BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM

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

   H
  C
   E
   T
   U
   H
NGUYỄN NGỌC TRUNG

TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI
CỦA PIN MẶT TRỜI .

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành : Thiết bị, mạng và nhà máy điện
Mã số ngành: 60 52 50

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2012


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

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

NGUYỄN NGỌC TRUNG

   H
  C
   E
   T
   U
   H

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, t ên,
ên, học hàm, học vị của H ội
ội đồng chấm bảo vệ Luận văn T hạc sĩ)
1. TS. Huỳnh Châu Duy
2. PGS. TS. Đinh Thành Việt
3. TS. Ngô Cao Cường
ần Vĩnh Tịnh
4. . TS. Tr ần
5. PGS. TS. Quy ền Huy Ánh

- Chủ tịch
- Phản biện 1
- Phản biện 2
- Uỷ viên
- Uỷ viện, Thư k ý

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được
sửa chữa (nếu có).

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV



I- TÊN ĐỀ T ÀI:

TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CỦA PIN MẶT TRỜI.
II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Nội dung : Tìm điểm công suất cực đại của pin mặt trời
- Phương pháp nghiên cứu : Mô phỏng
- K ết
ết quả đạt được : Thực hiện được mô phỏng giải thuật tìm điểm công suất cực
đại của pin mặt trời

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 15 - 09 - 2011

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 15 - 06 -2012
V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS . TRƯƠNG VIỆT ANH
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

TS. TRƯƠNG VIỆT ANH

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công tr ình
ình nghiên cứu của riêng tôi. Các s ố liệu, kết
quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ
công trình nào khác.


ốt luận văn n ày.

   H
  C
   E
   T
   U
   H

 Xin chân thành cám ơn đến tất cả Quí Thầy, Cô của Trường Đại Học Kỹ
thuật Công nghệ Tp.HCM đ ã giảng dạy, trang bị cho tôi những kiến
kiến thức rất bổ
ích và quí báu trong suốt quá tr ình
ình học tập cũng như nghiên cứu sau n ày.
 Xin cảm

ơn bạn bè, đồng nghiệp và đặc biệt l à nhóm thực nghiệm chung
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ thuật Tp.HCM và Trường Đại Học Kỹ thuật Công
nghệ Tp.HCM dưới sự hướng dẫn của Thầy Trương Việt Anh những người luôn
giành những t ình
ình cảm sâu sắc nhất, giúp đỡ v à khuyến khích tôi để cùng nhau vượt
qua mọi khó khăn trong suốt quá tr ình
ình thực hiện luận văn n ày.
 Xin cảm ơn Gia đ ình
ình đ ã t ạo
ạo mọi điều kiện để tôi y ên tâm học tập tốt trong
suốt thời gian vừa qua.
 Xin c ảm

ơn Ban Giám


ết quả mô phỏng và th ực nghiệm cho thấy sự cần thiết phải sử dụng MPPT trong
K ết
hệ thống pin mặt trời v à bằng việc sử dụng giải thuật INC, hệ thống đ ã nhanh

chóng đưa pin mặt trời vào làm việc tại điểm có công suất tối ưu.

   H
  C
   E
   T
   U
   H


iv

ABSTRACT
This study presents the Maximum Power Point Tracking (MPPT) technique of
Photovoltaic by INC Algorithm. The author uses Matlab / Simulink for modeling
and simulation of solar cells and the Algorithm.
The simulation results and experiment shows the need to use MPPT solar system
and by using the INC algorithm, the system was quickly put photovoltaic to work at
optimum power point .

   H
  C
   E
   T
   U

.......................
................1
.....1
Chương 1 .....................
...............................
.......................
.......................
.......................
.......................
.....................
........................
.....................1
........1
TỔNG QUAN .....................
1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghi ên cứu trong và
...............................
.......................
.......................
.......................
.......................
.....................
.................1
......1
ngoài nước đã công bố .....................
1.2. Mục đích của đề t ài .....................
...............................
.......................
.......................
.......................
.......................

.......................
......................
.......................
.......................
................6
.....6
Chương 2 .....................
CƠ SỞ LÝ THUYẾT ......................
..................................
.......................
......................
.......................
.......................
.....................
..................6
........6
ời .....................
2.1 Mô hình pin mặt tr ời
...............................
.......................
.......................
.......................
.......................
.....................
.............6
..6
2.2. Bộ chuyển đổi DC/DC boost converter .....................
...............................
.......................
........................

.......................
.....................
.......................
.......................
.....................
........................
.......................
...................25
.........25
TRỜI ......................
..................................
.......................
...............25
.....25
3.1. Phương pháp INC (Incremental Conductance) .....................

   H
  C
   E
   T
   U
   H


vi

3.2. Mô hình mô ph ỏng giải thuật .....................
...............................
.......................
.......................

...............................
.......................
.......................
.......................
.......................
.....................
...............33
33
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG .....................
4.1. Mô hình pin mặt trời ....................
...............................
........................
.......................
.......................
.......................
.....................33
...........33
4.2. Giải thuật MPPT .....................
.................................
.......................
......................
.......................
.......................
.....................
................35
......35
..................................
.......................
.....................
.......................

.....................50
...........50
ết quả thực nghiệm .....................
..................................
.......................
.....................
.......................
.......................
......................
.......................
.......................
..............
...54
54
Chương 6.....................
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ T ÀI .....................
..................................
...................54
......54
6.1. K ết
..................................
.......................
.....................
.......................
.......................
.....................
........................
.................54
....54
ết luận ......................

: PhotoVotaic : Pin quang điện ( pin mặt trời )

MPPT : Maximum Power Point Tracking
Tracking : Dò tìm điểm cực đại

P&O : Perturb and Observe : Phương pháp nhiễu loạn và quan sát
INC

: Incremental
Incremental Conductance : Phương pháp INC
INC

 NOCT : Normal Control Ttemperature : Niệt độ vận hành bình thường

   H
  C
   E
   T
   U
   H
DANH MỤC CÁC BẢNG

TRANG

Bảng 3.1. Thông số của pin mặt trời thương mại MSX 60 tại 1 kW/m 2 , 25 oC .......29
Bảng 3.2 Thông số của pin mặt trời thương mại WN -15 tại 1 kW/m2 , 25 oC ........
..........43
..43



.......................
................12
.....12
Hình 2.5. Đặc tuyến P-V với các bức xạ khác nhau .....................
.................................
.......................
................12
.....12

   H
  C
   E
   T
   U
   H

Hình 2.6. Sơ đồ nguyên lý mạch boost .....................
.................................
.......................
......................
.......................
.............. 13
Hình 2.7. Mạch điện khi S đóng ......................
..................................
.......................
.....................
.......................
.......................14
..........14
Hình 2.8. Dạng sóng điện áp và dòng điện tr ên

.................23
....23
Hình 2.17. Đồ thị PV khi bức xạ thay đổi và sự làm việc tìm điểm cực đại của

 phương pháp P&O .....................
.................................
.......................
......................
.......................
.......................
......................
....................23
.........23
Hình 2.18 Giải thuật P&O .....................
..................................
.......................
.....................
........................
.......................
...................24
.........24
Hình 3.1. Độ dốc (dP/dV) của PV .....................
...............................
.......................
.......................
.......................
.....................26
........26
Hình 3.2. Giải thuật InC .....................
...............................

.....................
................31
......31
Hình 3.9. Giải thuật INC được xây dựng trong
.........................31
tron g Matlab & Simulink .........................31
Hình 3.10. Mô hình mô phỏng đặc tuyến pin mặt trời .....................
...............................
.......................
............... 32
Hình 3.11. Mô hình mô phỏng giải thuật ......................
..................................
.......................
......................
....................32
.........32
Hình 4.1. Bức xạ mặt trời ....................
...............................
........................
.......................
.......................
.......................
.....................33
...........33
Hình 4.2. Đặc tuyến PV của pin mặt trời ......................
..................................
.......................
......................
....................34
.........34

...............37
37

Hinh 4.7. Điện áp l àm việc của pin mặt trời tương ứng với công suất thu được .......37
Hình 4.8. Bức xạ mặt trời thay đổi nhanh .....................
.................................
.......................
......................
....................39
.........39
Hình 4.9. Điện áp làm việc của pin mặt trời .....................
...............................
.......................
.......................
................39
......39
Hình 4.10. Dòng điện làm việc của pin mặt trời ....................
...............................
.......................
.......................40
...........40
Hình 4.11. Công suất làm việc của pin mặt trời .....................
..................................
.......................
.....................40
...........40
Hinh 4.12. Điện áp làm việc của pin mặt trời tương ứng với công suất thu được .....41
Hình 5.1. Mô hình thực nghiệm ......................
..................................
.......................

.....................
........................
.................48
48
Hình 5.9 Lưu đồ chương tr ình
ình MPPT.....................
MPPT..................................
.......................
.....................
........................
.................49
49
Hình 5.10. Điện áp và công suất và dòng điện pin mặt trời .....................................52
Hình 5.11. Độ rộng xung kích Mosfet ....................
...............................
........................
.......................
.......................
.................52
52
Hình 5.12. Cường độ sáng của tải là bóng đèn 20W ....................
...............................
.......................
.................52
.....52


x

Hình 5.13. Điện áp tr ên


TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghi ên cứu, các kết quả nghi ên cứu trong
và ngoài nước đ ã công bố
 Ngày nay, nhu cầu sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo đang tăng l ên m ạnh
mẽ do bởi các nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt v à chúng gây ra
những hậu quả về môi trường như hiệu ứng nh à kính, lũ lụt… Trong các nguồn

   H
  C
   E
   T
   U
   H

năng lượng tái tạo như năng lượng sinh khối, năng lượng địa nhiệt, gió, thủy điện
nhỏ, năng lượng mặt trời đang dần trở n ên r ất
ất phổ biến bởi vì chúng có nhiều ưu

điểm trong phương pháp phát điện, ch i phí bảo dưỡng thấp, an toàn cho người sử
dụng, không gây ô nhi ễm môi trường và đặc biệt nguồn tài nguyên này cực kỳ lớn.
Tổng tiêu thụ năng lượng của con người tr ên
ên thế giới hiện tại (tính tổng cộng
tất cả các loại năng lượng như dầu hỏa, than đá, thủy điện, v.v.) k hoảng 15 nghìn tỷ
watt, tức là ch ỉ bằng khoảng 1/5000 công suất dự trữ của năng lượng mặt trời cho

trái đất. Trong số 15 ngh ìn t ỷ watt công suất năng lượng mà con người đang d ùng,
thì có đến 37% là t ừ dầu hỏa, 25% là than đá, và 23% là khí đốt (tổng cộng b a th ứ

này đã đến 85%), là những nguồn năng lượng cạn kiệt nhanh ch óng và không phục

rào cản lớn về kỹ thuật và các rào c ản khác. R ào
ào cản kỹ thuật là một trong những


3

thách thức lớn cho việc
việc sử dụng pin mặt trời hiện nay do bởi giá thành cao và hiệu
suất chuyển đổi năng lượng c òn thấp. Giá của một mô đun pin mặt trời khoảng
3.5$/Wp và nếu tính cả chi phí lắp đặt hệ thống th ì khoảng 7$/Wp dẫn đến giá

thành điện năng phát ra c òn r ất
ất cao khoảng 0.25  – 0.65 $/kWh gấp gần 5 lần điện
năng phát ra dùng nguồn năng lượng hóa thạch [2]. Ngoài ra còn các rào c ản khác
như thiếu sự hỗ trợ về chính sách của chính phủ, nhận thức của mọi người về năng
lượng, sự tham gia của các tổ chức cá nhân v ào các dự án phát triển nguồn năng
lượng tái tạo.
Để khắc phục những r ào
ào cản đó, đặc biệt là liên quan đế n giá thành và hiệu

   H
  C
   E
   T
   U
   H

suất của pin mặt trời rất nhiều giải pháp đ ã được thực hiện. Ví dụ như liên quan đến
giá thành của pin mặt trời, các nh à nghiên cứu và s ản xuất đã phát triển công nghệ
sản xuất pin theo hướng hiện đại, liên quan đến việc cải thiện hiệu suất chuyển đổi


1.2. Mục đích của đề t ài
Đề tài tập trung nghiên c ứu các phương pháp  tìm điểm làm việc cực đại của
 pin mặt trời. Trên các đặc tuyến của pin mặt trời, tồn tại một điểm vận h ành tối ưu

nơi mà công suất nhận được từ pin mặt trời l à c ực đại. Tuy nhiên, điểm vận h ành

   H
  C
   E
   T
   U
   H

tối ưu này không cố định mà nó thay đổi theo các điều kiện môi trường đặc biệt l à
 bức xạ mặt trời và nhiệt độ pin. V ì vậy t ìm điểm làm việc cực đại (MPP T) c ủa pin
mặt trời là một phần không thể thiếu của hệ thống pin mặt trời để đảm bảo rằng các

mô đun pin mặt trời luôn vận hành trong điều kiện tối ưu.

Có r ất
ất nhiều phương pháp MPPT đ ã được nghiên cứu và công bố. Các

 phương pháp khác nhau ở nhiều khía cạnh như mức độ phức tạp, thông số đo
lường, số lượng cảm biến y êu cầu, tốc độ chuyển đổi và giá thành. Đề t ài sẽ nghiên
cứu các phương pháp MPPT. Mục đích của nghi ên cứu của đề tài là đề xuất

 phương pháp MPPT tối ưu với khả năng đáp ứng dưới các điều kiện môi trường
 bức xạ thay đổi và có th ể thực hiện mô h ình vật lý với chi phí thấp .


   U
   H

- Thiết kế thi công bộ MPPT kiểm tra giải thuật đề xuất.
- Phân tích các k ết
ết quả nhận được và các ki ến nghị.
- Đánh giá tổng quát toàn bộ bản luận văn.
- Đề nghị hướng phát triển của đề t ài.
1.5. Nội dung luận văn:

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Chọn giải thuật bộ dò tìm điểm công suất cực đại
Chương 4 : Kết quả mô phỏng
phỏn g

Chương 5: K ết
ết quả thực nghiệm

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển của đề t ài


6

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Mô hình pin mặt trời

nhiều mối nối, tế bào năng lượng mặt trời hữu cơ và pin mặt trời m àng mỏng,
và một số loại khác.
Tuy nhiên, nhìn chung pin thương mại được phân thành 3 thế hệ:
a) Thế hệ đầu tiên: lát silic (đơn và đa tinh thể).
 b) Thế hệ thứ hai: màng mỏng (cadmium telluride [CdTe], copper indium
gallium diselenide [CIGS], và amorphous silicon [a-Si]).
c) Thế hệ thứ ba:  polyme/hữu cơ , quang điện hóa.


7

Pin mặt trời sản xuất trực tiếp điện một chiều (DC) khi hấp thụ photon từ
ánh sáng mặt trời. Có nhiều ứng dụng sử dụng điện DC từ các mô -đun này. Tuy
nhiên, hiện nay việc điện DC chuyển thành điện AC v à hòa đồng bộ vào lưới

điện đang rất phát triển v ì lợi ích và nhu cầu năng lượng. Nhìn chung, các ứng
dụng của pin mặt trời có thể được phân loại thành hai nhóm: nhóm độc lập v à
hệ thống kết nối lưới điện.
Hệ thống độc lập thường được sử dụng trong khu vực v ùng sâu, vùng xa, h ải

đảo. Hệ thống này thường bao gồm một số th ành phần: năng lượng mặt trời, ắc
quy dự trữ và b ộ điều khiển. Biến tần cũng có thể được sử dụng để chuyển đổi

   H
  C
   E
   T
   U
   H


nhận được năng lượng cực đại theo mùa trong năm. Khi cần, có thể điều chỉnh

hướng đặt pin theo định kỳ. Cơ bản, các tấm pin có một điểm hoạt động tối ưu
gọi là điểm công suất cực đại (MPP) . Đó l à một điểm mà các tấm pin có thể
 phát công suất tối đa từ ánh sáng mặt tr ời.
ời.
Mạch điện tương đương của pin mặt trời được cho như h ình 2.1.

   H
  C
   E
   T
   U
   H

Hình 2.1. Mạch điện tương đương của pin mặt trời

Mạch điện gồm có d òng quang điện IPH, điốt, điện trở d òng rò R SH
SH và điện trở
nối tiếp R S, đặc tuyến I-V của pin được mô tả bằng biểu thức 2.1 [3, 27 ]:


I  I ph  Is  exp(


q 
V  IR S 
 V  IR )  1 
(2.1)
kTC A

   H
  C
   E
   T
   U
   H

Mặt khác, dòng bão hòa IS là dòng các h ạt tải điện không cơ bản được tạo ra
do kích thích nhiệt. Khi nhiệt độ của pin mặt trời tăng d òng bão hòa cũng tăng theo
hàm mũ [3, 27]:

3

 qE  1
 T 
1 
IS  I RS  C  exp  G 
  
(2.3)
 TRe f 
 kA  TRef TC  

Trong đó:

IRS: Dòng điện ngược bão hòa tại nhiệt độ tiêu chuẩn (A)
EG: Năng lượng lỗ trống của chất bán dẫn

Đối với pin mặt trời lý tưởng, điện trở d òng rò R SH
SH = ∞, R S = 0. Khi đó mạch
điện tương đương của pin mặt trời được cho bởi h ình 2.2:


(2.5)

   H
  C
   E
   T
   U
   H

Thông thường, công suất của pin mặt trời k hhooảng 2W và điện áp khoảng
0.5V. Vì vậy, các pin mặt trời được ghép nối với nhau theo dạng nối tiếp - song

song để sinh ra lượng công suất và điện áp đủ lớn. Mạch điện tương đương của mô
đun pin mặt trời gồm có N P nhánh song song và N S pin nối tiếp được mô tả như
hình 2.3.

Hình 2.3. Mô đun pin mặt trời


11

Mạch điện hình 2.3 được miêu tả bởi biểu thức:



Qv
 1   
 NSkTC A  


0,8



TC  TAmb  

(2.7)

Đặc tuyến I-V tương ứng với từng b ức xạ nhất định được mô tả như h ình 2.4
và hình 2.5.