BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

---------------------------

NGUYỄN DUY AN

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐIỂM CÔNG
SUẤT CỰC ĐẠI CỦA MỘT HỆ PIN MẶT TRỜI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

---------------------------

NGUYỄN DUY AN

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐIỂM CÔNG
SUẤT CỰC ĐẠI CỦA MỘT HỆ PIN MẶT TRỜI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. HUỲNH CHÂU DUY
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2016

sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV


TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
PHÒNG QLKH – ĐTSĐH

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
Tp.HCM, ngày......tháng........năm 20...

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: NGUYỄN DUY AN

Giới tính: NAM

Ngày, tháng, năm sinh:

Nơi sinh:

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN

MSHV:

I- Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CỦA MỘT
HỆ PIN MẶT TRỜI
II- Nhiệm vụ và nội dung:
- Tổng quan tình hình khai thác và sử dụng năng lượng điện mặt trời tại Việt Nam.
- Nghiên cứu và mô phỏng các đặc tính V-I và V-P của pin quang điện.
- Nghiên cứu và phân tích các đặc tính V-I và V-P của pin quang điện.

Xin cảm ơn tập thể lớp 14SMĐ11 đã động viên và giúp đỡ em trong quá
trình thực hiện Luận văn này.
Cuối cùng, xin cám ơn Trường Đại học Công nghệ TP. HCM; Khoa Cơ Điện - Điện tử; Phòng Quản lý Khoa học - Đào tạo sau Đại học và Cơ quan nơi em
đang công tác đã tạo các điều kiện tốt nhất cho em thực hiện Luận văn này.

Nguyễn Duy An


i

Tóm tắt
Luận văn tập trung các vấn đề liên quan đến “Nghiên cứu điều khiển
bám điểm công suất cực đại của một hệ pin mặt trời” mà bao gồm các nội
dung như sau:
+ Chương 1: Giới thiệu chung
+ Chương 2: Tổng quan tình hình nghiên cứu và khai thác nguồn năng
lượng điện mặt trời
+ Chương 3: Pin quang điện
+ Chương 4: Giải thuật bám điểm công suất cực đại
+ Chương 5: Mô phỏng điều khiển bám điểm công suất cực đại của một
hệ pin mặt trời
+ Chương 6: Kết luận và hướng phát triển tương lai


ii

Abstract
The thesis presents issues relating to "Maximum power point tracking
control of solar energy systems" that includes the following contents:
+ Chapter 1: Introduction

2.5. Ứng dụng năng lượng mặt trời ............................................................ 13
2.5.1. Pin mặt trời ....................................................................................... 14
2.5.2. Nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời ............................ 15
2.5.3. Động cơ Stirling chạy bằng năng lượng mặt trời ............................. 16
2.5.4. Thiết bị đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời ........................... 17
2.5.5. Thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí dùng năng lượng mặt trời 18
2.6. Tình hình khai thác năng lượng mặt trời tại Việt Nam ....................... 19
2.7. Tổng quan tình hình nghiên cứu .......................................................... 23


iv

Chương 3 - Pin quang điện .......................................................................... 26
3.1. Giới thiệu .............................................................................................. 26
3.2. Sơ đồ thay thế đơn giản của PV ........................................................... 28
3.3. Sơ đồ thay thế của PV có xét đến các tổn hao...................................... 29
3.4. Module PV............................................................................................ 30
3.5. Mảng PV ............................................................................................... 32
3.5.1. Nối nối tiếp nhiều module PV ........................................................... 32
3.5.2. Nối song song nhiều module PV ....................................................... 32
3.5.3. Nối hỗn hợp nhiều module PV .......................................................... 33
3.6. Các ảnh hưởng đến PV ......................................................................... 33
3.6.1. Ảnh hưởng của cường độ chiếu sáng ................................................ 33
3.6.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ .................................................................... 34
3.6.3. Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm ................................................ 35
3.7. Các hệ thống PV ứng dụng................................................................... 39
3.7.1. Hệ thống PV kết nối lưới................................................................... 39
3.7.2. Hệ thống PV độc lập ......................................................................... 40
3.7.3. Hệ thống PV kết hợp ......................................................................... 40
Chương 4 - Giải thuật bám điểm công suất cực đại .................................... 45

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 2.1. Cấu trúc của mặt trời
Hình 2.2. Quỹ đạo trái đất quay quanh mặt trời
Hình 2.3. Một cách nhìn quỹ đạo trái đất để dễ tính góc 
Hình 2.4. Góc cao độ mặt trời
Hình 2.5. Dải bức xạ điện từ
Hình 2.6. Góc nhìn mặt trời
Hình 2.7. Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển của
trái đất
Hình 2.8. Hệ thống pin mặt trời
Hình 2.9. Nhà máy điện mặt trời
Hình 2.10. Tháp năng lượng mặt trời
Hình 2.11. Động cơ Stirling dùng năng lượng mặt trời
Hình 2.12. Hệ thống cung cấp nước nóng dùng năng lượng mặt trời
Hình 2.13. Tủ lạnh dùng pin mặt trời
Hình 2.14. Hệ thống lạnh hấp thụ dùng năng lượng mặt trời
Hình 2.15. Hệ thống máy lạnh năng lượng mặt trời
Hình 3.1. Phổ năng lượng mặt trời
Hình 3.2. Nguyên tắc chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện
của PV
Hình 3.3. Mô hình đơn giản của PV
Hình 3.4. Sơ đồ thay thế đơn giản của PV
Hình 3.5. Các tham số quan trọng của PV: dòng điện ngắn mạch, Isc và điện áp
hở mạch, Voc
Hình 3.6. Mô hình thay thế PV có xét đến các tổn hao
Hình 3.7. Đặc tính PV có xét đến các ảnh hưởng của Rs và Rp
Hình 3.8. Module PV
Hình 3.9. Đặc tính của module PV
Hình 3.10. Các module PV được kết hợp nối tiếp với nhau


Hình 4.9. Lưu đồ giải thuật P&O cải tiến
Hình 4.10. Sơ đồ khối phương pháp điều khiển MPPT sử dụng bộ bù PI
Hình 4.11. Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển trực tiếp MPPT


viii

Hình 4.12. Mối quan hệ giữa tổng trở vào Rin và hệ số làm việc D
Hình 5.1. Pin quang điện RS - P618 - 22
Hình 5.2. Sơ đồ mô phỏng điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ thống
pin quang điện
Hình 5.3. Đặc tính V-I của pin quang điện RS - P618 - 22
Hình 5.4. Đặc tính V-P của pin quang điện RS - P618 - 22
Hình 5.5. Đặc tính V-I của pin quang điện RS - P618 - 22 trong trường hợp
nhiệt độ không đổi (t = 250C) và bức xạ mặt trời thay đổi (G = 1kW/m2 
5kW/m2)
Hình 5.6. Đặc tính V-P của pin quang điện RS - P618 - 22 trong trường hợp
nhiệt độ không đổi (t = 250C) và bức xạ mặt trời thay đổi (G = 1kW/m2 
5kW/m2)
Hình 5.7. Đặc tính V-I của pin quang điện RS - P618 - 22 trong trường hợp
nhiệt độ thay đổi (t = 250C  1000C) và bức xạ mặt trời không đổi (G = 1
kW/m2)
Hình 5.8. Đặc tính V-P của pin quang điện RS - P618 - 22 trong trường hợp
nhiệt độ thay đổi (t = 250C  1000C) và bức xạ mặt trời không đổi (G = 1
kW/m2)
Hình 5.9. Mô phỏng sự thay đổi chậm của bức xạ mặt trời của pin quang điện
RS - P618 - 22
Hình 5.10. Công suất ngõ ra đạt được trong trường hợp sử dụng và không sử
dụng thuật toán P&O tương ứng với sự thay đổi chậm của bức xạ mặt trời
Hình 5.11. Công suất ngõ ra đạt được trong trường hợp sử dụng và không sử


x

DANH SÁCH BẢNG
Bảng 2.1. Bảng ngày số n của ngày đầu tiên của mỗi tháng
Bảng 2.2. Bảng thống kê góc  của ngày 21 mỗi tháng
Bảng 2.3. Tiềm năng năng lượng mặt trời tại Việt Nam
Bảng 3.1. Bảng phân loại tuần hoàn trích lược với tinh thể Silicon thuộc nhóm
IV
Bảng 4.1. Bảng tóm tắt giải thuật P&O


1

Chương 1
Giới thiệu chung
1.1. Giới thiệu
Vấn đề khủng hoảng năng lượng điện đã và đang được các quốc trên thế
giới, trong đó có Việt Nam đặc biệt quan tâm. Để giải quyết vấn đề này, đã có
rất nhiều các đề xuất của việc sử dụng các dạng năng lượng khác nhau để tạo ra
năng lượng điện. Một trong số đó có năng lượng mặt trời.
Mặt trời là một khối cầu lửa khổng lồ, tại đó những phản ứng nhiệt hạch
xảy ra liên tục và phát ra nguồn năng lượng dường như vô tận. Những phản ứng
nhiệt hạch trên mặt trời đã và đang diễn ra hàng triệu triệu năm mà chưa ai dự
đoán được thời điểm kết thúc của nó. Quả cầu lửa mặt trời khổng lồ này mới chỉ
truyền một phần năng lượng nhỏ bé của nó xuống trái đất với khoảng cách hàng
triệu km. Năng lượng mặt trời đã mang lại sự sống cho trái đất và cũng có thể
thiêu trụi cả trái đất nếu trái đất không có tầng ô zôn và khí quyển bảo vệ.
Có thể nhận thấy rằng, năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng
sạch không giống như bất kỳ một nguồn năng lượng nào khác mà chúng ta đang

một trong các giải pháp được xem xét cho bài toán lưu trữ năng lượng điện mặt
trời mà đang phải gánh chịu các chỉ trích mạnh mẽ liên quan đến ô nhiễm môi
trường khi con người sử dụng các phương án lưu trữ thông qua ắc-quy.
Với các phân tích trên cho thấy rằng hiệu suất chuyển đổi năng lượng
mặt trời thành năng lượng điện của hệ PV là hoàn toàn có thể được tối ưu,
nhằm nâng cao hiệu quả khai thác. Điều này cũng có nghĩa là sẽ giảm bớt gánh
nặng cho các nguồn năng lượng điện truyền thống như thủy điện hay nhiệt
điện.
Ngoài ra, việc lưu trữ nguồn năng lượng điện từ các nguồn năng lượng
tái tạo, cụ thể là năng lượng mặt trời cũng là một bài toán khó. Giải pháp kết
nối hệ thống điện năng lượng mặt trời với lưới điện quốc gia là một trong các
giải pháp được đánh giá hiệu quả cao.
Chính vì các lý do trên, đề tài “Nghiên cứu điều khiển bám điểm công
suất cực đại của một hệ pin mặt trời” được lựa chọn và thực hiện trong luận
văn này.


3

1.2. Tính cấp thiết của đề tài
Nguồn điện đang gánh chịu các áp lực nặng nề của sự cạn kiệt các
nguồn nhiên liệu sơ cấp truyền thống (nước, nhiên liệu hóa thạch,...). Để giảm
bớt các gánh nặng này, cũng như nâng cao hiệu quả khai thác của các nguồn
năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời, đề tài nghiên cứu điều khiển
bám điểm công suất cực đại và kết nối lưới của một hệ thống điện năng lượng
mặt trời là thật sự cần thiết để được nghiên cứu và triển khai.
1.3. Đối tượng nghiên cứu
Các nghiên cứu sẽ được thực hiện trên mô hình hệ thống điện năng
lượng mặt trời bao gồm:
- Hệ thống pin quang điện, PV.

một hệ thống điện năng lượng mặt trời sử dụng PV.
- Phân tích, tổng hợp và đề xuất thuật toán điều khiển bám điểm công
suất cực đại của một hệ thống điện năng lượng mặt trời sử dụng PV.
1.7. Bố cục của luận văn
Bố cục của luận văn gồm 6 chương:
+ Chương 1: Giới thiệu chung
+ Chương 2: Tổng quan tình hình nghiên cứu và khai thác nguồn năng
lượng điện mặt trời
+ Chương 3: Pin quang điện
+ Chương 4: Giải thuật bám điểm công suất cực đại
+ Chương 5: Mô phỏng điều khiển bám điểm công suất cực đại của một
hệ pin mặt trời
+ Chương 6: Kết luận và hướng phát triển tương lai


5

Chương 2
Tổng quan tình hình nghiên cứu và khai thác nguồn
năng lượng điện mặt trời
2.1. Cấu trúc mặt trời
Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1,390106 km (lớn hơn
110 lần đường kính Trái đất), cách xa trái đất 150106 km (bằng một đơn vị
thiên văn AU ánh sáng Mặt trời cần khoảng 8 phút để vượt qua khoảng này đến
Trái đất).
Khối lượng Mặt trời khoảng M0 =21030 kg. Nhiệt độ T0 trung tâm mặt
trời thay đổi trong khoảng từ 10106 0K đến 20106 0K, trung bình khoảng
15,6106 0K. Ở nhiệt độ này, vật chất không thể giữ được cấu trúc trật tự thông
thường gồm các nguyên tử và phân tử. Nó trở thành plasma, trong đó các hạt
nhân của nguyên tử chuyển động tách biệt với các electron. Khi các hạt nhân tự

Nguyên tố phổ biến nhất trên Mặt trời là nguyên tố nhẹ nhất Hydrogen. Vật
chất của Mặt trời bao gồm khoảng 73,46% là Hydrogen và gần 24,85% là
Hêlium, còn lại là các nguyên tố và các chất khác như Oxygen 0,77%; Carbon
0,29%; Iron 0,16%; Neon 0,12%; Nitrogen 0,09%; Silicon 0,07%; Magnesium
0,05% và Sulphur 0,04%.
Nguồn năng lượng bức xạ chủ yếu của Mặt trời là do phản ứng nhiệt
hạch tổng hợp hạt nhân Hyđrô, phản ứng này đưa đến sự tạo thành Hêli. Hạt
nhân của Hyđrô có một hạt mang điện dương là proton. Thông thường, những
hạt mang điện cùng dấu đẩy nhau, nhưng ở nhiệt độ đủ cao chuyển động của
chúng sẽ nhanh tới mức chúng có thể tiến gần tới nhau ở một khoảng cách mà


7

ở đó có thể kết hợp với nhau dưới tác dụng của các lực hút. Khi đó, cứ 4 hạt
nhân Hyđrô lại tạo ra một hạt nhân Hêli, 2 Neutrino và một lượng bức xạ.
1

4

4H → He + 2 Neutrino + 
1

2

(2.1)

Neutrino là hạt không mang điện, rất bền và có khả năng đâm xuyên rất
lớn. Sau phản ứng các Neutrino lập tức rời khỏi phạm vi mặt trời và không
tham gia vào các “biến cố” sau đó.


Bảng 2.1. Bảng ngày số n của ngày đầu tiên của mỗi tháng
Tháng

Một

Hai

Ba

Bốn

Năm

Sáu

Bảy

Tám

Chín

Mười

n

1

32


cao nhất của nó vào thời gian giữa trong ngày. Trong hình 2.2, trái đất quay
quanh mặt trời và khó có thể xác định góc của mặt trời so với mặt phẳng trái
đất.

Hình 2.2. Quỹ đạo trái đất quay quanh mặt trời
Một quan điểm khác để thuận tiện cho việc xác định, trong hình 2.3 trái
đất là cố định và quay quanh trục Bắc-Nam. Mặt trời nằm ở một số nơi trong
không gian từ từ di chuyển lên xuống như tiến độ mùa. Vào ngày 21 tháng 6
(hạ chí) mặt trời đạt đến điểm cao nhất của nó và một tia kẻ từ trung tâm của
trái đất đến trung tâm của mặt trời tạo thành với mặt phẳng xích đạo một góc
bằng 23,450. Góc này thay đổi khi trái đất di chuyển và được gọi là góc thiên
độ, ký hiệu là δ. Nó nằm trong khoảng từ -23,450 đến 23,450.
Một cách tính xấp xỉ gần đúng cho rằng một năm có 365 ngày và đặt
xuân phân vào ngày n = 81. Khi ấy, góc δ sẽ được tính:
 360
n  81
 365


  23.45 sin 

(2.3)


9

Hình 2.3. Một cách nhìn quỹ đạo trái đất để dễ tính góc δ
Từ công thức (2.3) ta có thể tính được góc δ:
Bảng 2.2. Bảng thống kê góc δ của ngày 21 mỗi tháng
Tháng


20.1

23.4

20.4

11.8

0

-11.8

Mười

Mười

một

hai

-20.4

-23.4

Hình 2.3 không thể hiện được quỹ đạo quay của trái đất quanh mặt trời,
nhưng nó lại thích hợp cho việc hiển thị các vĩ độ khác nhau và góc để tính
toán thu nhận năng lượng mặt trời, cụ thể đó là góc cao độ βN của mặt trời vào
buổi trưa. Góc cao độ là góc giữa tia sáng mặt trời và đường chân trời.