Nguồn phân tán
Nguồn truyền thống
Nguồn phi truyền thống
Turbine khí
tự nhiên
Điện hóa
Tích trữ
Năng lượng tái tạo
Pin nhiên liệu
Ắc quy
Bánh đà
Quang điện
Turbine gió
1
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG KHAI THÁC NĂNG LƯỢNG
TỪ PIN MẶT TRỜI
1.1. Tổng quan hệ nguồn phân tán trong hệ thống điện
Nguồn sơ cấp tạo ra năng lượng phổ biến hiện nay là hydrocarbon dựa trên
nhiên liệu hóa thạch. Nguồn nhiên liệu này làm gia tăng ô nhiễm môi trường do tạo
nên carbon dioxide làm môi trường ấm lên. Tương lai, nguồn nhiên liệu này cũng chỉ
có một giới hạn nhất định khi đáp ứng cho các phụ tải ngày càng tăng. Những lý do
này đã làm thay đổi cách nhìn nhận về năng lượng tái tạo như gió, mặt trời, thủy triều,
pin nhiên liệu. Những nguồn này được biết đến như nguồn năng lượng xanh thân thiện
với môi trường. Nguồn năng lượng này có thể được lắp đặt trong các khu dân cư để
đáp ứng cho các phụ tải tiêu dùng trực tiếp hoặc phát vào lưới điện với tên gọi là
nguồn phân tán DG (Distributed Generation).
Trong hệ thống nguồn phân tán, công suất từ các nguồn này tương đối nhỏ,
phân bố ở nhiều địa điểm khác nhau. Hình 1.1 cho thấy sự phân loại DG theo công
nghệ. [1-2]
a. Phân loại DG theo công nghệ

5
1.3. Mục tiêu nghiên cứu
Trong mục 1.2 ở trên, ta thấy rằng mỗi dạng khai thác năng lượng từ pin mặt
trời có những đặc điểm riêng, đáp ứng cho các yêu cầu riêng.
Cho đến nay, kỹ thuật ghép nối pin mặt trời vào lưới điện thông qua các bộ biến
đổi cũng là một vấn đề hết sức quan trọng và vẫn còn nhiều bài toán cần giải quyết
như góc phát, tần số, module để hòa lưới phù hợp nhất. Trong khi bài toán khai thác
trong mạng điện cô lập với vấn đề khai thác điểm làm việc cực đại lại mang một ý
nghĩa quan trọng khác để khẳng định lợi ích của kỹ thuật khi đem lại cho lợi ích kinh
tế. Bản thân chi phí đầu tư cho tấm pin mặt trời thương mại hiện nay là khá lớn, nếu
không được sự ủng hộ của các nhà làm chính sách như trợ giá, tăng cường đầu tư công
để làm cho chi phí trên một đơn vị điện năng giảm xuống thì pin mặt trời khó có thể
phổ biến và cạnh tranh được với các nguồn năng lượng khác.
Hiện nay, hiệu suất chuyển đổi từ quang năng thành điện năng khá thấp nên
khai thác được hết phần năng lượng điện khả dụng cũng đem lại khả năng thích nghi
cao hơn cho loại nguồn này trong hệ thống điện. Do đó, luận văn sẽ tập trung vào việc
dò tìm điểm làm việc cực đại, vấn đề khai thác năng lượng từ pin mặt trời thông qua
các bộ biến đổi.
6
CHƯƠNG 2
PIN MẶT TRỜI VÀ VẤN ĐỀ TÌM ĐIỂM LÀM VIỆC CỰC ĐẠI
2.1. Cấu tạo nguyên lý hoạt động của pin mặt trời [1-5]
2.1.1. Cấu tạo
Pin mặt trời được sản xuất từ chất bán dẫn silic tinh khiết. Để làm pin Mặt trời
từ bán dẫn tinh khiết phải làm ra bán dẫn loại n và bán dẫn loại p rồi ghép lại với nhau
cho nó có được tiếp xúc p - n.
Pin mặt trời từ tinh thể silic chia ra thành 3 loại:
- Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình Czochralski.
Đơn tinh thể loại này có hiệu suất tới 16%. Chúng thường rất mắc tiền do được cắt từ
các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module.


và các diode.
a. Sơ đồ thay thế
b. Đường cong V-I và đường cong P-V
Hình 2. 3. Mô hình tuyến tính từng đoạn
2.2.3. Mô hình hình chữ nhật
a. Sơ đồ thay thế
9
b. Đường cong V-I và đường cong P-V
2.2.4. Các bước mô tả toán học
2.3. Các đặc trưng của pin mặt trời
2.3.1. Các thông số của pin mặt trời
2.3.1.1. Thông số rút ra từ đường cong I-V
Điểm công suất tối đa: Là điểm hoạt động ở vị trí (Vmax, Imax) nơi điện trở
tiêu tán một cách tối đa.
P
max
= I
max
.V
max
(2- 11)
Hiệu suất : là tỷ số giữa công suất Pmax với công suất tới của ánh sáng mặt trời.
η =

=

(2- 12)

Trong đó: G

nguồn PV [5]
Hình 2. 5. Sự thay đổi của đường cong V-I và P-V theo cường độ bức xạ
Hình 2. 6. Sự thay đổi của đường cong V-I và P-V theo nhiệt độ
2.4. Ghép nối khối pin mặt trời
2.4.1. Ghép nối tạo module
Để đưa năng lượng mặt trời dưới dạng nặng lượng bức xạ vào quá trình quang
năng biến đổi thành năng lượng được thực hiện bằng cách chế tạo các cell PV rồi kết
nối lại thành các module từ các module ta kết nối thành các array theo nhiều phương
pháp khác nhau nhằm đạt được điện áp đầu ra theo mong muốn.
11
Hình 2. 7. Mô hình kết nối một hệ thống PV
Trong thực tế với mỗi một cell PV chỉ có thể tạo ra một điện áp đầu ra ít hơn
1V (thường là 0.5V hay 0.6V) cho mỗi tinh thể silicon (Si) của pin PV. Để đáp ứng
được điện áp đầu ra các Pin PV được kết nối lại với nhau để có thể đạt được mức điện
áp đầu ra theo yêu cầu thiết kế. Khi kết nối lại các Pin PV được đặt lại trong một
khung (khối) chúng được gọi là module.
Hình 2. 8. Các module PV bao gồm chi nhánh N
PM
song song, mỗi N
SM
các tế bào
năng lượng mặt trời trong loạt.
Hình 2.11 cho thấy sự thay đổi điện áp tương ứng với số cell trong module.
Hình 2. 9. Đặc tính điện áp ra tương ứng số lượng cell
12
2.4.2. Ghép nối các module tạo thành hệ thống mảng (Array)
2.4.2.1. Ghép nối tiếp các module
a. Ghép nối tiếp các module pin mặt trời giống nhau
b. Ghép nối tiếp các module không giống nhau
2.4.2.2. Ghép song song các module

I
SC
.
13
- Nếu điện trở tải R lớn, R > R
opt,
pin mặt trời làm việc trong miền PS (hình 2.22),
với hiệu điện thế gần như không đổi và bằng thế hở mạch V
OC
.
Rõ ràng là pin mặt trời chỉ làm việc có hiệu quả khi tải tiêu thụ điện có giá trị lân
cận R
OPT.
. Điều này không phải lúc nào cũng dễ dàng đạt được bởi vì điểm làm việc
ngay đối với một máy tiêu thụ điện cũng thay đổi. Ngoài ra bức xạ mặt trời và nhiệt độ
của môi trường thay đổi liên tục theo thời gian, nên đường đặc trưng VA của pin mặt
trời cũng thay đổi và do đó làm dịch chuyển điểm làm việc ra khỏi điểm làm việc tối
ưu.
Hình 2. 10. Điểm làm việc và điểm làm việc công suất cực đại
Tấm pin mặt trời
Bộ biến đổi DC/DC
Bộ theo dõi điểm làm việc cực đại
Phụ tải xoay chiều
Tín hiệu điều khiển
Mặt trời
Hình 3. 1. Mô hình khai thác nguồn pin mặt trời độc lập
Bộ biến đổi DC/AC
Phụ tải một chiều
14
CHƯƠNG 3

Các bộ biến đổi DC-DC có thể chia thành hai loại:
- Bộ tăng áp V
0
> V
1
(Boost Converter)
- Bộ giảm áp V
0
< V
1
(Buck Converter).
3.2.1.1. Nguyên lý hoạt động của bộ tăng áp không cách ly [1]
Bản thân các module pin mặt trời có điện áp không cao, khi ghép nối tiếp thì
điện áp của dàn pin cũng không cao trong khi yêu cầu của phụ tải lại cần điện áp cao,
lúc này phải sử dụng bộ tăng áp (hình 3.3).
Hình 3. 2. Sơ đồ nguyên lý bộ tăng áp DC-DC và khi K đóng, mở
3.2.1.2. Nguyên lý hoạt động của bộ giảm áp không cách ly [1]
Khóa K trong mạch là những khóa điện tử BJT, MOSFET, hay IGBT. Mạch Buck
có chức năng giảm điện áp đầu vào xuống thành điện áp nạp ắc quy. Khóa transitor
16
được đóng mở với tần số cao. Hệ số làm việc D của khóa được xác định theo công
thức sau:
t¾cdãngon
on
f.T
T
T
D
==
(3- 7)

rộng xung và đồ thị kiểu một cấp
a)Sóng truyền tải tam giác và sóng
điều chế hình sin
b)Đồ thị sóng đầu ra SPWM
19
c. Quan hệ giữa điện áp đầu ra và độ rộng xung của bộ nghịch lưu
Trong hệ thống điều tốc biến tần, động cơ phụ tải được dẫn động nhờ tiếp nhận
điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu, đối với động cơ mà nói phần có ích chỉ là điện áp cơ
bản, vì vậy cần phải phân tích đồ thị điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu . Lấy đồ thị đầu ra
của bộ SPWM kiểu một cực để xem xét giá trị biên độ xung của nó là U
s
/2. Trong bán
chu kỳ của hình sóng có N xung, mỗi xung có chiều rộng khác nhau, nhưng khoảng
cách trung tâm của nó là như nhau và bằng π/N rad, bằng chu kỳ của sóng tải tam giác.
d. Điều kiện ràng buộc khi điều chế độ rộng xung
Dựa vào đặc điểm độ rộng xung, công tắc của mạch điện chính bộ nghịch lưu
trong nửa chu kỳ điện áp đầu ra của chúng phải đóng mở N lần, còn năng lực đóng mở
của bản thân công tắc phụ thuộc vào khả năng chuyển đổi cuả nó và cấu trúc của mạch
điện chính.Vì vậy kỹ thuật điều chế độ rộng xung khi ứng dụng vào điều chế độ rộng
xung của dòng xoay chiều tất yếu phải chịu một điều kiện ràng buộc, chủ yếu có hai
điểm sau đây .
3.3. Bộ theo dõi điểm làm việc cực đại
3.3.1. Bộ điều chỉnh góc nghiêng cho pin mặt trời [6]
Các hệ thống có bộ định hướng có thể đạt công suất gần như tối đa suốt
thời gian hoạt động vào những ngày nắng, quang mây trong khi hệ thống có mặt
thu cố định chỉ đạt công suất tối đa trong một vài giờ trong giữa ngày.
Hệ thống PV có bộ định hướng theo vị trí mặt trời sẽ nhận được nhiều năng
lượng hơn so với hệ thống có mặt thu cố định vào các giờ buổi sáng và buổi chiều.
Có thể thiết kế hệ thống định hướng theo một trục (theo vị trí mặt trời từ Đông
sang Tây bằng cách sử dụng một trục duy nhất) hoặc hệ thống định hướng theo hai

MPPi¶phnªbë,0dV/dP
MPPi¸trnªbë,0dV/dP
MPPi¹t,0dV/dP
Vì dP/dV = d(IV)/dV = I + V dI/dV
≅
I + V
I
∆
/
V
∆
nên ta cũng có thể viết lại
là:





−<∆∆
−>∆∆
−=∆∆
MPPi¶phnªbë,V/IV/I
MPPi¸trnªbë,V/IV/I
MPPi¹t,V/IV/I
Bằng cách so sánh giá trị điện dẫn tức thời (I/V) với giá trị điện dẫn gia tăng (
V/I
∆∆
), Thuật toán này sẽ tìm được điểm làm việc có công suất lớn nhất. Tại điểm
MPP, điện áp chuẩn V
ref

toán
Mức độ
phức tạp
Điểm làm
việc tìm
được
Lưu ý
INC
V
PV
, I
PV
(2 cảm
biến)
Chậm Tăng
Tại điểm
MPP
Cho kết quả tốt khi đk
thời tiết thay đổi, tránh
được dao động quanh
MPP
-
+
-
+
-
,Exp,BattType)
,Exp,BattType)
-
it

Hình 3. 15. Đường cong nạp điện của ắc quy chì-axit
Hình 3. 16. Đường cong nạp điện của NiMH và NiCD
25
3.4.5.Các phương pháp nạp ác quy tự động
Các phương pháp nạp Ắc quy
- Phương pháp điện áp.
- Phương pháp dòng điện.
- Phương pháp dòng áp
Phương pháp nạp điện áp
Hình 3. 17. Phương pháp nạp điện áp
- Phương pháp dòng điện
Hình 3. 18. Phương pháp dòng điện
Phương pháp dòng áp