 34 2.3.4.2 Phương pháp điều khiển đo trực tiếp tín hiệu ra. 35 2.3.5 Giới hạn của MPPT. 37 2.4 Bộ lưu giữ năng lượng 37 2.4.1 Các loại ắc quy. 38 2.4.1.1 Ắc quy chì – axit 38 2.4.1.2 Ắc quy kiềm 39 2.4.2 Các đặc tính của ắc quy. 39 2.4.2.1 Dung lượng (ký hiệu là C) 39 2.4.2.2 Điện áp ngưỡng thấp nhất 39 2.4.2.3 Điện áp hở mạch 40 2.4.3 Chếđộ làm việc của ắc quy (xét ắc quy chì - axit) 40 2.4.3.1 Nạp ắc quy 40 2.4.3.2 Ắc quy phóng 40 2.4.4 Các chế độ của bộ nguồn nạp ắc quy 41 2.4.4.1 Nạp với dòng không đổi 41 vii
11. 2.4.4.2 Nạp với áp không đổi 41 2.4.4.3 Nạp nổi 42 Chƣơng 3. PHƢƠNG PHÁP 43 DÕ TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰA ĐẠI (MPPT) 3.1 Điểm công suất cực đại 43 3.2. Giải thuật P&O (Perturb & Observe) 45 3.2.1 Lưu đồ giải thuật P&O 47 3.2.2 Mô phỏng giải thuật P&O bằng Matlab 47 3.2.3 Nhược điểm của giải thuật P&O 48 3.3 Giải thuật P&O cải tiến 50 3.3.1 Lưu đồ giải thuật P&O cải tiến 52 3.3.2 Mô phỏng giải thuật P&O cải tiến bằng Matlab 53 3.4 Phương pháp điều khiển điện áp hở mạch 54 3.4.1 Lưu đồ giải thuật điều khiển điện áp hở mạch 55 3.4.2 Mô phỏng giải thuật điều khiển điện áp hở mạch 56 3.5 Phương pháp tăng tổng dẫn 58 3.5.1 Lưu đồ giải thuật tăng tổng dẫn 59 3.5.2 Mô phỏng giải thuật tăng tổng dẫn 61 3.6 Nhận xét chung 62 3.6.1 Ưu điểm 62 3.6.2 Khuyết điểm 62 3.6.2.1 Đối với giải thuật P&O cải tiến 62 3.6.2.2 Đối với thuật toán điều khiển điện áp hở mạch 63 3.6.2.3 Đối với thuật toán tăng tổng dẫn 63 Chƣơng 4. BỘ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƢỢNG 64 TỪ DC – DC, DC – AC KẾT HỢP MPPT 4.1 Bộ chuyển đổi năng lượng từ DC – DC kết hợp MPPT 64 viii
12. 4.1.1 Buck_Boost Converter (Bộ tăng, giảm áp DC) 64 4.1.2 Kết nối MPPT (Xác định điểm làm việc cựa đại) 66 4.1.2.1 Khảo sát ảnh hưởng của MPPT 68 4.1.2.2 Mô phỏng MPPT và kết quả 71 4.2 Bộ chuyển đổi năng lượng từ DC – AC 72 4.2.1 Lý thuyết về phương pháp điều rộng xung PWM 72 4.2.2 Bộ nghịch lưu áp một pha 74 4.2.2.1 Bộ nghịch lưu áp một pha dạng cầu 75 4.2.2.2 Mô phỏng bộ nghịch lưu áp một pha 78 4.2.3 Bộ nghịch lưu áp ba pha 79 4.2.3.1 Phân tích điện áp bộ nghịch lưu áp ba pha 80 4.2.4 Mô phỏng theo phương pháp P&O 82 4.2.5 Mô phỏng theo phương pháp tăng tổng dẫn 83 4.2.6 Mô phỏng theo phương pháp tỷ lệ điện áp hở mạch 85 4.2.7 Nhận xét chung 86 Chƣơng 5. KẾT LUẬN 88 5.1 Kết luận 88 5.2 Hướng phát triển của đề tài 88 TÀI LIỆU THAM KHẢO 90 PHỤ LỤC 92 ix
13. DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT GP : ( Global Peaks) đỉnh công suất lớn nhất trong các đỉnh công suất. Local Peaks : Những đỉnh công suất nhưng không phải là lớn nhất. MPP : ( Maximum Power Point ) điểm làm việc mà tại đó công suất thu được cực đại. MPPT : ( Maximum Power Point Tracking ) dò tìm điểm làm việc có công suất cực đại P&O : ( Perturb & Observe ) thuật toán quan sát và nhiễu loạn để đạt đến điểm cực đại. PV : (photovoltaic) pin quang điện, biến quang năng thành điện năng. x
14. DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1: Sơ đồ tương đương của pin mặt trời 2 Hình 1.2: Đường đặc tính làm việc V – I của pin mặt trời 2 Hình 1.3: Mắc nối tiếp hoặc song song các pin mặt trời tạo thành tấm hay 3 kết nối các tấm pin lại tạo thành dãy để đạt công suất cao hơn. Hình 1.4: Khi mắc nối tiếp các tấm pin mặt trời, dòng ngắn mạch của hệ 4 thống sẽ bằng dòng ngắn mạch của một tấm, áp hở mạch của hệ thống bằng tổng áp hở mạch của tất cả tấm pin mặt trời trong hệ thống. Hình 1.5: Khi mắc song song các tấm pin mặt trời, dòng ngắn mạch của 4 hệ thống sẽ bằng tổng dòng ngắn mạch của tất cả tấm pin mặt trời trong hệ thống, áp hở mạch của hệ thống bằng áp hở mạch của một tấm. Hình 1.6: Sơ đồ khối hệ quang điện làm việc độc lập 5 Hình 1.7: Bộ điều khiển MPPT trong hệ thống pin mặt trời 7 Hình 1.8: Đường cong đặc tính I – V và P - V hệ thống pin mặt trời 8 Hình 1.9: Những đường cong đặc tính I – V và đặc tính tải khi cường 9 độ bức xạ thay đổi Hình 1.10: (a)mô hình dãy bị bóng che.(b) đặc tính I – V.(c) đặc tính P – V 9 Hình 1.11: Đường cong đặc tính P – V thay đổi khi dãy PV bị bóng che 10 Hình 2.1: Cấu tạo của pin mặt trời 13 Hình 2.2: Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 13 Hình 2.3: Hệ thống 2 mức năng lượng trong đó E1 < E2 14 Hình 2.4: Các vùng năng lượng 14 Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 16 Hình 2.6: Đường đặc tính làm việc V – I của pin mặt trời 17 Hình 2.7: Sơ đồ tương đương của pin mặt trời 17 Hình 2.8: Đường cong đặc trưng V - I của pin mặt trời 18 phụ thuộc vào cường độ bức xạ Mặt trời. xi
15. Hình 2.9: Đường cong đặc tính V - I của pin mặt trời phụ thuộc vào nhiệt 19 độ của pin Hình 2.10: Đường đặc tính tải và đặc tính của pin mặt trời 19 Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý bộ giảm áp Buck 21 Hình 2.12: Dạng sóng điện áp và dòng điện của mạch Buck 21 Hình 2.13: Sơ đồ nguyên lý mạch Boost 23 Hình 2.14: Dạng sóng dòng điện của mạch Boost 23 Hình 2.15: Sơ đồ nguyên lý mạch Buck – Boost 24 Hình 2.16: Mạch vòng điều khiển điện áp 25 Hình 2.17: Mạch vòng dòng điện phản hồi 26 Hình 2.18: Bộ biến đổi DC/AC 1 pha dạng nửa cầu và hình cầu 26 Hình 2.19: Sơ đồ cấu trúc bộ nghịch lưu kiểu Full-bridge 27 Hình 2.20: Sơ đồ cấu trúc bộ nghịch lưu kiểu Half-bridge 27 Hình 2.21: Ví dụ tấm pin mặt trời được mắc trực tiếp với một tải thuần trở 28 có thể thay đổi giá trị điện trở được Hình 2.22: Đường đặc tính làm việc của pin và của tải thuần trở có giá trị 28 điện trở thay đổi được Hình 2.23: Tổng trở vào Rin được điều chỉnh bằng D 30 Hình 2.24: Đường đặc tính làm việc I – V của pin khi cường độ bức xạ 30 thay đổi ở cùng một mức nhiệt độ Hình 2.25: Đặc tính làm việc I – V của pin khi nhiệt độ thay đổi ở cùng 31 một mức cường độ bức xạ Hình 2.26: Thuật toán dò tìm điểm làm việc công suất lớn nhất P&O 31 Hình 2.27: Đường cong P – V trong điều kiện dãy PV bị bóng che một phần 32 Hình 2.28: Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển trực tiếp MPPT 33 Hình 2.29: Mối quan hệ giữa tổng trở vào của mạch Boost và 34 hệ số làm việc D Hình 2.30: Lưu đồ thuật toán P&O dùng trong phương pháp điều khiển 35 đo trực tiếp tín hiệu ra xii
16. Hình 3.1: Các trường hợp hở mạch (a), ngắn mạch (b), và kết nối tải (c) 44 Hình 3.2: Đồ thị V-A và công suất 44 Hình 3.3: Đồ thị xác định MPP 45 Hình 3.4: Đặc tính công suất phụ thuộc vào điện áp đầu ra 46 Hình 3.5: Lưu đồ giải thuật P&O 47 Hình 3.6: Mô phỏng bằng Matlab simulink giải thuật P&O 48 Hình 3.7: Kết quả mô phỏng thuật toán P&O khi chiếu độ không đổi 48 Hình 3.8: Kết quả mô phỏng thuật toán P&O khi chiếu độ thay đổi 49 Hình 3.9: Hệ Pin PV phát năng lượng về lưới điện 49 Hình 3.10: Khi chiếu độ thay đổi điểm công suất cực đại 50 sẽ sai theo giải thuật P&O Hình 3.11: Cấu tạo một Cell PV 51 Hình 3.12: Đặc tuyến I-P của PV khi chiếu độ thay đổi 53 Hình 3.13: Lưu đồ giải thuật P&O cải tiến 53 Hình 3.14: Mô phỏng bằng Matlab simulink giải thuật P&O cải tiến 54 Hình 3.15: Kết quả mô phỏng thuật toán P&O khi chiếu độ không đổi 55 Hình 3.16: Kết quả mô phỏng thuật toán P&O khi chiếu độ thay đổi 55 Hình 3.17: Lưu đồ tỷ lệ điện áp mở mạch 57 Hình 3.18: Mô phỏng bằng Matlab simulink giải thuật điều khiển điện áp hở mạch 58 Hình 3.19: Kết quả mô phỏng thuật toán điều khiển điện áp hở mạch 59 chiếu độ không đổi Hình 3.20: Kết quả mô phỏng thuật toán điều khiển điện áp hở mạch 59 chiếu độ không đổi Hình 3.21: Đặc tuyến đường cong công suất PV 59 Hình 3.22: Mô phỏng bằng Matlab simulink giải thuật tăng tổng dẫn 61 Hình 3.23: Kết quả mô phỏng thuật toán tăng tổng dẫn chiếu độ không đổi 61 Hình 3.24: Kết quả mô phỏng thuật toán tăng tổng dẫn chiếu độ thay đổi 62 Hình 3.25: Sự giao động của điểm MPP với phương pháp P&O cải tiến 63 xiii
17. Hình 4.1: Những đường cong đặc tính I – V và P – V của một module khi 64 cường độ bức xạ thay đổi từ 400W/m2 đến 1000W/m2 Hình 4.2: Những đường cong đặc tính I – V và P – V của một module khi 64 nhiệt độ thay đổi từ 0 đến 75oC Hình 4.3: Sự thay đổi cường độ bức xạ theo thời gian trong ngày 65 (số liệu ghi nhận chỉ có tính tương đối) Hình 4.4: Kết quả mô phỏng thuật toán P&O khi cường độ bức xạ 67 thay đổi từ 200 W/m2 đến 1000W/m2 Hình 4.5: Những đường cong đặc tính I – V và P – V của 68 hai tập hợp con trong nhóm1 Hình 4.6: Những đường cong đặc tính I – V và P – V của 68 hai tập hợp con trong nhóm 2 Hình 4.7: Những đường cong đặc tính I – V và P – V của 69 một tập hợp con trong nhóm 3 Hình 4.8: Những đường cong đặc tính I – V và P – V của mỗi tập 69 hợp nối tiếp trong mỗi nhóm từ 1 đến 3 Hình 4.9: Những đường cong đặc tính I – V và P – V của mỗi nhóm 70 từ 1 đến 3 Hình 4.10: Những đường cong đặc tính I – V và P – V của một dãy PV 71 Hình 4.11: Những đường cong đặc tính P – V, tập hợp nối tiếp, nhóm, dãy 73 trong hình 4.8, hình 4.9, hình 4.10, Hình 4.12: Kết quả mô phỏng thuật toán P&O dưới điều kiện dãy 75 PV bị bóng che một phần Hình 4.13: Những đường cong đặc tính I – V và P – V 75 của hai tập hợp con trong nhóm 1. Hình 4.14: Những đường cong đặc tính I – V và P – V 78 của hai tập hợp con trong nhóm 2. Hình 4.15: Những đường cong đặc tính I – V và P – V 80 của hai tập hợp con trong nhóm 3. xiv
18. Hình 4.16: Những đường cong đặc tính I – V và P – V 81 của hai tập hợp con trong nhóm 4. Hình 4.17: Những đường cong đặc tính I – V và P – V 81 của một tập hợp con trong nhóm 5. Hình 4.18: Mô phỏng bằng Matlab simulink theo phương pháp P&O 82 Hình 4.19: Điện áp nghịch lưu U a 0 và dòng điện pha ia 83 Hình 4.20: Dòng điện sau khi qua bộ lọc 83 Hình 4.21: Mô phỏng bằng Matlab simulink theo phương pháp tổng dẫn 84 Hình 4.22: Điện áp nghịch lưu và dòng điện pha 84 Hình 4.23: Dòng điện sau khi qua bộ lọc 85 Hình 4.24: Mô phỏng bằng Matlab simulink theo phương pháp điện áp hở mạch 86 Hình 4.25: Điện áp nghịch lưu và dòng điện pha 86 Hình 4.26: Dòng điện sau khi qua bộ lọc 87 xv
19. Chương 1 Tổng quan Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tính cần thiết của đề tài. Nguồn năng lượng đóng vai trò quyết định nền văn minh của nhân loại. Các nguồn năng lượng hóa thạch (dầu lửa, than đá) hiện nay đang được sử dụng phổ biến nhưng lại gây ô nhiễm môi trường và sẽ cạn kiệt trong một tương lai gần. Nguồn năng lượng nguyên tử thì không an toàn. Trong khi đó mặt trời cung cấp một nguồn năng lượng vô cùng tận và gần như hoàn toàn miễn phí cũng như không sản sinh ra chất thải hủy hoại môi trường. Tuy nhiên năng lượng mặt trời vẫn còn đang trong thời kỳ đầu của những ứng dụng vì nó đòi hỏi những đầu tư rất lớn cho thiết bị nhưng lại chỉ chuyển hóa được một lượng rất nhỏ năng lượng từ mặt trời sang dạng hữu ích. Hơn nữa, năng lượng mặt trời lệ thuộc vào điều kiện tự nhiên, không đủ ổn định để những thiết bị điện và điện tử có thể sử dụng một cách an toàn và hiệu quả. Tận dụng tốt nguồn năng lượng này, phần lớn sẽ giải quyết được bài toán năng lượng của nhân loại. Để sản xuất điện mặt trời người ta thường sử dụng 2 công nghệ: nhiệt mặt trời và pin quang điện : - Nhiệt mặt trời: năng lượng mặt trời được hội tụ nhờ hệ thống gương hội tụ để tập trung ánh sáng mặt trời tạo thành nguồn nhiệt có nhiệt độ cao làm bốc hơi nước, hơi nước sinh ra làm quay tuabin để sản xuất ra điện năng - Pin quang điện: được chế tạo từ các chất bán dẫn. Điện năng được sinh ra khi có ánh sáng mặt trời chiếu đến. Các tế bào quang điện có khả năng thể hiện chức năng này bằng cách nhận năng lượng mặt trời tách electron ra khỏi tinh thể bán dẫn tạo thành dòng điện. Như vậy các tế bào quang điện dùng mặt trời là nguồn nhiên liệu. Ở đây ta tập trung vào lĩnh vực thứ nhất , tức biến đổi trực tiếp quang năng thành điện năng. Tuy nhiên nó có công suất không lớn và giá thành còn quá đắt. Do Luận văn thạc sĩ 1 Lý Công Nguyên
20. Chương 1 Tổng quan đó để nâng cao công suất và giảm chi phí, thì ta phải đi nghiên cứu các phương pháp sao cho công suất của nguồn năng lượng mặt trời thu được là lớn nhất, từ đó thiết kế và điều khiển tối ưu các bộ thu năng lượng mặt trời. Đề tài này cho ta cái nhìn tổng quan về hệ năng lượng mặt trời với các phương pháp để thu được công suất cực đại trong hệ năng lượng mặt trời và bộ chuyển đổi năng lượng DC – DC, DC – AC. 1.2 Pin quang điện (PV). Pin quang điện sử dụng chất bán dẫn để biến đổi quang năng thành điện năng. Kỹ thuật tạo pin PV rất giống với kỹ thuật tạo ra các linh kiện bán dẫn như transistor, diode Pin quang điện là thiết bị ứng dụng hiệu ứng quang điện trong bán dẫn (thường gọi là hiệu ứng quang điện bên trong) để tạo ra dòng điện một chiều từ ánh sáng mặt trời. Nguyên liệu dùng làm pin PV cũng giống như các linh kiện bán dẫn khác thông thường là tinh thể silicon thuộc nhóm IV. Hình 1.1 Sơ đồ tương đương của pin mặt trời Luận văn thạc sĩ 2 Lý Công Nguyên
21. Chương 1 Tổng quan Hình 1.2 Đường đặc tính làm việc V – I của pin mặt trời - Tấm pin (12-V module) gồm có 36 tế bào đôi khi chỉ là 33 tế bào. - Tấm pin (24-V module) gồm có 72 tế bào là sự ghép song song 2 khối 12-V module. - Một bảng gồm nhiều khối kết hợp lại với nhau. Ghép sao cho phát ra dòng và áp đảm bảo nhu cầu người tiêu dùng. Qua những tấm pin mặt trời, năng lượng mặt trời được chuyển hoá thành điện năng. Mỗi tấm pin mặt trời cung cấp một lượng nhỏ năng lượng, nhưng nhiều tấm pin được đặt trải dài trên một diện tích lớn tạo nên nguồn năng lượng lớn hơn đủ để các thiết bị điện sử dụng. Mỗi tấm pin mặt trời có công suất khác nhau như: 30Wp, 40Wp, 45Wp, 50Wp, 75Wp, 100Wp, 125Wp, 150Wp. Điện áp của các tấm pin thường là 12VDC. Công suất và điện áp của hệ thống tuỳ thuộc vào cách ghép nối các tấm pin lại với nhau. Nhiều tấm pin mặt trời có thể ghép nối tiếp hoặc song song với nhau để tạo thành một dàn pin mặt trời (array). Để đạt được hiệu năng tốt nhất, những tấm pin phải luôn được phơi nắng và hướng trực tiếp đến mặt trời. Hiệu suất thu được điện năng từ pin mặt trời ở các vùng miền vào các giờ trong ngày là khác nhau, do bức xạ mặt trời trên bề mặt trái đất không đồng đều nhau. Hiệu suất của pin mặt trời phụ thuộc vào nhiều yếu tố: - Chất liệu bán dẫn làm pin. - Vị trí đặt các tấm panel mặt trời - Thời tiết khí hậu, mùa trong năm. Luận văn thạc sĩ 3 Lý Công Nguyên