Luận văn cao học ngành Kỹ thuật điện
LỜI NÓI ĐẦU
Khoa học và thực tiễn trên thế giới đã chỉ ra những nhược điểm rõ ràng
của các nguồn điện truyền thống như nhiệt điện, thủy điện, điện hạt nhân đã
có những tác động rất xấu đến môi trường, cuộc sống con người và sẽ không
thể cung cấp đủ nhu cầu trong tương lai không xa.
Một trong những biện pháp đang được quan tâm nhất hiện nay là sử dụng
các dạng năng lượng tái tạo nhằm đáp ứng trực tiếp cho các phụ tải hay giúp
phân bố lại công suất truyền tải trong lưới phân phối. Qua đó, giúp giảm việc
xây mới các nhà máy điện quy mô lớn, tăng hiệu quả vận hành cho toàn hệ
thống điện.
So với những nguồn năng lượng mới đang được khai thác sử dụng như
năng lượng gió, năng lượng hạt nhân… Năng lượng mặt trời được coi là một
nguồn năng lượng rẻ, vô tận, là một nguồn năng lượng sạch không gây hại
cho môi trường đang thu hút sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học, nhà
nghiên cứu và sẽ trở thành nguồn năng lượng tốt nhất trong tương lai
Với ưu điểm không phát ra tiếng ồn, dễ chế tạo tấm pin mặt trời PV
(Photovotaic), không đòi hỏi khắt khe về điều kiện lắp đặt (có thể đặt trực tiếp
trên công trình). Tuy nhiên, năng lượng phát ra được từ tấm pin mặt trời lại
phụ thuộc hoàn toàn vào thời điểm có bức xạ mặt trời.
Phương pháp khai thác điểm làm việc cực đại của PV đã được nhiều các nhà
khoa học đề xuất: phương pháp P&O (Perturb and Observe), phương pháp sử
dụng mô hình của mạng nơron, giảm bậc Trong đó phương pháp P&O có
xét đến các yếu tố ảnh hưởng của nhiệt độ, cường độ sáng. Vì vậy, sau hai năm
học tập và nghiên cứu cùng với sự định hướng của thầy hướng dẫn TS. Ngô Đức
Minh em đã lựa chọn đề tài là “Thiết kế nguồn điện năng lượng Mặt trời có bộ
tự động chọn điểm làm việc cực đại theo phương pháp P&O (Perturb and
Observe)”.
Luận văn gồm có 4 chương với nội dung tổng quan như sau:
Nguyễn Thị Hồng Hạnh – K14 trường Đại học KTCN 1
Luận văn cao học ngành Kỹ thuật điện

Hình 1. 1 Các nguồn NLTT trên Thế giới năm 2006
1.2. Năng lượng Mặt trời
1.2.1. Sự hình thành năng lượng Mặt trời
Các nghiên cứu của con người đem lại có thể trực tiếp thu lấy năng lượng
này thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển năng lượng của bức xạ Mặt trời
(BXMT) thành điện năng, như pin Mặt trời. Năng lượng của các photon cũng có
thể được hấp thụ để làm nóng các vật thể, tức là chuyển thành nhiệt năng, ứng
dụng cho bình đun nước Mặt trời, các nhà máy nhiệt điện Mặt trời, các hệ thống
Nguyễn Thị Hồng Hạnh – K14 trường Đại học KTCN 3
Luận văn cao học ngành Kỹ thuật điện
máy điều hòa Mặt trời, V.V Trường hợp khác, năng lượng của các photon có
thể được hấp thụ và chuyển hóa thành năng lượng trong các liên kết hóa học của
các phản ứng quang hóa, V.V
1.2.2. Tiềm năng năng lượng Mặt trời
- Tiềm năng trên Thế giới:
Theo số liệu thống kê bức xạ trung bình của một địa điểm trên Thế giới
vào khoảng 2000 kWh/m
2
/năm.
Bảng 1. 1 : Bảng tổng hợp tiềm năng của năng lượng Mặt trời
Khu vực
Bức xạ Mặt
trời
[1000 TWh]
Chỉ số chất lượng
trung bình DNI
[kWh/tháng/năm]
Công suất có thể
khai thác
[1000 TWh/năm]

- BXMT - nhiệt năng – phụ tải nhiệt
- BXMT - nhiệt năng – điện năng – phụ tải điện
1.3. Năng lượng gió
1.3.1. Sự hình thành năng lượng gió
1.3.2. Tiềm năng gió
1.3.3. Công nghệ sử dụng năng lượng gió
1.4. Thủy điện nhỏ
1.4.1. Khái niệm chung về thủy điện nhỏ
Thủy điện nhỏ là nguồn năng lượng có hiệu quả kinh tế rất cao, được chú
ý rộng rãi trên toàn thế giới, đóng góp quan trọng cho cân bằng năng lượng của
mỗi quốc gia và đặc biệt có ý nghĩa cho bảo vệ môi trường.
1.4.2. Tiềm năng và tình hình khai thác ở Việt Nam
Ở Việt Nam, với đặc điểm địa lý của đất nước có nhiều đồi núi, cao
nguyên và sông hồ, lại có mưa nhiều. Hàng năm mạng lưới sông suối vận
chuyển ra biển hơn 870 tỷ m
3
nước, tương ứng với lưu lượng trung bình khoảng
37.500 m
3
/giây. Đó là tiềm năng lớn cho việc phát triển các nhà máy thủy điện
nói chung và thủy điện nhỏ nói riêng.
Ði đầu trong việc phát triển thủy điện vừa và nhỏ là Tổng công ty Sông
Ðà. với tổng công suất hơn 40 MW.
Nguyễn Thị Hồng Hạnh – K14 trường Đại học KTCN 5
Luận văn cao học ngành Kỹ thuật điện
1.4.3. Công nghệ thủy điện nhỏ
Đối với các nhà máy thủy điện lớn, thủy năng (TN) được tập trung trên
những dòng chảy (sông) lớn. Trong khi đó, thủy điện nhỏ lại khai thác từ nhiều
dạng thái thủy năng khác nhau từ các dòng chảy nhỏ, suối
- TN – Cơ năng – Máy xay, bơm nước

nhà máy địa nhiệt quy mô thương mại khoảng 40-50 MW.
1.5.3. Công nghệ khai thác địa nhiệt
1.6. Năng lượng thủy triều và sóng biển
1.6.1. Sự hình thành năng lượng thủy triều và sóng biển
1.6.2. Tiềm năng năng lượng thủy triều và sóng biển
1.6.3. Công nghệ khai thác
1.7. Đề xuất hướng nghiên cứu
Trên cơ sở phân tích những dạng năng lượng mới và tái tạo, nhận thấy
rằng công nghệ khai thác quang điện mặt trời là một trong những ngành phát
triển nhanh nhất trên thế giới. Vì vậy, tác giả luận văn đề xuất hướng nghiên cứu
của đề tài vào dạng năng lượng mặt trời. Với mục đích đưa ra một mô hình
mạng điện có khai thác NLMT với việc thực hiện giải pháp khai thác tối đa năng
lượng phát ra từ tấm mặt trời. Nội dung nghiên cứu gồm những phần chính sau
đây:
- Mô hình mạng điện có khai thác năng lượng mặt trời
- Đặc điểm hoạt động của mạng điện có kết nối lưới và không kết nối
lưới
- Giải pháp khai thác tối đa năng lượng điện từ mặt trời
- Thuật toán MPPT
- Mô phỏng kết quả nghiên cứu trong Matlab và kết quả thực nghiệm.
- Kết luận và kiến nghị.
1.8. Kết luận chương 1
Nguyễn Thị Hồng Hạnh – K14 trường Đại học KTCN 7
Luận văn cao học ngành Kỹ thuật điện
Nội dung chương 1 đã làm rõ khái niệm Năng lượng tái tạo và nêu được
tổng quan về một số dạng năng lượng mới và tái tạo cơ bản, hiện đang được
quan tâm trên Thế giới, trong đó có Việt Nam. Trên cơ sở đó, định hướng
nghiên cứu cho đề tài, những nội dung chính của luận văn.
CHƯƠNG 2
MẠNG ĐIỆN KHAI THÁC NĂNG LƯỢNG TỪ PIN MẶT TRỜI

chiều
Chỉnh lưu
Ắc quy
Biến
Tần
Tổ động cơ máy phát gồm
các tua bin gió, tuabin thủy
điện nhỏ …
Tải xoay
chiều
Luận văn cao học ngành Kỹ thuật điện
Hình 2.4. Mô hình PV kết nối lưới
Trong hệ thống này, dòng điện 1 chiều từ các tấm pin mặt trời sẽ được đi
qua các bộ biến đổi điện áp 1 chiều DC/DC, bộ nghịch lưu DC/AC và đồng bộ
với lưới điện. Năng lượng sẽ được chạy qua công tơ đo Watt-giờ để đo đếm điện
năng. Trong các hệ thống này, tùy theo yêu cầu vận hành và so sánh chi phí để
có thể trang bị bộ tích trữ lượng.
2.3. Các khối chức năng trong hệ thống điện có PV
Hình 2.5 mô tả sơ đồ khối của hệ thống điện có khai thác năng lượng từ
các tấm mặt trời.
2.3.1. Tấm pin mặt trời (Solar Panel)
Pin năng lượng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện) là thiết bị
bán dẫn chứa lượng lớn các diot p-n, dưới sự hiện diện của ánh sáng mặt trời có
Nguyễn Thị Hồng Hạnh – K14 trường Đại học KTCN 10
Pin mặt
trời
Hình 2.5. Sơ đồ khối của hệ thống điện sử dụng năng lượng mặt trời
Bộ biến đổi
DC/DC
Ắc

a) Điều khiển bộ nghịch lưu bằng phương pháp PWM
b) Nguyên lý làm vịêc
c) Quan hệ giữa điện áp đầu ra và độ rộng xung của bộ nghịch lưu
d) Điều kiện ràng buộc khi điều chế độ rộng xung
2.3.4. Bộ biến đổi DC-DC
Vai trò của một bộ biến đổi DC-DC trước hết là biến đổi một công suất
điện vào P
1
= V
1
.I
1
thành một công suất điện ra P
0
= V
0
.I
0
với hiệu suất η = P
0
/P
1
tốt nhất có thể (Hình 2.15).
Nguyễn Thị Hồng Hạnh – K14 trường Đại học KTCN 11
Luận văn cao học ngành Kỹ thuật điện
Hình 2.15. Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi DC-DC
Các bộ biến đổi DC-DC có thể chia thành hai loại:
- Bộ tăng thế V
0
> V

3.1. Mô hình toán của PV
3.1.1. Sơ đồ tương đương
Nguyễn Thị Hồng Hạnh – K14 trường Đại học KTCN 13
Luận văn cao học ngành Kỹ thuật điện
Có thể thấy rằng, khi được chiếu sáng, nếu nối các bán dẫn p và n của một
tiếp xúc pn bằng một dây dẫn, thì pin mặt trời phát ra một dòng quang điện
I
ph
.Vì vậy trước hết pin mặt trời có thể xem tương đương như một nguồn dòng.
Lớp tiếp xúc bán dẫn pn có tính chỉnh lưu tương đương như một diot. Tuy
nhiên, khi phân cực ngược, do điện trở lớp tiếp xúc có giới hạn, nên vẫn có một
dòng điện- được gọi là dòng dò- qua nó. Đặc trưng cho dòng dò qua lớp tiếp xúc
pn người ta đưa vào đại lượng điện trở sơn R
sh
(shun).
Khi dòng quang điện chạy trong mạch, nó phải đi qua các lớp bán dẫn p và
n, các điện cực, các tiếp xúc, Đặc trưng cho tổng các điện trở của các lớp đó là
một điện trở R
s
nối tiếp trong mạch (có thể coi là điện trở trong của pin mặt
trời).
Như vậy, một pin mặt trời được chiếu sáng có sơ đồ điện tương đương như
(hình 3.1).
Từ sơ đồ tương đương, có thể dễ dàng viết được phương trình đặc trưng
sáng Vôn-Ampe của pin mặt trời :
sh
R
I
s
RV

3.1.2. Dòng ngắn mạch I
SC

Dòng ngắn mạch I
SC
là dòng điện trong mạch của pin mặt trời khi làm ngắn
mạch ngoài (chập các cực ra của pin). Lúc đó hiệu điện thế mạch ngoài của pin
bằng V= 0.
3.1.3. Thế hở mạch V
OC

Nguyễn Thị Hồng Hạnh – K14 trường Đại học KTCN 14
Hình 3.1: Sơ đồ tương đương của pin mặt trời (a)
và đường đặc trưng sáng của pin mặt trời (b)
+
-
V
I
R
s
R
sh
I
sh
I
d
f
I
V
I

I
A
V
opt
V
oc
O
I
opt
I
oc
M
P
A
2
S
N
A
1
P
4
=const
P
opt
P
3
P
2
P
1

Nếu dP/dV < 0 thì điểm vận hành đang bị di chuyển ra xa điểm MPPT và thuật
toán P&O đảo ngược hướng của nhiễu loạn đó.
Ưu điểm của phương pháp P&O là dễ dàng lắp đặt. Tuy nhiên, nó cũng có
một số giới hạn như gây ra việc dao động quanh vị trí của điểm MPPT ở trạng
thái vận hành cân bằng, tốc độ đáp ứng chậm và có thể dò tìm sai khi các điều
kiện môi trường thay đổi nhanh.
3.5. Mô phỏng trên Matlab/Simulink thuật toán P&O
Bảng 3.1. Thực hiện mô phỏng với tấm pin mặt trời với thông số sau:
TT Tên chỉ tiêu Ký hiệu Tham số Ghi chú
2 Công suất tấm pin
mặt trời
P
max
16 module
x 85
Wp/module
1360 Wp
3 Điện áp hở mạch Voc 21,6 V
4 Dòng điện ngắn
mạch
Isc 4,9 A
5 Điện áp lớn nhất V
PVmax.
17,3 V
6 Dòng điện lớn nhất I
PVmax.
4 A
3.6. Kết luận
Nhận thấy rằng sau khi khai thác được tối đa năng lượng của PV thì phải
có biện pháp để sử dụng được hết năng lượng này. Điều này có thể thực hiện

Thời gian đáp ứng của phụ tải là từ 19h tối hôm trước đến 4h sáng hôm
sau nên thời gian sử dụng của phụ tải là τ=9h/ngày
Phụ tải là 4 đèn LED, mỗi đèn có công suất 40W
4.4. Thiết kế mạch nạp cho ắc quy
B0
RD1
BT1
BT2
BT3
BT4
D5
V
G
V
VEE
RS
RW
E
D4
D6
D7
LL
G
VEE
RD0
RD2
RD3
RD4
RD5
RD6

B5
B6
B7
B3
B4
B2
B1
G
V
BT1
BT3
D4
D5
D6
D7
G
V
BT2
BT4
RS
RW
E
LL
GND
VCC
B4
B6
RD4
RD5
RD6

8
GND
5
FILTER
6
U2
ACS712ELCTR-30A-T
C1
1
C2
2
C3
3
INPUT
CON-200-VC3
C1
100n
C2
10n
RA0/AN0
2
RA1/AN1
3
RA2/AN2/VREF-/CVREF
4
RA4/T0CKI/C1OUT
6
RA5/AN4/SS/C2OUT
7
RE0/AN5/RD

35
RB1
34
RB0/INT
33
RD7/PSP7
30
RD6/PSP6
29
RD5/PSP5
28
RD4/PSP4
27
RD3/PSP3
22
RD2/PSP2
21
RC7/RX/DT
26
RC6/TX/CK
25
RC5/SDO
24
RC4/SDI/SDA
23
RA3/AN3/VREF+
5
RC0/T1OSO/T1CKI
15
MCLR/Vpp/THV

R4
2k2
R5
10k
R6
4k7
R2
10k
R7
100
F1
2A
X1
FREQ=20MHz
C6
22pF
C7
22pF
L1
10uH
C8
100n
L2
10uH
D2
1N5400
D3
1N5400
C10
2200u

A
15
K
16
LCD1
LCD 16X2
B1 B2 B3 B4
1
2
3
VR1
VPP
VDD
GND
PGD
PGC
ICSP1
ICSP
1
2
3
VR2
PHAN HOI AP VA DONG DIEN
KHOI DIEU KHIEN DONG DIEN =PWMKHOI NGUON LAY TU TAM PIN MAT TROI
C11
100n
C12
10u
D5
1N4007

13 14
15 16
J1
68712-013LF
1
3
5
7
2
4
6
8
9 10
11 12
13 14
15 16
J2
68712-013LF
V
G
KHOI DIEU KHIEN & HIEN THI KHOI VI DIEU KHIEN TRUNG TAM
BR2
GSIB1580
C3
100n
AN0
AN1
Q3
IRFP460
Q4

7
8
9
10
5
6
11
12
BAX2
BAX12C-01
1
2
3
4
7
8
9
10
5
6
11
12
BAX3
BAX12C-01
Q6
BC169
R14
2k2
R15
22k

R23
220
C9
47n
C18
47n
C19
1n
C20
1n
R24
220
R25
220
C21
100n
C22
100n
C1
1
C2
2
IN-AD
C1
1
C2
2
C3
3
OUT-AD

R1IN
13
T2OUT
7
R2IN
8
C2+
4
C2-
5
C1+
1
C1-
3
VS+
2
VS-
6
U4
MAX232
C23
10u
C24
10u
C25
10u
C26
10u
1
2

1k
R30
330
D13D14
D7
1N5240B
D8
1N5240B
D15
1N5231B
D4
1N5231B
C27
2200u
0V
Hình 4.2. Sơ đồ trải các phần tử của mạch nạp
Nguyễn Thị Hồng Hạnh – K14 trường Đại học KTCN 19
Luận văn cao học ngành Kỹ thuật điện
Hình 4.3. Mô phỏng mặt chính của bo mạch nạp
c. Hệ điều khiển thực hiện so sánh
Hình 4.5. Thực nghiệm so sánh hệ pin mặt trời có MPPT và không có MPPT
Nguyễn Thị Hồng Hạnh – K14 trường Đại học KTCN 20
Luận văn cao học ngành Kỹ thuật điện
Để thực hiện được thuật toán P&O thì thông tin về dòng điện, điện áp
phát ra từ PV sẽ được thu thập để cung cấp cho chip vi điều khiển
4.5. Chế độ làm việc của ắc quy
4.6. Kết quả thực nghiệm
Ta thực nghiệm năng lượng thu được từ hai hệ nguồn pin mặt trời dùng
trong 2 trường hợp:
- Trường hợp mạch điều khiển không sử dụng MPPT

Luận văn đã so sánh được hai trường hợp là có MPPT và không có MPPT.
Do thời gian có hạn và khả năng nhận thức còn hạn chế nên luận văn vẫn
chưa hoàn chỉnh, còn nhiều vấn đề còn chưa được đề cập đến như mạch chuyển
đổi 1 chiều thành xoay chiều, chưa nghiên cứu được nhiều về mạch điều khiển
phóng nạp cho ắcquy vì đây cũng là những thành phần quan trọng quyết định
đến tính hiệu quả và ứng dụng tiện lợi của hệ thống pin mặt trời.
Từ những vấn đề trên, em xin đề xuất các mong muốn: tiếp tục nghiên
cứu, thiết kế, thử nghiệm mạch điều khiển với những phương pháp nạp khác
nhau, biến đổi điện áp 1 chiều thành xoay chiều, kết nối hệ thống với lưới điện
hoặc kết hợp với các dạng nguồn khác có sử dụng bộ vi điều khiển hay điều
khiển lập trình tín hiệu số DSP hiện đại để hệ thống pin mặt trời được hoàn thiện
để có thể áp dụng trong thực tế.
Sau cùng, mặc dù đã nỗ lực làm việc hết sức dưới sự hướng dẫn chỉ bảo
tận tình của thầy giáo TS. Ngô Đức Minh nhưng luận văn không tránh khỏi những
Nguyễn Thị Hồng Hạnh – K14 trường Đại học KTCN 22
Luận văn cao học ngành Kỹ thuật điện
thiếu sót. Kính mong các thầy cô, bạn bè, đồng nghiệp đóng góp ý kiến để luận văn
tăng thêm giá trị khoa học và thực tiễn. Xin chân thành cảm ơn!TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Thân Ngọc Hoàn, Năng lượng điện mặt trời và những phương pháp nâng
cao chất lượng và hiệu suất, Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải, số 18,
2009.
[2] Joe-Air Jiang, Tsong-Liang Huang, Ying-Tung Hsiao, Chia-Hong Chen,
Maximum power tracking for photovoltaic power system, Tamkang Journal
of Science and Engineering, Vol. 8, No 2, pp. 147-153, 2005
[3] T.Chaitanya, Ch.Saibabu, J.Surya Kumari, Modeling and Simulation of PV
Array and its Performance Enhancement Using MPPT (P&O) Technique,
T.Chaitanya et al, International Journal of Computer Science &