BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
HUỲNH LÂM NGỌC TÂM

NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN SẠC TỐI ƯU
CỦA HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 605250

S K C0 0 4 6 8 1

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
HUỲNH LÂM NGỌC TÂM

NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN SẠC TỐI ƯU
CỦA HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 605250

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015


Nơi sinh: Tiền Giang

Quê quán: Tiền Giang

Dân tộc: Kinh

Địa chỉ liên lạc: 36, YerSin, phường 4, thành phố Mỹ Tho, tỉnh Tiền Giang
Điện thoại cơ quan: 073 3 886 288

Điện thoại riêng: 0972933386

Fax: 073 3 886 289

Email: [email protected]

II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung học chuyên nghiệp: Không
2. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính quy; Thời gian đào tạo từ 10/1997 đến 05/2002
Nơi học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh
Ngành học: Điện Khí hóa và Cung cấp điện
Luận án tốt nghiệp: Tính toán máy biến áp một pha công suất nhỏ bằng ngôn ngữ lập
trình Matlab
Ngày & nơi bảo vệ luận án tốt nghiệp: 03/2002 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ
thuật thành phố Hồ Chí Minh
Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Trọng Thắng
3. Thạc sĩ:
Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ: 10/2013 đến 10/2015
Nơi học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh
Ngành học: Kỹ thuật điện

BCH Quân sự tỉnh Tiền Giang

Chiến sĩ thông tin

05/2005

Cty tư vấn thiết kế điện Phúc Thiên

Kỹ sư thiết kế

04/2006
Đến nay

Trung tâm Khuyến công và Tư vấn
PTCN – Sở Công Thương Tiền Giang

Trưởng phòng tư vấn
phát triển công nghiệp

HVTH: Huỳnh Lâm Ngọc Tâm

ii


Luận văn Thạc sĩ

GVHD: TS. Trương Đình Nhơn

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.

học tập tại Trường.
Trân trọng!
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 10 năm 2015
Học viên thực hiện

Huỳnh Lâm Ngọc Tâm

HVTH: Huỳnh Lâm Ngọc Tâm

iv


Luận văn Thạc sĩ

GVHD: TS. Trương Đình Nhơn

TÓM TẮT
Việc thiếu hụt nguồn năng lượng đang là vấn đề nghiêm trọng với nhiều quốc gia
trên thế giới. Để giải quyết vấn đề trên thì các nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là nguồn
năng lượng mặt trời đang được xem là nguồn năng lượng bổ sung. Nhưng khó khăn chính
của việc sử dụng nguồn năng lương mặt trời là chi phí đầu tư cao, hiệu suất thấp. Trong
luận văn này chỉ giải quyết vấn đề tối ưu về công suất. Giải thuật tìm điểm công suất cực
đại của hệ thống pin quang điện được đề xuất trong luận văn này đó là giải thuật P&O.
Việc mô phỏng này được thực hiện bằng phần mềm Matlab/Simulink. Có thể kết
luận từ kết quả nghiên cứu rằng giải thuật đề xuất có thể làm tăng hiệu suất của bộ sạc
trong hệ thống pin mặt trời.

HVTH: Huỳnh Lâm Ngọc Tâm

v

Lý lịch khoa học....................................................................................................................... i
Lời cam đoan.......................................................................................................................... iii
Lời cảm ơn.............................................................................................................................. iv
Tóm tắt..................................................................................................................................... v
Abstract................................................................................................................................... vi
Mục lục.................................................................................................................................. vii
Danh mục các chữ viết tắt ...................................................................................................... x
Danh mục các hình ................................................................................................................ xi
Danh mục các bảng.............................................................................................................. xiv
Chương 1: TỒNG QUAN
1.1 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu.......................................................................... 1
1.2 Lý do chọn đề tài................................................................................................... 9
1.3 Mục đích của đề tài............................................................................................... 9
1.4 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài....................................................................... 10
1.5 Phương pháp nghiên cứu ................................................................................... 10
1.6 Điểm mới của luận văn ...................................................................................... 10
1.7 Giá trị thực tiễn của luận văn............................................................................ 11
1.8 Nội dung của luận văn........................................................................................ 11
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Các loại quang điện ............................................................................................ 12
2.1.1 Pin quang điện bán dẫn Silic............................................................ 12
2.1.1.1 Cấu tạo của pin quang điện Silic ................................................ 13
2.1.1.2 Nguyên lý hoạt động của pin quang điện Silic........................... 14
2.1.2 Pin quang điện nhạy cảm chất màu DSC......................................... 15

HVTH: Huỳnh Lâm Ngọc Tâm

vii



2.6.3.1 Nạp ắc quy.............................................................................................. 44
2.6.3.2 Ắc quy phóng......................................................................................... 44
2.6.4 Các chế độ của bộ nguồn nạp ắc quy.......................................................... 44

HVTH: Huỳnh Lâm Ngọc Tâm

viii


Luận văn Thạc sĩ

GVHD: TS. Trương Đình Nhơn

2.6.4.1 Nạp với dòng không đổi........................................................................ 45
2.6.4.2 Nạp với áp không đổi ............................................................................ 46
2.6.4.3 Nạp nổi ................................................................................................... 46
2.6.5 Các sự cố cần bảo vệ của ắc quy chì - axít ................................................. 47
2.6.6 Các tiêu chí lựa chọn ắc quy........................................................................ 47
2.6.7 Các thông số đặc trưng của ắc quy ............................................................. 48
2.6.7.1 Đặc tính phóng....................................................................................... 48
2.6.7.2 Các phương pháp nạp cho ắc quy......................................................... 49
2.6.7.2.1 Nạp với dòng điện không đổi ......................................................... 50
2.6.7.2.2 Nạp với điện áp không đổi.............................................................. 51
2.6.7.2.3 Phương pháp nạp dòng áp............................................................... 52
Chương 3: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ KẾT
QUẢ THUẬT TOÁN
3.1 Mô hình mô phỏng một phần tử pin mặt trời................................................. 54
3.2 Nghiên cứu Solar cell ......................................................................................... 54
3.2.1 Khi điện trở nối tiếp Rs thay đổi...................................................... 54
3.2.2 Khi Is thay đổi.................................................................................. 56

- CV (Constant Voltage): Giải thuật điện áp không đổi
- PD (Proportional Integral Derivative): Điều khiển tỉ lệ vi phân.
- PI (Proportional Integral Derivative): Điều khiển tỉ lệ tích phân.
- PID (Proportional Integral Derivative): Điều khiển tỉ lệ tích phân vi phân.
- PWM (Pulse-width modulation): Điều chế độ rộng xung
- IR (Infrared): Tia hồng ngoại
- UV ( UltraViolet): Tia cực tím
- AM (Air Mass ratio): Tỷ số khối khí Phổ bức xạ
- FF (Fill Factor): Là hệ số lấp đầy

HVTH: Huỳnh Lâm Ngọc Tâm

x


Luận văn Thạc sĩ

GVHD: TS. Trương Đình Nhơn

DANH MỤC CÁC HÌNH
Trang
Hình 1.1. Dự báo nhu cầu điện của Việt Nam 1995 – 2030 ............................................... 3
Hình 1.2. Bản đồ cường độ bức xạ mặt trời ở Việt Nam .................................................... 5
Hình 2.1. Pin quang điện ..................................................................................................... 12
Hình 2.2. Cấu tạo pin quang điện Silic ............................................................................... 13
Hình 2.3. Sơ đồ cấu trúc của pin quang điện Silic ............................................................. 13
Hình 2.4. Nguyên lý hoạt động của pin quang điện........................................................... 14
Hình 2.5. Pin quang điện nhạy cảm chất màu DSC........................................................... 15
Hình 2.6. Cấu tạo của Pin quang điện nhạy cảm chất màu DSC...................................... 16
Hình 2.7. Nguyên lý hoạt động của Pin quang điện nhạy cảm chất màu DSC ............... 17

Hình 2.26. Tổng trở vào Rin được điều chỉnh bằng D ..................................................... 36
Hình 2.27. Đường đặc tính làm việc của pin khi cường độ bức xạ thay đổi ở cùng một
mức nhiệt độ.......................................................................................................................... 36
Hình 2.28. Đặc tính làm việc I – V của pin khi nhiệt độ thay đổi ở cùng một mức cường
độ bức xạ................................................................................................................................ 37
Hình 2.29. Phương pháp tìm điểm làm việc công suất lớn nhất P&O ............................. 37
Hình 2.30. Lưu đồ thuật toán Phương pháp P&O ............................................................. 39
Hình 2.31. Sơ đồ khối phương pháp điều khiển MPPT sử dụng bộ bù PI....................... 40
Hình 2.32. Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển trực tiếp MPPT............................... 40
Hình 2.33. Mối quan hệ giữa tổng trở vào của mạch Boost và hệ số làm việc D............ 45
Hình 2.34. Các chế độ nạp ắc quy....................................................................................... 48
Hình 2.35. Đặc tính phóng của ắc quy................................................................................ 50
Hình 2.36. Sơ đồ đặc tính nạp với dòng điện không đổi ................................................... 51
Hình 3.1. Mô hình mô phỏng một phần tử pin mặt trời .................................................... 54
Hình 3.2. Đặc tuyến I-V, P-V khi thay đổi Rs ................................................................... 55
Hình 3.3. Đặc tuyến I-V và P-V khi Is thay đổi................................................................. 56
Hình 3.4. Đặc tuyến I-V và P-V khi T thay đổi ................................................................. 57
Hình 3.4. Lưu đồ giải thuật P&O........................................................................................ 58
Hình 3.5. Mô hình MPPT phương pháp P&O điều khiển sạc trong hệ thống pin năng
lượng mặt trời........................................................................................................................ 59
Hình 3.6. Mô phỏng hệ thống pin năng lượng mặt trời..................................................... 60
Hình 3.7. Sơ đồ tổng quát thuật toán P&O và mạch tăng giảm điện áp........................... 60
Hình 3.8. Mô phỏng mạch Buck - Boost............................................................................ 60
Hình 3.9. Mô phỏng mạch sạc ắc quy lưu trữ .................................................................... 61
Hình 3.10. Mô phỏng mạch Boost điện áp......................................................................... 61

HVTH: Huỳnh Lâm Ngọc Tâm

xii


Bảng 3.3. Giá trị Vm, Pm khi T thay đổi ........................................................................ 58

HVTH: Huỳnh Lâm Ngọc Tâm

xiv


Luận văn Thạc sĩ

GVHD: TS. Trương Đình Nhơn

Chương 1

TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu
Năng lượng có vai trò đặc biệt quan trọng trong việc duy trì mức tăng trưởng
kinh tế cao, cải thiện đời sống nhân dân, góp phần đảm bảo an ninh chính trị, an
ninh năng lượng và phát triển bền vững của mỗi quốc gia.
Ngày nay, do sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật, các ngành công
nghiệp sử dụng các dạng năng lượng tăng mạnh (phụ tải tăng). Cùng với sự biến đổi
khí hậu diễn biến phức tạp nên việc sử dụng năng lượng ngày càng tăng, nguồn
năng lượng thiên nhiên khai thác tăng nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng năng lượng
trên toàn cầu, nguồn năng lượng hóa thạch thì có hạn, con người khai thác đến một
lúc nào đó sẽ hết, sẽ dần cạn kiệt, hơn nữa việc khai thác và sử dụng nguồn năng
lượng hóa thạch, thủy điện,…đã để lại cho con người những hậu quả về tác động
môi trường là vô cùng lớn. Cụ thể, khi sử dụng nguồn nguyên liệu này thải ra môi
trường các loại khí độc làm ô nhiễm bầu khí quyển từ đó làm thay đổi khí hậu, tác
động xấu đến cuộc sống của con người trong hiện nay và trong tương lai.
Ngày nay, khi tiềm năng thủy điện được khai thác gần hết, còn nguyên liệu
như than đá, dầu khí thì không có khả năng tái tạo và sẽ cạn kiệt trong tương lai,

chính phủ phê duyệt, lượng năng lượng tái tạo và năng lượng mới sẽ đạt mức 5,6%
tổng sản lượng điện quốc gia vào năm 2020 và tăng trưởng đến mức 9,4% vào năm
2030. Vì nguồn năng lượng này có nhiều ưu điểm như chi phí bảo dưỡng thấp, an
toàn cho người sử dụng, không gây ô nhiễm môi trường và đặc biệt nguồn tài
nguyên này vô cùng phong phú.
Việt Nam có vị trí địa lý nằm gần đường xích đạo nên chúng ta có nguồn năng
lượng tái tạo vô cùng lớn, đặc biệt năng lượng mặt trời có cường độ bức xạ tương
đối cao, với bức xạ trung bình đạt 4 đến 5 kWh/m2 mỗi ngày. Các khu vực có
cường độ ánh sáng cao phải kể đến khu vực phía Nam có những khu vực cường độ
ánh sáng lên đến 5 kWh/m2 thời gian nắng lên đến 7000 h/năm. Như vậy có thể nói
ở khu vực phía Nam là nơi thuận lợi để khai thác tiềm năng năng lượng mặt trời.
Các khu vực còn lại như ở phía Bắc do điều kiện khí hậu 4 mùa thay đổi do đó thời
gian có năng ở khu vực này không cao, cường độ ánh sáng trung bình thấp, chỉ có
một vài tháng hè có cường độ ánh sáng cao nhưng tính thời gian trung bình có nắng
trong năm lại thấp do đó ở các khu vực này khó sử dụng pin mặt trời hơn, nếu sử
dụng thì sản lượng điện thu được cũng không cao do đó tính hiệu quả kinh tế sẽ
thấp.
Kinh tế Việt Nam đã có bước phát triển khá nhanh trong những năm gần đây.
Mức sống của người dân đặc biệt là khu đô thị ngày một nâng cao do đó nhu cầu sử
dụng điện năng với chất lượng cao cũng tăng. Theo các tính toán dự báo thì các

HVTH: Huỳnh Lâm Ngọc Tâm

2


Luận văn Thạc sĩ

GVHD: TS. Trương Đình Nhơn


đạt 100,071tỷ kWh bao gồm cả sản lượng điện bán cho Campuchia, sản lượng điện
toàn quốc là 99,106tỷ kWh chưa tính sản lượng điện bị tiết giảm, tăng 14,37% so
với năm 2009. Mức tăng trưởng này cao hơn tốc độ tăng trung bình các năm gần
đây (1999 ~ 2009) chỉ là 13,84%. Về nhu cầu phụ tải năm 2010, công suất cực đại
đạt cao nhất là 15.416MW tăng 11,64% so với năm 2009 (Tô Quốc Trụ - Trung
tâm Tư vấn Năng lượng Việt Nam). Theo các phân tích trên đây, thì việc phát triển
máy phát điện năng lượng mặt trời là rất cần thiết khi khu vực thành phố sẽ có nguy
cơ thiếu điện.
Bảng 1.1. Dự báo nhu cầu năng lượng điện 2015 - 2030
Năm

Dự báo nhu cầu năng
lượng điện (tỷ kWh)

Thị phần năng lượng tái tạo (%)

2015

194 - 210

3,5

2020

330 - 362

4,5

2030



0

0

2

1

5

4