BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

ĐÀO THỊ VUI

XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐIỂM
CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI, NĂM 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

ĐÀO THỊ VUI

XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐIỂM
CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện
Mã số: 60520202

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS Phạm Đức Đại

HÀ NỘI, NĂM 2017

MỤC LỤC
MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH.....................................................................................vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU......................................................................................... viii
DANH MỤC BẢNG BIỂU......................................................................................... viii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT................................................................................ix
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................x
CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN MẶT TRỜI ..................................................1

1.1

Nguồn năng lượng mặt trời...............................................................................1

1.2

Bức xạ mặt trời .................................................................................................5

1.2.1

Bức xạ mặt trời đến bên ngoài bầu khí quyển.............................................5

1.2.2

Bức xạ mặt trời đến trên mặt đất.................................................................5

1.3

Hiệu ứng nhà kính và bộ thu phẳng..................................................................6


Một số ứng dụng năng lượng mặt trời ............................................................15

1.7.1

Phát minh máy bay sử dụng năng lượng mặt trời .....................................15

1.7.2

Điện thoại di động sử dụng năng lượng mặt trời ......................................16

1.7.3

Năng lượng sạch trong sinh hoạt của con người.......................................16

1.7.4

Trạm xe buýt chiếu sáng tự động .............................................................17

1.7.5

Những ngôi nhà tí hon ứng dụng công nghệ tích trữ năng lượng mặt trời ...
...................................................................................................................17

1.7.6

Siêu ôtô chạy bằng năng lượng mặt trời ...................................................18

1.7.7


Công suất cực đại ......................................................................................26

2.1.6

Hiệu suất của pin mặt trời .........................................................................27

2.2

Ảnh hưởng của độ bức xạ và nhiệt độ ............................................................27

2.2.1

Ảnh hưởng của độ bức xạ .........................................................................27

2.2.2

Ảnh hưởng của nhiệt độ ............................................................................27

2.3

Mô hình MATLAB/SIMULINK mô phỏng tấm PV......................................28

2.3.1

Mô hình chuyển đổi nhiệt độ từ độ C sang độ Kelvin ..............................28

2.3.2

Mô hình ánh sáng tạo ra dòng Iph ..............................................................29


Bộ chuyển đổi Boost .................................................................................37

2.4.3

Bộ chuyển đổi Buck - Boost .....................................................................38

2.4.4

Bộ chuyển đổi Cuk....................................................................................39

CHƯƠNG 3
ĐẠI (MPPT)

GIỚI THIỆU VỀ PHƯƠNG PHÁP BÁM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC
.............................................................................................................41

3.1

Nhiễu và quan sát P&O ..................................................................................42

3.2

Gia tăng độ dẫn INC .......................................................................................43

3.3

Điều khiển logic mờ .......................................................................................45

CHƯƠNG 4 XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐIỂM CÔNG
SUẤT CỰC ĐẠI MPPT................................................................................................47


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Sơ đồ hộp thu NLMT theo nguyên lý hiệu ứng nhà kính ................................7
Hình 1.2 Cấu tạo của pin mặt trời ..................................................................................9
Hình 1.3 Nguyên lý của pin mặt trời ............................................................................11
Hình 1.4 Máy bay sử dụng năng lượng mặt trời ..........................................................15
Hình 1.5 Điện thoại sử dụng năng lượng mặt trời.......................................................16
Hình 1.6 Trạm xe buýt sử dụng năng lượng mặt trời ...................................................17
Hình 1.7 Trại lều sử dụng năng lượng mặt trời ............................................................17
Hình 1.8 Ô tô chạy bằng năng lượng mặt tời ..............................................................18
Hình 1.9 Pin mặt trời được sử dụng tại Việt Nam........................................................19
Hình 2.1 Sơ đồ tổng quát điều khiển hệ thống ..............................................................21
Hình 2.2 Sơ đồ tương đương Pin mặt trời ....................................................................22
Hình 2.3 Mô hình dòng điện ngắn mạch .....................................................................24
Hình 2.4 Mô hình điện áp hở mạch ..............................................................................25
Hình 2.5 Đồ thị V-A và đồ thị công suất của pin mặt trời ..........................................26
Hình 2.6 Hệ thống con 1...............................................................................................28
Hình 2.7 Chuyển đổi nhiệt độ hoạt động từ C sang Kelvin ........................................29
Hình 2.8 Hệ thống con 2..............................................................................................29
Hình 2.9 Từ ánh sáng tạo ra dòng điện của mô đun PV...............................................30
Hình 2.10 Hệ thống con 3............................................................................................30
Hình 2.11 Mạch điện dòng ngược bão hòa của Diode ................................................31
Hình 2.12 Hệ thống con 4.............................................................................................31
Hình 2.13 Dòng bão hòa của PV ..................................................................................32
Hình 2.14 Hệ thống con 5.............................................................................................32
Hình 2.15 Mạch điện NsAkT .......................................................................................33
Hình 2.16 Hệ thống con 6............................................................................................33
Hình 2.17 Dòng đầu ra của PV.....................................................................................34
Hình 2.18 Mô hình Simulink của mô đun PV ...............................................................34
Hình 2.19 Mô hình mô phỏng Simulink......................................................................35

Hình 4.18 Sự biên thiên điện áp khi VL = 18V, Gs = 200W/m2 .................................61
Hình 4.19 Sự biên thiên công suất khi VL = 18V, Gs = 200W/m2 ...............................62
Hình 4.20 Đặc tính P-V khi Gs = 200W/m2 .................................................................62

vii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Giờ tại địa phương ứng với giờ mặt trời là 12 giờ.........................................13
Bảng 1.2 Bức xạ mặt trời (W/m2) lên bề mặt Trái đất ứng với giờ mặt trời là 12 giờ.14
Bảng 1.3 Bức xạ mặt trời lên dàn pin mặt trời ứng với giờ mặt trời là 12 giờ.............14

viii


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
BXMT Bức xạ mặt trời
MPP (Maximum Power Point) Điểm công suất lớn nhất
MPPT (Maximum Power Point Tracking) Dò tìm điểm công suất cực đại
PV (Photovoltaic) Pin quang điện; Pin mặt trời

ix


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của Đề tài
Sự tăng trưởng liên tục nhu cầu năng lượng từ khắp nơi trên thế giới kêu gọi xã hội tìm
kiếm các nguồn năng lượng thay thế do sự cạn kiệt các nguồn năng lượng thông
thường. Trong số các nguồn năng lượng thay thế có sẵn, năng lượng pin quang điện
(PV-Photovoltaic) là một trong những năng lượng tái tạo hứa hẹn nhất. Năng lượng

Gồm 4 chương:
- Chương 1: Tổng quan về điện mặt trời
- Chương 2: Mô hình hệ thống phát điện từ năng lượng mặt trời
- Chương 3: Giới thiệu về phương pháp bám điểm công suất cực đại MPPT
- Chương 4: Xây dựng thuật toán điều khiển bám điểm công suất cực đại

xi


xii


CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN MẶT TRỜI

Trong chương này luận văn tập trung vào các vấn đề chung về điện mặt trời bao gồm:
- Nguồn năng lượng mặt trời
- Bức xạ mặt trời
- Hiệu ứng nhà kính và bộ thu phẳng
- Cấu tạo, nguyên lý, tính chất của pin mặt trời
- Nguyên lý tracking và điều khiển
- Các thông số năng lượng mặt trời tại Việt Nam
- Một số ứng dụng năng lượng mặt trời
Nội dung cụ thể:
1.1 Nguồn năng lượng mặt trời
Trong thời đại khoa học phát triển, nhu cầu về năng lượng ngày càng tăng trong khi
các nguồn nhiên liệu hóa thạch như than đá, dầu mỏ và ngay cả thủy điện cũng có hạn
khiến nhân loại đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng trong tương lai không xa. Do
đó, vấn đề tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng mới như năng lượng hạt nhân,

đang được đầu tư và phát triển. Do đó, ngành công nghiệp pin mặt trời rất được quan
tâm phát triển ở nhiều nước trên thế giới, trong đó có thể kể đến Nhật Bản, Đức, Mỹ,
Tây Ban Nha, Hàn Quốc, Trung Quốc là những nước đứng đầu về sản lượng pin
(cells) và mô đun (modules).
Pin mặt trời được phát triển trong khá nhiều lĩnh vực: máy tính (thiết bị sạc đa năng sử
dụng năng lượng mặt trời có thể dùng để sạc pin cho nhiều loại di động và máy tính
khác nhau), đồng hồ (PRW-1500 của Casio…), đồ dùng cá nhân (túi, ba lô có gắn pin
mặt trời, điện thoại di động tích hợp bộ sạc pin năng lượng mặt trời…), đồ dùng hàng
ngày (LCD cảm ứng tích hợp các tấm pin mặt trời trên bề mặt, thiết bị chiếu sáng sử
dụng pin mặt trời…). Pin mặt trời còn được dùng trong một số hệ thống khác ví dụ để
chạy ô tô thay thế dần nguồn năng lượng truyền thống, dùng thắp sáng đèn đường, làm
nguồn năng lượng cho các vệ tinh hoạt động...

2


Trong công nghiệp, người ta cũng bắt đầu lắp đặt các hệ thống điện dùng pin mặt trời
với công suất lớn, hiện tại các hệ thống này đang cung cấp 0.5% nhu cầu điện của thế
giới và sẽ tăng lên 2.5% vào năm 2025, sau đó tăng vọt lên 16% vào năm 2040.
Nhật Bản quốc gia đứng đầu về sản lượng cell và modules pin mặt trời. Tính đến năm
2010, Nhật Bản đã sản xuất được 4.82GW điện mặt trời, chiếm 50% thị phần quốc tế.
Đức, một trong các nước đi tiên phong trong lĩnh vực phát triển nguồn năng lượng
sạch, theo đuổi mục tiêu cắt giảm mạnh lượng khí thải CO2 nhằm thực hiện chiến lược
bảo vệ khí hậu toàn cầu. Kể từ năm 1997, ngành công nghiệp quang điện ở Đức đã
giảm 50% chi phí cho các nhà máy điện mặt trời, năm 2006 đã có 2000GW được lắp
đặt so với chỉ 76GW trong năm 2001. Dự tính đến năm 2050 có thể cung cấp 15%
tổng nhu cầu điện năng của châu Âu.
Mỹ, quốc gia đứng thứ ba về sản lượng cells và modules, với tốc độ phát triển cells
khá lớn, khoảng 25% mỗi năm. Theo dự tính đến năm 2020, điện năng lượng mặt trời
ở Mỹ sẽ đảm bảo 15%.

pin mặt trời có công suất từ 250÷500W phục vụ thắp sáng cho các bệnh viện, trạm xá
và các cụm văn hoá xã. Pin mặt trời cũng được dùng trong việc thắp sáng đèn đường
tại tỉnh Tiền Giang, hệ thống đèn có khả năng tự phát sáng vào ban đêm với thời lượng
trung bình 12 giờ, đèn có tuổi thọ đến 50.000 giờ, không cần bảo trì hoặc sửa chữa
trong vòng 10 năm.
Khu vực miền Trung có bức xạ mặt trời khá tốt và số giờ nắng cao, rất thích hợp cho
việc ứng dụng pin mặt trời.Có nhiều dàn pin mặt trời đã được lắp đặt thí điểm ở một số
tỉnh như: Gia Lai, Bình Định, Quảng Ngãi và Khánh Hòa, Ninh Thuận, với công suất
40 ÷ 50W ở các hộ gia đình và 200 ÷ 800W ở tại các trung tâm cụm xã và các trạm y
tế.
Ở khu vực phía Bắc, việc ứng dụng các dàn pin mặt trời phát triển với tốc độ khá
nhanh, phục vụ các hộ gia đình ở các vùng núi cao, hải đảo và cho các trạm biên
phòng. Công suất của dàn pin tại các hộ gia đình từ 40 ÷ 75W, tại các trạm biên
phòng, nơi hải đảo có công suất từ 165 ÷ 300W và tại các trạm xá và các cụm văn hoá
thôn, xã là 165 ÷ 525W. Một số công trình khác sử dụng pin mặt trời như: trung tâm
Hội nghị Quốc gia có hệ thống pin mặt trời công suất 154kW, trạm pin mặt trời nối
lưới Viện Năng lượng công suất 1.08kW bao gồm 8 mô đun, trạm pin mặt trời nối lưới

4


lắp đặt trên mái nhà làm việc Bộ Công Thương - Hà Nội có công suất lắp đặt 2.7kW,
hai cột đèn năng lượng mặt trời kết hợp năng lượng gió được lắp đặt tại Ban quản lý
dự án Công nghệ cao Hòa Lạc, trị giá 8.000 USD, có thể sử dụng trong 10h mỗi ngày,
có thể thắp sáng 4 ngày liền trong điều kiện không có nắng và gió.
1.2 Bức xạ mặt trời
Mặt trời là quả cầu lửa khổng lồ với đường kính trung bình khoảng 1,39 triệu km và ở
cách Trái đất khoảng 150 triệu km. Nhiệt độ bề mặt của mặt trời vào khoảng 5800K,
trong khi đó nhiệt độ ở vùng trung tâm của mặt trời rất lớn, vào khoảng 8.106K đến
40.106K. Mặt trời được xem là một lò phản ứng nhiệt hạch hoạt động liên tục.

hồng ngoại của hơi nước rất mạnh. Chính hiện tượng hấp thụ làm giảm cường độ của
các tia bức xạ và làm cho quang phổ của các tia bức xạ đến mặt đất thu hẹp lại, có thể
nói các tia bức xạ có bước sóng lớn hơn 2,3m rất khó đến được bề mặt Trái đất. Cùng
với hiện tượng hấp thụ, hiện tượng phản xạ làm một bộ phận của tia bức xạ bị đổi
phương, do đó phương của thành phần bị phản xạ không rõ ràng. Kết quả của các hiện
tượng vừa nêu là, càng tiến đến gần bề mặt đất, cường độ của các tia bức xạ tổng càng
giảm.
BXMT tới mặt đất gồm hai thành phần được gọi là trực xạ và nhiễu xạ:
- Trực xạ là thành phần tia mặt trời đi thẳng từ mặt trời tới điểm quan sát trên mặt đất
không bị thay đổi phương truyền. Nó phụ thuộc vào vị trí mặt trời và thời tiết.
- Nhiễu xạ là các thành phần gồm các tia sáng đến điểm quan sát từ mọi hướng do các
tia mặt trời khi qua lớp khí quyển của quả đất bị tán xạ, nhiễu xạ trên các phần tử khí,
hơi nước, các hạt bụi…Thành phần nhiễu xạ cũng phụ thuộc vào vị trí mặt trời và thời
tiết.
Tổng của các thành phần trực xạ và nhiễu xạ gọi là tổng xạ.
Các đại lượng trực xạ, nhiễu xạ, tổng xạ được đo trong cả ngày và theo đơn vị
MJ/m2.ngày hay KW/m2.ngày.
Thông thường ở các trạm khí tượng thủy văn người ta đo trực xạ, nhiễu xạ và tổng xạ
trên mặt nằm ngang. Trong khi đó các bộ thu năng lượng mặt trời lại có bề mặt đặt
nghiêng một góc nào đó nên cần phải có các hiệu chỉnh chuyển đổi từ cường độ bức xạ
mặt trời đo được trên mặt nằm ngang sang mặt nghiêng. Tuy nhiên, số hiệu chỉnh này
không lớn nên chúng ta có thể bỏ qua.
1.3 Hiệu ứng nhà kính và bộ thu phẳng
1.3.1 Hiệu ứng nhà kính
Bộ thu phẳng được chế tạo dựa trên nguyên lý “hiệu ứng nhà kính”.

6


Nguyên lý hoạt động như sau: Các loại kính xây dựng cho các tia BXMT có bước

Bộ thu phẳng có hình khối hộp chữ nhật, trên cùng được đậy bằng một hay vài lớp
kính trong suốt. Cũng có thể thay lớp kính này bằng các tấm trong suốt khác như thủy
tinh hữu cơ, polyester... Tấm hấp thu là một tấm kim loại dẫn nhiệt tốt, mặt trên có phủ
một lớp sơn hấp thụ ánh sáng màu đen. Lớp hấp thụ cần có hệ số hấp thụ càng cao
càng tốt, ví dụ > 85% thì hiệu suất bộ thu sẽ có thể có giá trị cao. Ngoài ra , tấm hấp
thụ bằng vật kim loại còn để việc hàn các thành phần khác (ví dụ ống nước bằng kim
loại nếu bộ thu dùng để đun nước nóng) được dễ dàng hơn.
Thành hộp xung quanh và đáy hộp là một lớp vật liệu cách nhiệt khá dày để giảm hao
phí nhiệt từ tấm hấp thụ ra xung quanh. Vật liệu cách nhiệt thường dùng là “xốp bọt
biển” (polystyrene) màu trắng rất nhẹ được sản xuất dưới dạng hoặc hạt, cũng có thể
dùng vật liệu khác như bông thủy tinh, mút, gỗ khô, mùn cưa…Nếu cách nhiệt tốt thì
trong những ngày nắng, nhiệt độ tấm hấp thu có thể đạt đến 100  1150C hoặc cao
hơn.
Tùy theo mục đích sử dụng mà người ta thiết kế bộ thu có thêm các phần phụ khác và
tấm hấp thu có hình dạng khác nhau
Hiệu suất của các bộ thu thông thường trong khoảng 35  45%
1.4 Cấu tạo, nguyên lý, tính chất của pin mặt trời
Pin năng lượng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện) là thiết bị bán dẫn
chứa một lượng lớn các diode p-n, có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng BXMT
thành điện năng sử dụng được nhờ vào hiệu ứng quang điện trong.
1.4.1 Cấu tạo của pin mặt trời
Pin mặt trời có cấu tạo của một diode bán dẫn với diện tích bề mặt tương đối rộng và
một lớp n cực mỏng để ánh sáng có thể truyền qua.

8


Hình 1.2 Cấu tạo của pin mặt trời

Pin mặt trời được sản xuất và ứng dụng phổ biến nhất hiện nay là các pin mặt trời

duy nhất từ p sang n.
Khi bức xạ của ánh sáng mặt trời chạm vào bề mặt của pin năng lượng mặt trời, một
phần sẽ bị phản xạ trở lại không gian (và vì vậy trên bề mặt của pin quang điện luôn có
một lớp chống phản quang) và một phần bị hấp thụ khi truyền qua lớp n. Chỉ có một
phần ánh sáng đến được lớp chuyển tiếp, nơi có các cặp electron và lỗ trống nằm trong
điện trường của bề mặt giới hạn p-n. Với các bước sóng thích hợp, sẽ truyền cho
electron một năng lượng đủ lớn để bật khỏi liên kết trở thành các electron tự do, đồng
thời dịch chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn.
Dưới tác dụng của điện trường tiếp xúc p-n, các electron tự do ở vùng dẫn của bán dẫn
loại p bị kéo về phía bán dẫn loại n. Nguyên tử bán dẫn loại p bị thiếu điện tử và lập
tức được lấp đầy bởi các electron tự do từ bán dẫn loại n. Khi có ánh sáng truyền tới,
các electron tự do này lại bị kéo về bán dẫn loại n, cứ như vậy tạo thành một vòng luân
chuyển các điện tử tự do giữa hai lớp bán dẫn p và n.
Kết quả là nếu ta nối hai cực vào 2 phần bán dẫn loại n và p sẽ đo được một hiệu điện
thế. Giá trị hiệu điện thế này phụ thuộc vào bản chất của chất làm bán dẫn và tạp chất
được hấp thụ.

10


Hình 1.3 Nguyên lý của pin mặt trời

1.5 Nguyên lý tracking và điều khiển
Solar tracking là thuật ngữ dùng để chỉ những thiết bị mang các trọng tải hướng về
phía mặt trời. Các trọng tải có thể là tấm pin mặt trời, tấm kính phản xạ, thấu kính hay
các dụng cụ quang học khác. Hệ Solar tracking được dùng để làm giảm thiểu góc tới
giữa tia nắng và pháp tuyến của tấm pin. Điều này làm tăng khả năng chuyển đổi
quang - điện hơn so với tấm pin đặt cố định.
Solar tracking được phân thành nhiều loại. Có thể được phân loại theo số trục, phân
loại theo cấu trúc, phân loại theo ứng dụng.