Tìm điểm công suất cực đại cho mảng pin quang điện khi bức xạ mặt trời thay đổi

Nội dung text: Tìm điểm công suất cực đại cho mảng pin quang điện khi bức xạ mặt trời thay đổi

1. TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CHO MẢNG PIN QUANG ĐIỆN KHI BỨC XẠ MẶT TRỜI THAY ĐỔI MAXIMUM POWER POINT TRACKING FOR PHOTOVOLTAIC ARRAY UNDER SOLAR RADIATIONCHANGING (1)Quyền Huy Ánh,(2)Nguyễn Thái Hoàng Long (1)ĐHSPKT TP.HCM, (2)HV cao học Kỹ thuật điện (khóa 2011-2013B)-ĐHSPKTTP.HCM TÓM TẮT Bài báo trình bày phương án tối ưu trong việc xác định điểm công suất cực đại (MPPT) của mảng pin quang điện khi bức xạ môi trường thay đổi. Tác giả đã thực hiện nghiên cứu mô phỏng và so sánh kết quả của việc gắn từng bộ dò tìm điểm công suất cực đại MPPT cho từng pin và cho cả mảng pin. Kết quả mô phỏng cho thấy phương án gắn từng bộ dò tìm điểm công suất cực đại cho từng pin sẽ tối ưu hơn trong việc nâng cao hiệu suất của pin và cũng như thời gian quá độ để pin đạt điện áp làm việc sẽ ngắn lại. Từ khóa: pin quang điện, điểm công suất cực đại, MPPT,bức xạ ABSTRACT This thesis presents optimal method of maximum power point tracking (MPPT) for photovoltaic array when the radiation changes. The author has done simulating and comparing the results of each configuation of MPPT for both photovoltaic cell and photovoltaic array. The result of simulation shows that the mothod of configuation equip a MPPT for each photovolataic cell is superior in improving the performance as well as reducing the transition time to working stabily. Key words: photovoltaic, maximum power point, MPPT, radiation I. GIỚI THIỆU mặt trời trung bình đạt từ 4kWh/m2/ngày – Pin quang điện là một thiết bị chuyển đổi từ 5kWh/m2/ngày. năng lượng mặt trời sang điện năng. Hiện nay, điện năng trên thế giới được lấy từ nhiều Thực tế, pin quang điện hoạt động luôn gặp nguồn khác nhau: năng lượng hóa thạch phải những điều kiện khác nhau, thay đổi theo chiếm 68%, năng lượng hạt nhân chiếm 12%, thời gian trong ngày hoặc trong năm. Chính thủy điện chiếm 15% và năng lượng gió những thay đổi đó sẽ dẫn đến sự thay đổi chiếm 2% và các nguồn năng lượng khác trong đặc tính của pin quang điện, từ đó làm (gồm năng lượng mặt trời) chiếm 2%. Tuy thay đổi điểm làm việc của pin quang điện nhiên, đứng trước bối cảnh về ô nhiễm môi (không còn ở điểm công suất cực đại nữa). trường và biến đổi khí hậu ngày càng gia Điều này sẽ làm giảm hiệu suất của pin. tăng, các nguồn điện được lấy từ mặt trời đang được chú trọng và ưu tiên phát triển trên Bài báo này nhằm giúp xác định tốt điểm làm thế giới với tốc độ trung bình là 25%/năm, việc cực đại của pin quang điện khi pin quang bởi vì tính ưu việc về hạn chế ảnh hưởng tiêu điện hoạt động trong thực tế có các thông số cực đến môi trường, luôn có sẵn và là nguồn từ môi trường thay đổi, đảm bảo pin quang năng lượng vô tận. Do đó, điện mặt trời được điện luôn hoạt động trong trạng thái tối ưu gọi là một trong các nguồn năng lượng của nhất về mặt công suất. tương lai. II. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Việt Nam có một lợi thế lớn về việc sử dụng 1. Mô hình pin mặt trời năng lượng mặt trời, đó là vị trí địa lý nằm gần đường xích đạo, có năng lượng bức xạ
2. Mạch điện như hình trên được miêu tả bởi biểu thức: qV  I = NPIPH − NPIS exp − 1 (4) NS kT C A 2. Bộ chuyển đổi DC/DC a. Bộ chuyển đổi DC/DC boost converter Mạch boost converter hay còn được gọi là mạch tăng áp. Bộ biến đổi này phù hợp với Hình 1: Mạch điện tƣơng đƣơng của pin các ứng dụng có điện áp yêu cầu lớn hơn điện mặt trời áp đầu vào. Nguyên lý hoạt động của bộ biến Mạch điện gồm có dòng quang điện IPH, điốt, đổi này dựa vào đặc tính lưu trữ và tích phóng điện trở dòng rò RSH và điện trở nối tiếp RS, năng lượng của cuộn dây. đặc tuyến I-V của pin được mô tả bằng biểu thức: q V+IRS  I = IPH − IS exp V + IR − 1 − (1) kT C A RSH Trong đó: IPH: dòng quang điện (A); IS: dòng bão hòa (A); q: điện tích của electron, q = 1,6x10-19 C; k: hằng số Boltzmann’s, k -23 =1,38x10 J/K; TC: nhiệt độ vận hành của pin (K); A: hệ số lý tưởng phụ thuộc vào công nghệ chế tạo pin.  IPH = ISC + KI TC − TRef λ (2) Trong đó: ISC: dòng ngắn mạch tại nhiệt độ O 2 tiêu chuẩn 25 C (A) và bức xạ 1kW/m ; KI: hệ số dòng điện phụ thuộc vào nhiệt độ Hình 3: Sơ đồ nguyên lý mạch boost O (A/ C); TC: Nhiệt độ vận hành của pin mặt trời (K); TREF : Nhiệt độ tiêu chuẩn của pin mặt trời (K); λ: Bức xạ mặt trời (kW/m2) 3 TC qE G 1 1  IS = IRS exp − (3) TRef kA TRef TC Trong đó: IRS: Dòng điện ngược bão hòa tại nhiệt độ tiêu chuẩn (A); EG: Năng lượng lỗ trống của chất bán dẫn Mạch điện tương đương của mô đun pin quang điện gồm có Np nhánh song song và Ns pin nối tiếp được mô tả nhưhình sau: Hình 4: Mạch điện khi S đóng di L  vL = Vd = L (5) dt di V  L = d (6) dt L di ∆i ∆i  L = L = L (7) dt ∆t DT V DT  ∆i = d (8) L closed L Hình 2: Các pin quang điện đƣợc ghép song song và nối tiếp
3. Hình 7: Cấu hình mạch buck Hình 5: Mạch điện khi S mở V ×η  D = out (16) VIN (min ) VIN(min): điện áp ngõ vào nhỏ nhất; VOUT: điện áp ngõ ra mong muốn; ƞ = Hiệu suất mạch (90%) 3. Xây dựng cấu hình chung cho bộ chuyển đổi năng lƣợng. Hình 6: Dạng sóng điện áp và dòng điện Hình 8: Cấu hình bộ chuyển đổi năng trên L khi S mở lƣợng cho 1 tấm pin Khi S đóng (TOFF), dòng điện cảm ứng chạy vào tải qua điốt cũng như nạp lại cho tụ điện C. di  v = V − V = L L (9) L d o dt di V −V  L = d o (10) dt L di ∆i ∆i  L = L = L (11) dt ∆t (1−D)T V −V (1−DT)  ∆i = d o (12) L opened L Năng lượng lưu trữ trong cuộn dây bằng 0 khi kết thúc chu kỳ.  ∆iL closed + ∆iL opened = 0 (13) V DT V −V (1−DT)  d + d o = 0 (14) L L V  V = d (15) o 1−D b. Bộchuyển đổi DC/DC buck converter Hình 9: Cấu hình bộ chuyển đổi năng lƣợng cho toàn cánh đồng pin mặt trời 4. Giải thuật đề xuất cho việc tìm điểm cực đại cho pin mặt trời khi bị bóng.
4. a. Cấu hình một bộ DC/DC cho toàn hệ thống cánh đồng pin (cấu hình 1) Hình 12: Cấu hình của toàn cánh đồng pin mặt trời Hình 10: Lƣu đồ giải thuật MPPT cho khi bị ảnh hƣởng của bóng che b. Cấu hình một bộ DC/DC cho 1 pin (cấu hình 2): Lưu đồ của giải thuật Hình 13: Cấu hình bên trong khối PV system Bộ chuyển đổi DC/DC boost converter Hình 11: Lƣu đồ giải thuật MPPT cho cấu hình bộ chuyển đổi NL đƣợc đề xuất 5. Xây dựng mô hình mô phỏng giải thuật Hình 14: Mạch boost trong Matlab & a. Cấu hình bộ chuyển đổi NL cho cánh Simulink đồng pin mặt trời đề xuất 6. Mô hình mô phỏng Cấu hình được mô tả trong Matlab như hinh vẽ:
5. a. Mô hình hệ thống mô phỏng cấu hình 1 Hình 15: Cấu hình cánh đồng pin NLMT Hình 17: Bức xạ mặt trời thay đổi từ 0.5 sử dụng 1 bộ DC/DC chung. lên 1 kW/m2 b. Mô hình hệ thống mô phỏng cấu hình 2 Hình 16: Hệ thống mô phỏng 2 III. KẾT QUẢ a. Trong điều kiện bức xạthay đổi Hệ thống cánh đồng pin gồm 16 pin ghép với nhau, mỗi tấm pin có công suất 125W, tổng Hình 18: Công suất, điện áp pin, khi sử công suất lớn nhất tại nhiệt độ 250C và bức xạ dụng cấu hình 1. Trong trƣờng hợp các pin 1kW/m2 của cánh đồng pin là 2000W. bức xạ bị che bức xạ chỉ giảm đi ½ lần sơ với các thay đổi từ 0.5 lên 1 kW/m2, trong đó có 3 tấm không bị che tấm pin bị bóng hoàn toàn 72% (bóng che hoàn toàn nghĩa là cell pin nào bị bóng thì điện áp bằng 0 kW/m2)
6. bức xạ bị che ở hình 41 ít hớn nên cho độ chênh lệch công suất giữa hai cấu hình ít hơn. Độ chênh lệch cụ thể: Với cấu hình 1, tại bức xạ 1kW/m2 ta được P1 = 906(W) Với cấu hình 2, tại bức xạ 1kW/m2 ta được P2 = 1040(W) Độ chênh lệch công suất so với cấu hình có công suất lớn nhất là (1040-906)/1040=12,9% b. Trong điều kiện bức xạkhông thay đổi Kết quả mô phỏng với cánh đồng pin không đổi, bức xạ thay đổi từ 0.5 lên 1 kW/m2 trong điều kiện không bị ảnh hưởng của điều kiện môi trường. Hình 19: Công suất, điện áp tải, khi sử dụng cấu hình 2. Trong trƣờng hợp các pin bị che bức xạ chỉ giảm đi ½ lần sơ với các tấm không bị che Hình 21: Công suất thu đƣợc của hai cấu hình CS từ cấu hình 2 CS từ cấu hình 1 Hình trên cho thấy khi cánh đồng pin có bức xạ bằng nhau tại tất cả các pin thì công suất thu được là bằng nhau, tuy nhiêu với cấu hình 1 mất 1 lượng công suất trong quá trình duty chạy từ 0 đến 100%. IV. KẾT LUẬN Bài báo đưa ra cấu hình mảng pin quang điện sử dụng bộ DC/DC là mạch boost, bộ DC/DC này được trang bị cho từng pin trong mảng pin, việc làm này làm cho công suất thu được Hình 20: Công suất thu đƣợc từ 2 cấu hình là lớn nhất có thể của mảng pin. khác nhau. Trong trƣờng hợp các pin bị che bức xạ chỉ giảm đi ½ lần sơ với các tấm Kết quả mô phỏng trong Matlab & Simulink không bị che cho thấy bộ chuyển đổi năng lượng được đề xuất cho công suất lớn hơn cấu hình thông Từ các hình ta thấy, trong khi cánh đồng pin thường, và thời gian tìm đến điểm MPP nhanh bị bóng che thì hệ thống 1 không cho công hơn. suất lớn hơn cấu hình 2. Độ chênh lệch công suất phụ thuộc vào mức độ bức xạ bị che và TÀI LIỆU THAM KHẢO vị trí pin bị che. Ở hình 41 số pin và vị trí Tiếng Việt bóng che là như nhau so với hình 37, nhưng
7. 1. Hoàng Dương Hùng, Năng lượng mặt trời Partial Shading on PV Array Characteristics, – Lý thuyết và ứng dụng, Nhà xuất bản Đà 2008. Nẵng, 2004. 10. Karel Zaplatílek và Jan Leuchte, 2. Viện khí tượng thủy văn: Photovoltaic Panel Modeling in MATLAB Environment, 2011. 11. Kinal Kachhiya, Makarand Lokhande và Tiếng nƣớc ngoài Mukesh Patel, MATLAB/Simulink Model of 3. Armando Bellini, Stefano Bifaretti, Solar PV Module and MPPT Algorithm, Vincenzo Iacovone và Cristina Cornaro, 2011. Simplified Model of a Photovoltaic Module, 12. Ramaprabha Ramabadran, Rajiv Gandhi 2009. Salai, Badrilal Mathur, Rajiv Gandhi Salai, 4. Dzung D Nguyen và Brad Lehman, MATLAB Based Modelling and Performance Modeling and Simulation of Solar PV Arrays Study of Series Connected SPVA under under Changing Illumination Conditions, Partial Shaded Conditions, 2009. 2006. 13. S. Rustemli và F. Dincer, Modeling of 5. European Commission, Photovoltaic Solar Photovoltaic Panel and Examining Effects of Energy Development and current research, Temperature in Matlab/Simulink, 2011. 2009. 14. Sonal Panwara và Dr. R.P. Sainib, 6. F. Adamo, F. Attivissimo, A. Di Nisio, A. Development and Simulation of Solar M. L. Lanzolla, M. Spadavecchia, Parameters Photovoltaic model using Matlab/simulink estimation for a model of photovoltaic panels, and its parameter extraction, 2012. 2009. 15. Tarak Salmi, Mounir Bouzguenda, Adel 7. Francisco M. González-Longatt, Model of Gastli, Ahmed Masmoudi,MATLAB/Simulink Photovoltaic Module in Matlab, 2005. Based Modelling of Solar Photovoltaic Cell, 8. H. Altas1, và A.M. Sharaf, A Photovoltaic 2012. Array Simulation Model for Matlab - 16. Website: Simulink GUI Environment, 2007. data-portal.org, 9. Hiren Patel và Vivek Agarwal, MATLAB- Based Modeling to Study the Effects of Thông tin liên hệ tác giả chính (người chịu trách nhiệm bài viết): Họ tên: Nguyễn Thái Hoàng Long Điện thoại: 091.581.5358 Email: nguyenthaihoanglong@gmail.com
8. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.