BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LÊ THUẬN THÁI HÒA

NGHIÊN CỨU VẬN HÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN
NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI TẠI ĐIỂM
CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 9 NĂM 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LÊ THUẬN THÁI HÒA

NGHIÊN CỨU VẬN HÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN
NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI TẠI ĐIỂM
CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202
HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. HUỲNH CHÂU DUY

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 09 NĂM 2016


4

Ủy viên

5

Ủy viên, Thƣ ký
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã đƣợc

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


TRƢỜNG ĐH SPKT TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
PHÒNG ĐTSĐH

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

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: LÊ THUẬN THÁI HÒA

Giới tính: NAM

Ngày, tháng, năm sinh:

Nơi sinh:

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN


Tôi cũng xin cam đoan các nội dung tham khảo trong Luận văn đã đƣợc trích
dẫn đầy đủ nguồn gốc.
Học viên thực hiện Luận văn

Lê Thuận Thái Hòa

i


LỜI CÁM ƠN
Đầu tiên, xin chân thành cám ơn Thầy TS. Huỳnh Châu Duy đã tận tình giúp
đỡ, đóng góp những ý kiến quý báu và hƣớng dẫn em thực hiện Luận văn này.
Xin cám ơn quý Thầy, Cô đã trang bị cho em các kiến thức quý báu trong
quá trình học tập giúp em đủ kiến thức để thực hiện Luận văn này.
Cuối cùng, xin cám ơn Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp. HCM; Khoa
Điện - Điện tử; Phòng 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.
Học viên thực hiện Luận văn

Lê Thuận Thái Hòa

ii


TÓM TẮT
Luận văn tập trung các vấn đề liên quan đến “Nghiên cứu vận hành hệ
thống điện năng lƣợng mặt trời tại điểm công suất cực đại” mà bao gồm các nội
dung nhƣ sau:
+ Chƣơng 1: Giới thiệu chung
+ Chƣơng 2: Tổng quan nguồn năng lƣợng điện mặt trời

DANH SÁCH BẢNG ...............................................................................................x
CHƢƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG .........................................................................1
1.1. Giới thiệu........................................................................................................1
1.2. Tính cấp thiết của đề tài ..................................................................................2
1.3. Đối tƣợng nghiên cứu .....................................................................................3
1.4. Phạm vi nghiên cứu ........................................................................................3
1.5. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu ...................................................................3
1.6. Phƣơng pháp nghiên cứu ................................................................................4
1.7. Bố cục của luận văn ........................................................................................4
CHƢƠNG 2 TỔNG QUAN NGUỒN NĂNG LƢỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI ............5
2.1. Năng lƣợng mặt trời .......................................................................................5
2.2. Ứng dụng của năng lƣợng mặt trời [1]-[2] .....................................................7
2.2.1. Hệ thống pin quang điện ..........................................................................7
2.2.2. Máy nƣớc nóng sử dụng năng lƣợng mặt trời ..........................................7
2.2.3. Ứng dụng năng lƣợng mặt trời trong nuôi trồng thủy sản ........................7
2.2.4. Sấy nông sản bằng năng lƣợng mặt trời ...................................................9
2.2.5. Máy ấp trứng sử dụng năng lƣợng mặt trời ........................................... 10
2.2.6. Hệ thống đèn năng lƣợng mặt trời ......................................................... 11
2.2.7. Bếp nấu sử dụng năng lƣợng mặt trời .................................................... 12
2.2.8. Thiết bị chƣng cất nƣớc sử dụng năng lƣợng mặt trời ........................... 13
2.2.9. Động cơ Stirling sử dụng năng lƣợng mặt trời....................................... 13

v


2.3. Tổng quan tình hình nghiên cứu ................................................................... 14
CHƢƠNG 3 PIN QUANG ĐIỆN............................................................................ 17
3.1. Giới thiệu...................................................................................................... 17
3.2. Nguyên lý hoạt động của tế bào quang điện ................................................. 19
3.3. Ảnh hƣởng của độ bức xạ và nhiệt độ lên tấm quang điện ........................... 20

Trang

Hình 2.1. Bức xạ mặt trời ngoài khí quyển................................................................6
Hình 2.2. Mô hình ứng dụng năng lƣợng mặt trời vào nuôi trồng thuỷ sản ...............7
Hình 2.3. Mô hình ứng dụng năng lƣợng mặt trời vào nuôi trồng thủy sản ở
đồng bằng sông Cửu Long .......................................................................8
Hình 2.4. Sấy trực tiếp nông sản bằng năng lƣợng mặt trời.......................................9
Hình 2.5. Mô hình máy ấp trứng tự động sử dụng năng lƣợng mặt trời .................. 10
Hình 2.6. Cổng chào sử dụng hệ thống chiếu năng lƣợng mặt trời tại nghĩa trang
Hàng Dƣơng, Côn Đảo ........................................................................... 12
Hình 2.7. Bếp năng lƣợng mặt trời tại tỉnh Quảng Nam .......................................... 12
Hình 2.8. Động cơ stirling sử dụng năng lƣợng mặt trời ......................................... 13
Hình 3.1. Cấu trúc một mảng PV ............................................................................ 18
Hình 3.2. Nguyên lý hoạt động của tế bào quang điện ............................................ 19
Hình 3.3. Ảnh hƣởng của điện áp và dòng điện theo độ bức xạ .............................. 20
Hình 3.4. Ảnh hƣởng của công suất điện theo độ bức xạ ........................................ 21
Hình 3.5. Ảnh hƣởng của điện áp và dòng điện theo nhiệt độ ................................. 22
Hình 3.6. Ảnh hƣởng của công suất điện theo nhiệt độ ........................................... 22
Hình 3.7. Hệ thống PV kết nối lƣới điện ................................................................. 23
Hình 3.8. Hệ thống PV độc lập ................................................................................ 24
Hình 3.9. Hệ thống PV độc lập trực tiếp ................................................................. 24
Hình 4.1. Quan hệ điện áp và dòng điện của PV ..................................................... 25
Hình 4.2. Giải thuật P&O khi tìm điểm làm việc có công suất lớn nhất .................. 26
Hình 4.3. Lƣu đồ giải thuật P&O ............................................................................ 28
Hình 4.4. Sự thay đổi điểm MPP theo gia tăng bức xạ ............................................ 29
Hình 4.5. Giải thuật InC .......................................................................................... 30
Hình 4.6. Lƣu đồ giải thuật InC............................................................................... 32
Hình 4.7. Lƣu đồ giải thuật điện áp không đổi ........................................................ 33

vii


viii


Hình 5.11. Công suất ngõ ra đạt đƣợc trong trƣờng hợp sử dụng và không sử
dụng thuật toán InC cải tiến tƣơng ứng với sự thay đổi chậm của bức
xạ mặt trời .............................................................................................. 49
Hình 5.12. So sánh công suất ngõ ra đạt đƣợc trong trƣờng hợp sử dụng thuật
toán InC và thuật toán InC cải tiến tƣơng ứng với sự thay đổi chậm
của bức xạ mặt trời ................................................................................. 49
Hình 5.13. Mô phỏng sự thay đổi nhanh của bức xạ mặt trời của pin quang điện
RS - P618 - 22 ........................................................................................ 50
Hình 5.14. Công suất ngõ ra đạt đƣợc trong trƣờng hợp sử dụng và không sử
dụng thuật toán InC tƣơng ứng với sự thay đổi nhanh của bức xạ mặt
trời .......................................................................................................... 51
Hình 5.15. Công suất ngõ ra đạt đƣợc trong trƣờng hợp sử dụng và không sử
dụng thuật toán InC cải tiến tƣơng ứng với sự thay đổi nhanh của
bức xạ mặt trời ....................................................................................... 51
Hình 5.16. So sánh công suất ngõ ra đạt đƣợc trong trƣờng hợp sử dụng thuật
toán InC và thuật toán InC cải tiến tƣơng ứng với sự thay đổi nhanh
của bức xạ mặt trời ................................................................................. 52
Hình 5.17. Mô phỏng sự tăng và giảm của bức xạ mặt trời của pin quang điện
RS - P618 - 22 ........................................................................................ 53
Hình 5.18. Công suất ngõ ra đạt đƣợc trong trƣờng hợp sử dụng và không sử
dụng thuật toán InC tƣơng ứng với sự tăng và giảm của bức xạ mặt
trời .......................................................................................................... 54
Hình 5.19. Công suất ngõ ra đạt đƣợc trong trƣờng hợp sử dụng và không sử
dụng thuật toán InC cải tiến tƣơng ứng với sự tăng và giảm của bức
xạ mặt trời .............................................................................................. 54
Hình 5.20. So sánh công suất ngõ ra đạt đƣợc trong trƣờng hợp sử dụng thuật

môi trƣờng bằng khí COx và NOx; còn điện hạt nhân có khả năng gây nhiều nguy cơ
kinh khủng hơn nữa. Nếu có thể tận dụng đƣợc nguồn năng lƣợng mặt trời để phục
vụ đời sống và phát triển đất nƣớc là một công việc rất có ích và có thể bảo vệ môi
trƣờng sinh thái đƣợc bền vững [1].
Một trong các ứng dụng chính ở tầm vĩ mô của nguồn năng lƣợng mặt trời là
bài toán sản xuất năng lƣợng điện thông qua hệ thống pin quang điện (Photovoltaic
cell, PV). Các ứng dụng này có thể độc lập trong các hộ gia đình, phục vụ chiếu
sáng công cộng, phƣơng tiện di chuyển, quân sự và các ứng dụng không gian hoặc
là một hệ thống điện năng lƣợng mặt trời sử dụng PV đƣợc kết nối với lƣới điện
quốc gia. Trong các hệ thống PV này đang tồn tại hai vấn đề lớn:
- Hiệu suất chuyển đổi của năng lƣợng mặt trời thành năng lƣợng điện là rất
thấp (9 ÷ 17%), đặc biệt là trong các điều kiện bức xạ thấp;

1


- Năng lƣợng điện đƣợc tạo ra bởi PV thay đổi liên tục dƣới các điều kiện
thời tiết khác nhau.
Mặt khác, đặc tính V–I của PV là phi tuyến và cũng sẽ thay đổi dƣới các điều
kiện nhiệt độ và bức xạ khác nhau. Trên các đặc tuyến V–I hoặc V–P, tồn tại một
điểm làm việc duy nhất mà đƣợc gọi là điểm công suất cực đại (Maximum power
point, MPP). Vị trí của các MPP là không xác định trƣớc đƣợc, nhƣng có thể xác
định đƣợc thông qua các mô hình tính toán hoặc các thuật toán tìm kiếm trong quá
trình vận hành. Khi các MPP đã đƣợc xác định, các kỹ thuật bám MPP sẽ đƣợc sử
dụng để duy trì điểm làm việc của các PV luôn luôn là tại MPP.
Bên cạnh đó, việc kết nối lƣới hệ thống điện năng lƣợng mặt trời cũng là một
trong các giải pháp đƣợc xem xét cho bài toán lƣu trữ năng lƣợng điện mặt trời mà
đang phải gánh chịu các chỉ trích mạnh mẽ liên quan đến ô nhiễm môi trƣờng khi
con ngƣời sử dụng các phƣơng án lƣu trữ thông qua ắc-quy.
Với các phân tích trên cho thấy rằng hiệu suất chuyển đổi năng lƣợng mặt

- Nghiên cứu lý thuyết pin quang điện (PV) và các đặc tính V-I, V-P của nó.
- Nghiên cứu các thuật toán bám điểm công suất cực đại của PV dƣới các
điều kiện bức xạ và nhiệt độ khác nhau sao cho có thể tối ƣu hóa năng lƣợng thu
đƣợc.
1.5. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
Đề tài “Nghiên cứu vận hành hệ thống điện năng lƣợng mặt trời tại điểm
công suất cực đại” sẽ đƣợc thực hiện với các mục tiêu và nội dung nhƣ sau:
- Khảo sát nguồn năng lƣợng mặt trời.
- Nghiên cứu các đặc tính V-I và V-P của PV.
- Nghiên cứu và xây dựng một hệ thống điện sử dụng năng lƣợng mặt trời
thông qua PV.
- Nghiên cứu các thuật toán bám điểm công suất cực đại của hệ thống PV.
- Nghiên cứu vận hành hệ thống điện năng lƣợng mặt trời tại điểm công suất
cực đại.

3


- Mô phỏng các đặc tính V-I và V-P của PV.
- Mô phỏng nguyên lý làm việc của hệ thống điện sử dụng năng lƣợng mặt
trời thông qua PV.
- Mô phỏng vận hành hệ thống điện năng lƣợng mặt trời tại điểm công suất
cực đại.
1.6. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu các tài liệu về vận hành hệ thống điện năng lƣợng mặt trời sử
dụng PV tại điểm công suất cực đại.
- Tổng hợp, phân tích và đề xuất thuật toán điều khiển bám điểm công suất
cực đại của một hệ thống điện năng lƣợng mặt trời sử dụng PV.
1.7. Bố cục của luận văn
Bố cục của luận văn gồm 6 chƣơng:

rằng mặt trời có ít nhất 2/3 số nguyên tố tìm thấy trên Trái đất. Nguyên tố phổ biến
nhất trên Mặt trời là nguyên tố nhẹ nhất Hydrogen. 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 nhƣ 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 lƣợng bức xạ của Mặt trời chính là do phản ứng tổng hợp hạt
nhân Hydrô, phản ứng này tạo thành Hêli. Hạt nhân của Hydrô có một hạt mang
điện dƣơng là proton. Thông thƣờng, những hạt mang điện cùng dấu đẩy nhau,
nhƣng ở nhiệt độ đủ cao chuyển động của chúng sẽ nhanh tới mức chúng có thể tiến

5


gần tới nhau ở một khoảng cách mà ở đó có thể kết hợp với nhau dƣới tác dụng của
các lực hút.
Trong quá trình diễn biến của phản ứng có một lƣợng vật chất của Mặt trời bị
mất đi. Do đó, khối lƣợng của Mặt trời giảm khoảng 4.106 tấn/s. Tuy nhiên, theo
các nhà nghiên cứu, trạng thái của Mặt trời vẫn không thay đổi trong thời gian hàng
tỷ năm nữa. M i ngày, Mặt trời sản xuất một nguồn năng lƣợng qua phản ứng nhiệt
hạch lên đến 91024 kWh (tức là chƣa đầy một phần triệu giây Mặt trời đã giải
phóng ra một lƣợng năng lƣợng tƣơng đƣơng với tổng số điện năng sản xuất trong
một năm trên Trái đất).
Việt Nam là nƣớc có tiềm năng về năng lƣợng mặt trời, trải dài từ vĩ độ 80
Bắc đến 230 Bắc, nằm trong khu vực có cƣờng độ bức xạ mặt trời tƣơng đối cao,
với số giờ nắng trung bình 2.200 giờ/năm và cƣờng độ bức xạ cao nhất có thể đến
980 W/m2. Do đó, việc sử dụng năng lƣợng mặt trời ở nƣớc ta sẽ đem lại hiệu quả
kinh tế lớn. Thiết bị sử dụng năng lƣợng mặt trời ở Việt Nam hiện nay chủ yếu là hệ
thống cung cấp điện dùng pin mặt trời, hệ thống nấu cơm có gƣơng phản xạ, hệ
thống cung cấp nƣớc nóng, chƣng cất nƣớc dùng năng lƣợng mặt trời, dùng năng
lƣợng mặt trời chạy các động cơ nhiệt ( động cơ Stirling ), và ứng dụng năng lƣợng

7


hấp thụ bức xạ mặt trời nhất nhằm mục đích cung cấp nguồn điện cho toàn bộ hệ
thống. Pin mặt trời hấp thụ năng lƣợng mặt trời, chuyển đổi năng lƣợng mặt trời
thành năng lƣợng điện và lƣu trữ năng lƣợng điện thông qua hệ thống ắc-quy.
Nguồn điện từ ắc-quy sẽ cung cấp cho các thiết bị thổi khí oxy vận hành. Thiết bị
lƣu trữ năng lƣợng điện là 2 ắc-quy, 12 VDC đƣợc mắc nối tiếp tạo thành nguồn 24
VDC cung cấp cho hệ thống điện chiếu sáng, động cơ DC sục khí, công suất 120 W,
động cơ bơm nƣớc.
Kết quả thử nghiệm cho thấy, ngoài tiết kiệm chi phí nhiên liệu, hệ thống tạo
khí cho ao nuôi bằng năng lƣợng mặt trời còn loại bỏ khả năng gây ô nhiễm môi
trƣờng, không tạo ra các chất gây bẩn trong hệ thống ao hồ và không gây ra tiếng
ồn. Hệ thống đảm bảo cấp điện liên tục trong quá trình nuôi thủy sản khi môi trƣờng
thời tiết ổn định, tính an toàn cao bởi sử dụng nguồn điện một chiều điện áp thấp.
Rõ ràng rằng, đây là một mô hình có thể đƣợc ứng dụng và triển khai rộng rãi.
Theo tính toán của nhà sản xuất, với diện tích ao nuôi khoảng 0,5 ha, nếu sử
dụng động cơ dầu diesel để vận hành dàn quạt, chi phí sản xuất trung bình m i vụ nuôi
khoảng 30 triệu đồng. Trong khi đó, nếu sử dụng hệ thống tạo khí O2 bằng năng lƣợng
mặt trời, chi phí sản xuất sẽ không đáng kể do không tốn chi phí nhiên liệu.

Hình 2.3. Mô hình ứng dụng năng lƣợng mặt trời vào nuôi trồng thủy sản ở đồng
bằng sông Cửu Long

8