PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI KHÓA LUẬN
Họ và tên sinh viên - nhóm sinh viên đƣợc giao đề tài

1.

LƯU VĂN NAM

MSSV : 14039731

VŨ QUANG THUẤN

MSSV : 14025541

Tên đề tài

2.

TÌM HIỂU VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
3.

Nội dung
-

T m hiểu hệ thống điện năng lượng mặt trời.

-

T m hiểu về tấm pin năng lượng mặt trời.

-

Sủ dụng phương pháp điều khiển MPPT.

-

T m hiều về bộ chuyển đổi DC-DC.

-

Xuất kết quả và nhận xét.

4.

Kết quả
-

Kết quả chạy chương tr nh

-

So sánh kết quả lý thuyết với mô phỏng trên matlab simulink.
Giảng viên hướng dẫn

Tp. HCM, ngày

tháng

năm 20..

Sinh viên
Lƣu Văn Nam

Nguyễn Hoài Phong

Vũ Quang Thuấn

i


NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................

........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................

ii


NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................

.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................

iii


MỤC LỤC
PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI KHÓA LUẬN..........................................................................i
NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN ...................................................... ii
NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN ........................................................ iii
MỤC LỤC .....................................................................................................................iv
DANH SÁCH HÌNH ẢNH ...........................................................................................vi
CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HÊ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƢỢNG
MẶT TRỜI .....................................................................................................................1
1.1

Giới thiệu chung .................................................................................................1

1.1.1

Hệ pin mặt trời làm việc độc lập .................................................................1

1.1.2

Hệ pin mặt trời làm việc nối lưới ................................................................ 2


1.2

Cấu tạo của hệ thống điện năng lượng mặt trời .................................................3

1.3

Ưu, nhược điểm của hệ thống năng lượng mặt trời ...........................................4

1.3.1

Ưu điểm: ......................................................................................................4

1.3.2

Nhược điểm: ................................................................................................ 5

1.4

Ứng dụng của hệ thống điện năng lượng mặt trời tại Việt Nam .......................6

CHƢƠNG 2:TÌM HIỂU TẤM PIN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI VÀ PHƢƠNG
PHÁP ĐIỀU KHIỂN MPPT.........................................................................................7
2.1

Pin năng lượng mặt trời .....................................................................................7

2.1.1

Giới thiệu pin NLMT ..................................................................................7


2.1.2

Mô h nh pin NLMT:....................................................................................8

2.1.3

Ảnh hưởng của bức xạ ánh sáng ............................................................... 11

2.1.4

Ảnh hưởng của nhiệt độ ............................................................................13

2.2

Maximum point power tracking – MPPT: .......................................................15

2.2.1

Giới thiệu chung: .......................................................................................15

2.2.2

Nguyên lí dung hợp tải ..............................................................................16

2.2.3

Bộ tăng áp Boost .......................................................................................17

2.3


Thuật toán xác định điểm công suất cực đại ....................................................18
iv


2.3.1

Thuật toán nhiễm loạn và quan sát P&O ..................................................19

2.3.2

Phương pháp điện dẫn gia tăng INC .........................................................26

CHƢƠNG 3: BỘ CHUYỂN ĐỔI DC-DC HALF BRIDGE ....................................30
3.1

Giới thiệu về bộ chuyển đổi DC-DC ............................................................... 30

3.1.1

Các bộ biến đổi DC-DC không cách ly thường dùng ............................... 30

3.1.2

Các bộ biến đổi DC-DC có cách ly thường dùng .....................................33

3.2

Thiết kế bộ chuyển đổi DC-DC half-bridge ....................................................37

3.2.1


Thiết kế máy biến áp: ................................................................................39

3.2.2

Thiết kế mạch lọc LC ................................................................................40

3.2.3

Sử dụng ideal switch thay đổi tải để xem sự ổn định của hệ thống ..........41

3.2.4

Sử dụng khối gain để phản hồi điện áp đầu ra ..........................................42

3.2.5

Sử dụng bộ điều khiển PI ..........................................................................42

3.2.6

Sử dụng PWM điều chế độ rộng xung để đóng cắt mosfet.......................43

3.3

Mơ phỏng bộ chuyển đổi DC-DC half bridge trên matlab simulink ..............45

PHỤ LỤC .....................................................................................................................50
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 58
LỜI CẢM ƠN ..............................................................................................................59


v


DANH SÁCH HÌNH ẢNH
H nh 1.1 Sơ đồ tổng quan hệ thống năng lượng mặt trời ................................................2
H nh 1.2 Hệ pin mặt trời làm việc nối lưới .....................................................................2

H nh 2.1 Tấm pin NLMT ................................................................................................ 8
H nh 2.2 Sơ đồ tương đương pin mặt trời .......................................................................8
H nh 2.3 Dòng điện một modul tấm pin ........................................................................10
H nh 2.4 Mô h nh pin PV trên Matlab/Simulink ........................................................... 11
H nh 2.5 Đặc tuyến P(W)-U(V) của PV khi nhiệt độ không đổi,bức xạ thay đổi ........12
H nh 2.6 Đặc tuyến U(V) - I(A) của PV khi nhiệt độ không đổi, bức xạ thay đổi .......12
H nh 2.7 Đặc tuyến P(W)-U(V) của PV khi nhiệt độ thay đổi,bức xạ không đổi ........13
H nh 2.8 Đặc tuyến U(V)-I(A) của PV khi bức xạ không đổi, nhiệt độ thay đổi .........14
H nh 2.9 Bộ điều khiển MPPT ......................................................................................15
H nh 2.10 Pin mặt trời mắc trực tiếp với tải thuần trở có thể thay đổi giá trị ...............15
H nh 2.11 Đặc tính làm việc I-V của PV và của tải có thể thay đổi được ....................16
H nh 2.12 Sơ đồ nguyên lí mạch boost .........................................................................17
H nh 2.13 Pin mặt trời kết nối với tải qua bộ biến đổi DC/DC .....................................18
H nh 2.14 Đường đặc tính P - V và thuật toán P&O .....................................................19
H nh 2.15 Sơ đồ thuật toán P&O ...................................................................................20
H nh 2.16 Hệ thống điều khiển MPPT của dàn pin PV sử dụng thuật toán P&0 .........21
H nh 2.17 Sơ đồ khối phương pháp MPPT điều khiển trực tiếp chu kỳ D ...................22
H nh 2.18 Mối quan hệ giữa tổng trở vào của mạch Boost với chu kỳ D .....................22
H nh 2.19 Sơ đồ thuật toán P&O với phương pháp điều khiển trực tiếp ......................23
H nh 2.20 Chu k đóng cắt D .........................................................................................24
H nh 2.21 Cơng suất của pin mặt trời ............................................................................24
H nh 2.22 Công suất pin PV khi độ rọi G thay đổi .......................................................25

H nh 2.23 Công suất ngõ ra ( W ) .................................................................................25
H nh 2.24 Đường đặc tính P - V và thuật tốn INC ......................................................27
H nh 2.25 Sơ đồ thuật toán INC ....................................................................................28
H nh 3. 1 Mạch giảm áp buck .......................................................................................30
vi


H nh 3. 2 Mạch tăng áp boost ........................................................................................31
H nh 3. 3 Mạch buck-boost ........................................................................................... 32
H nh 3. 4 Mạch flyback .................................................................................................33
H nh 3. 5 mạch push-pull .............................................................................................. 34
H nh 3. 6 Mạch full-bridge ............................................................................................ 35
H nh 3. 7 Mạch half bridge............................................................................................ 36
H nh 3. 8 Bộ chuyển đổi half bridge .............................................................................37
H nh 3. 9 Biểu đồ hoạt động của half bridge .................................................................38
H nh 3. 10 Thông số máy biến áp..................................................................................39
H nh 3. 11 Mạch lọc LC ................................................................................................ 40
H nh 3. 12 ideal switch ..................................................................................................41
H nh 3. 13 Cài đặt thời gian để đóng cắt ideal switch ...................................................41
H nh 3. 14 Khối gain .....................................................................................................42
H nh 3. 15 bộ điều khiển PI ........................................................................................... 42
H nh 3. 16 Cài đặt thông số cho khâu hiệu chỉnh PI .....................................................43
H nh 3. 17 Biểu đồ hoạt động PWM .............................................................................44
H nh 3. 18 Bộ nghich lưu .............................................................................................. 45
H nh 3. 19 Máy biến áp,bộ chỉnh lưu và bộ lọc LC ......................................................46
H nh 3. 20 Bộ ideal switch và tải ..................................................................................46
H nh 3. 21 Biểu đồ dịng điện và điện áp khi chưa có bộ điều khiển PID ....................47
H nh 3. 22 Biểu đồ dòng điện và điện áp khi có bộ điều khiển PID ............................. 47
H nh 3. 23 Biểu đồ dòng điện và điện áp khi sử dụng ideal switch để thay đổi tải ......48
H nh 3. 24 biểu đồ bode ................................................................................................ 48


vii


Khóa luận tốt nghiệp

SV: Lưu Văn Nam – Vũ Quang Thuấn

CHƢƠNG 1
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HÊ THỐNG ĐIỆN NĂNG
LƢỢNG MẶT TRỜI
1.1 Giới thiệu chung
Trong thái dương hệ mặt trời có nguồn năng lượng lớn nhất. Mặt trời cung cấp
trực tiếp hoạt gián tiếp cho loài người và mọi dạng sống trên trái đất. Mặt trời quyết
định khí hậu và thời tiết. khơng có mặt trời trái đất là vùng đất chết đóng băng vĩnh
cửu.
Điện năng lượng măt trời là ý tưởng tuyệt vời. Lấy năng lượng từ mặt trời và
chuyển thành điện năng cung cấp cho các trang thiết bị là mong ước của chúng ta, sẽ
khơng cịn hóa đơn tiền điện, khơng cịn phụ thuộc vào cơng ty điện lực và bạn sẽ có
nguồn năng lượng tái tạo, xanh sạch và bảo vệ môi trường. Tạo ra năng lượng mặt trời
nhờ vào ánh sáng mặt trời chiếu vào các panel pin mặt trời tạo ra nguồn điện 1 chiều
DC qua các bộ biến tần chỉnh thành các nguồn điện xoay chiều AC cung cấp cho các
thiết bị điện.
Panel mặt trời tạo ra điện là do hiệu ứng quang điện giữa 2 lớp bán dẫn, 1 lớp
thiếu electron. Khi các electron này bị các photon kích thích lám cho chúng chuyển từ
lớp bán dẫn này sang bán dẫn kia, nên tạo ra điện tích. Các panel này thường là Si
được cắt thành các tấm mỏng xếp kết hợp vừa song song và nối tiếp. Nối tiếp th tăng
hiệu suất của pin, mắc song song th tăng áp cung cấp cho phụ tải.
Một hệ thống pin năng lượng mặt trời sử dụng năng lượng mặt trời cơ bản bao
gồm 2 loại: Hệ pin mặt trời làm việc độc lập và hệ pin mặt trời làm việc nối lưới. Tùy

theo điều kiện về nhu cầu sử dụng và vị trí lắp đặt mà hệ nào được ứng dụng
1.1.1 Hệ pin mặt trời làm việc độc lập

1


Khóa luận tốt nghiệp

SV: Lưu Văn Nam – Vũ Quang Thuấn

H nh 1.1 Sơ đồ tổng quan hệ thống năng lượng mặt trời

Nguyên lí hoạt động
Từ giàn pin mặt trời, ánh sáng được biến đổi thành điện năng, tạo ra dòng điện
một chiều (DC). Dòng điện này được dẫn tới bộ điều khiển là một thiết bị điện tử có
chức năng điều hoà tự động các quá tr nh nạp điện vào ắc-quy và phóng điện từ ắc-quy
ra các thiết bị điện một chiều (DC). Trường hợp công suất giàn pin đủ lớn, trong mạch
điện sẽ được lắp thêm bộ đổi điện để chuyển dòng một chiều thành dòng xoay chiều
(AC), chạy được thêm nhiều thiết bị điện gia dụng (đèn, quạt, radio, TV...).
1.1.2 Hệ pin mặt trời làm việc nối lƣới

H nh 1.2 Hệ pin mặt trời làm việc nối lưới

2


Khóa luận tốt nghiệp

SV: Lưu Văn Nam – Vũ Quang Thuấn


Nguyên lí hoạt động:
Điện thu được từ tấm pin ( Solar Panel) là điện 1 chiều, qua bộ hòa lưới ( Grid
Tie Inverter ) có chức năng đổi từ điện DC sang điện AC cùng pha cùng tần số với
điện lưới và hịa chung với điện lưới
Khi cơng suất hịa lưới bằng công suất tải th tải tiêu thụ điện hồn tồn từ pin
mặt trời.
Khi cơng suất tải tiêu thụ lớn hơn cơng suất hịa lưới th tải sẽ lấy thêm lưới bù
vào.
Khi công suất tải tiêu thụ nhỏ hơn cơng suất hịa lưới th điện từ bộ hịa lưới sẽ
trả ra lưới.
Khi thiết kế hệ thống hòa lưới ( cho đến hiện tại ) th thiết kế sao cho cơng suất
hịa lưới ≤ cơng suất tải tiêu thụ.
1.2 Cấu tạo của hệ thống điện năng lƣợng mặt trời
 Panel mặt trời
Tấm pin Panel mặt trời (Solar Cells Panel) biến đổi quang năng hấp thụ từ mặt
trời thành điện năng. Một số thông tin cơ bản của tấm pin mặt trời hiệu suất: từ 15%18%, Công suất từ 25Wp đến 175Wp, số cells trên mỗi tấm pin:72 cells, kích thước
cells: 5-7 inch. Trong một ngày nắng, mặt trời cung cấp khoảng 1Kw/m2 đến mặt trời
(khi mặt trời quang mây và đứng bóng, ở mực nước biển). Cơng suất và điện áp của
một hệ thống phụ thuộc vào cách chúng ta ghép nối mấy tấm pin với nhau. Các tấm
pin Panel mặt trời được lắp đặt ở ngồi trời để có thể hứng được ánh nắng tốt nhất từ
mặt trời nên được thiết kế với những tính năng và chất liệu đặc biệt, có thể chịu đựng
được sự khắc nghiệt của thời tiết, khí hậu, nhiệt độ...
 Bộ điều khiển sạc
Là thiết bị thực hiện chức năng điều tiết sạc cho ắc-quy, bảo vệ cho ắc-quy
chống nạp quá tải và xả quá sâu nhằm nâng cao tuổi thọ của b nh ắc-quy, và giúp hệ
thống pin mặt trời sử dụng hiệu quả và lâu dài.
Bộ điều khiển còn cho biết t nh trạng nạp điện của Panel mặt trời vào ắc- quy
giúp cho người sử dụng kiểm soát được các phụ tải.
Bộ điều khiển còn thực hiện việc bảo vệ nạp quá điện thế (>13,8V) hoặc điện
3



Khóa luận tốt nghiệp

SV: Lưu Văn Nam – Vũ Quang Thuấn

thế thấp (<10,5V). Mạch bảo vệ của bộ điều khiển sẽ thực hiện việc ngắt mạch khi bộ
điều khiển xác nhận b nh ắc-quy đã được nạp đầy hoặc điện áp b nh quá thấp.
 Inverter
Là bộ biến điện nghịch lưu Inverter chuyển đổi dòng điện 12VDC từ ắc-quy
thành dòng điện AC (110VAC, 220VAC). Được thiết kế với nhiều cấp cơng suất từ
0.3kVA – 10kVA.
Inverter có nhiều loại và cách phân biệt chúng bằng dạng sóng của điện áp đầu
ra : dạng sóng h nh sin, giả sin, sóng vng, sóng bậc thang...
 Battery (Ắc-quy):
Là thiết bị lưu trữ điện để sử dụng vào ban đêm hoặc lúc trời ít hoặc khơng cịn
ánh nắng.
Ắc-quy có nhiều loại, kích thước và dung lượng khác nhau, tùy thuộc vào công
suất và đặc điểm của hệ thống pin panel mặt trời. Hệ thống có cơng suất càng lớn th
cần sử dụng ăc-quy có dung lượng lớn hoặc dùng nhiều b nh ắc-quy kết nối lại với
nhau
1.3 Ƣu, nhƣợc điểm của hệ thống năng lƣợng mặt trời
1.3.1 Ƣu điểm:
 Giúp tiết kiệm chi phí sinh hoạt:
Sau khi vốn đầu tư ban đầu đã đuợc thu hồi, năng luợng từ mặt trời là thiết
thực miễn phí.
Thời kỳ hồn vốn cho đầu tư này có thể rất ngắn tùy thuộc vào bao nhiêu hộ
gia đ nh của bạn sử dụng điện.
Nếu hệ thống pin mặt trời sản xuất năng luợng nhiều hơn bạn sử dụng, nhà
nước có thể mua điện từ chúng ta.

Hệ thống sẽ giúp bạn tiết kiệm tiền trên hóa đơn điện của bạn hàng tháng.
Hệ thống không bị ảnh huởng bởi việc cung cấp và nhu cầu nhiên liệu và do đó
khơng phải chịu mức giá ngày càng tăng của xăng dầu.
Việc sử dụng năng luợng mặt trời gián tiếp làm giảm chi phí y tế.
 Thân thiện với mơi trƣờng:
Năng lượng mặt trời sạch, tái tạo (khơng giống như dầu, khí đốt và than đá) và
4


Khóa luận tốt nghiệp

SV: Lưu Văn Nam – Vũ Quang Thuấn

bền vững, góp phần bảo vệ mơi trường.
Năng lượng mặt trời khơng gây ơ nhiễm khơng khí do khí carbon dioxide phát
hành, oxit nitơ, khí lưu huỳnh hoặc thủy ngân vào khí quyển giống như nhiều h nh
thức truyền thống của các hệ thống khác.
Năng lượng mặt trời tích cực góp phần vào việc giảm phát thải khí nhà kính có
hại.
Bằng cách khơng sử dụng bất kỳ nhiên liệu, năng lượng mặt trời khơng đóng
góp cho các chi phí và các vấn đề của việc thu hồi và vận chuyển nhiên liệu hoặc lưu
trữ chất thải phóng xạ.
 Độc lập, bán độc lập:
Năng lượng Mặt trời có thể được sử dụng để bù đắp năng lượng tiêu thụ, cung
cấp tiện ích, khơng chỉ giúp giảm hóa đơn điện của bạn, nhưng cũng sẽ tiếp tục cung
cấp điện trong trường hợp bị cúp điện.
Một hệ thống năng lượng mặt trời có thể hoạt động hồn tồn độc lập, khơng
địi hỏi một kết nối đến một mạng lưới điện. Hệ thống do đó có thể được cài đặt trong
vị trí từ xa, làm cho nó thực tế hơn và hiệu quả hơn tiện ích cung cấp điện.
Các hệ thống năng lượng mặt trời hầu như bảo dưỡng miễn phí và sẽ kéo dài

trong nhiều thập kỷ.
Sau khi cài đặt, khơng có chi phí định kỳ.
1.3.2 Nhƣợc điểm:
Các chi phí ban đầu là bất lợi chính của việc cài đặt một hệ thống năng lượng
mặt trời, phần lớn là v chi phí cao của các vật liệu bán dẫn được sử dụng trong việc
xây dựng một hệ thống.
Chi phí năng lượng mặt trời cũng là cao so với tiện ích cung cấp điện không tái
tạo. Như t nh trạng thiếu năng lượng đang trở nên phổ biến hơn, năng lượng mặt trời
ngày càng trở nên giá cạnh tranh.
Tấm năng lượng mặt trời đòi hỏi khá một vùng rộng lớn để cài đặt để đạt được
một mức độ tốt hiệu quả.
Hiệu quả của hệ thống cũng phụ thuộc vào vị trí của mặt trời, mặc dù vấn đề
này có thể được khắc phục với việc cài đặt các thành phần nhất định.
5


Khóa luận tốt nghiệp

SV: Lưu Văn Nam – Vũ Quang Thuấn

Việc sản xuất năng lượng mặt trời bị ảnh hưởng bởi sự hiện diện của các đám
mây, gây ô nhiễm trong khơng khí.
1.4 Ứng dụng của hệ thống điện năng lƣợng mặt trời tại Việt Nam
Pin mặt trời là phương pháp sản xuất điện trực tiếp từ năng lượng mặt trời
(NLMT) qua thiết bị biến đổi quang điện. Pin mặt trời (PMT) có ưu điểm là gọn nhẹ,
có thể lắp bất kỳ ở đâu có ánh sáng mặt trời, ứng dụng NLMT dưới dạng này được
phát triển với tốc độ rất nhanh, nhất là ở các nước phát triển. Ngày nay ứng dụng
NLMT thay thế dần nguồn năng lượng truyền thống.
Tuy nhiên giá thành thiết bị pin mặt trời còn khá cao, trung b nh hiện nay
khoảng 5 - 1 0 USD/Wp, nên ở những nước đang phát triển, pin mặt trời hiện mới chỉ

có khả năng là cung cấp năng lượng điện sử dụng cho các vùng sâu, vùng xa, nơi
đường điện quốc gia chưa có.
Ở Việt Nam, với sự hỗ trợ của nhà nước (các bộ, ngành) và một số tổ chức quốc
tế đã thực hiện thành công việc xây dựng các trạm pin mặt trời có cơng suất khác nhau
phục vụ nhu cầu sinh hoạt và văn hóa của các địa phương vùng sâu, vùng xa, các cơng
tr nh nằm trong khu vực khơng có lưới điện.
Trong ngành công nghiệp, các trạm pin mặt trời phát điện sử dụng làm nguồn
cấp điện dự phòng cho các thiết bị điều khiển trạm biến áp 500KV, thiết bị máy tính và
sử dụng làm nguồn cấp điện nối với điện lưới quốc gia.

6


Khóa luận tốt nghiệp

SV: Lưu Văn Nam – Vũ Quang Thuấn

CHƢƠNG 2
TÌM HIỂU TẤM PIN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI VÀ
PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MPPT
1.5 Pin năng lƣợng mặt trời
1.5.1 Giới thiệu pin NLMT
Pin năng lượng mặt trời hay pin mặt trời hay pin quang điện (Solar panel) bao
gồm nhiều tế bào quang điện (solar cells) - là phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt một
số lượng lớn các cảm biến ánh sáng là điốt quang, thực hiện biến đổi năng lượng ánh
sáng thành năng lượng điện. Cường độ dòng điện, hiệu điện thế hoặc điện trở của pin
mặt trời thay đổi phụ thuộc bởi lượng ánh sáng chiếu lên chúng. Tế bào quang điện
được ghép lại thành khối để trở thành pin mặt trời (thông thường 60 hoặc 72 tế bào
quang điện trên một tấm pin mặt trời). Tế bào quang điện có khả năng hoạt động dưới
ánh sáng mặt trời hoặc ánh sáng nhân tạo. Chúng có thể được dùng như cảm biến ánh

sáng (vd cảm biến hồng ngoại), hoặc các phát xạ điện từ gần ngưỡng ánh sáng nh n
thấy hoặc đo cường độ ánh sáng.
Sự chuyển đổi này thực hiện theo hiệu ứng quang điện. Hoạt động của pin mặt
trời được chia làm ba giai đoạn:
 Đầu tiên năng lượng từ các photon ánh sáng được hấp thụ và h nh thành
các cặp electron-hole trong chất bán dẫn.
 Các cặp electron-hole sau đó bị phân chia bởi ngăn cách tạo bởi các loại
chất bán dẫn khác nhau (p-n junction). Hiệu ứng này tạo nên hiệu điện
thế của pin mặt trời.
 Pin mặt trời sau đó được nối trực tiếp vào mạch ngoài và tạo nên dịng
điện.
Các pin năng lượng Mặt trời có nhiều ứng dụng trong thực tế. Do giá thành còn
đắt, chúng đặc biệt thích hợp cho các vùng mà điện lưới khó vươn tới như núi cao,
ngoài đảo xa, hoặc phục vụ các hoạt động trên không gian, cụ thể như các vệ tinh quay
xung quanh quỹ đạo trái đất, máy tính cầm tay, các máy điện thoại cầm tay từ xa, thiết

7


Khóa luận tốt nghiệp

SV: Lưu Văn Nam – Vũ Quang Thuấn

bị bơm nước... Các pin năng lượng mặt trời được thiết kế như những modul thành
phần, được ghép lại với nhau tạo thành các tấm năng lượng Mặt trời có diện tích lớn,
thường được đặt trên nóc các tịa nhà nơi chúng có thể có ánh sáng nhiều nhất, và kết
nối với bộ chuyển đổi của mạng lưới điện. Các tấm pin Mặt Trời lớn ngày nay được
lắp thêm bộ phận tự động điều khiển để có thể xoay theo hướng ánh sáng, giống như
loài hoa hướng dương hướng về ánh sáng mặt trời.


H nh 2.1 Tấm pin NLMT

1.5.2 Mô hình pin NLMT:
Pin PV có mạch điện tương đương như một diode mắc song song với một
nguồn điện quang sinh. Ở cường độ ánh sáng ổn định, pin PV có một trạng thái làm
việc nhất định, dòng điện quang sinh khơng thay đổi theo trạng thái làm việc. Do đó,
trong mạch điện tương đương có thể xem như là một nguồn dòng ổn định

. Trên

thực tế, trong quá tr nh chế tạo pin PV do tiếp xúc điện cực mặt trước và sau cũng có
thể do bản thân vật liệu có một điện trở suất nhất đinh. V vậy trong mạch điện tương
đương cần phải mắc thêm vào một điện trở nối tiếp

và một điện trở song song

H nh 2.2 Sơ đồ tương đương pin mặt trời

8


Khóa luận tốt nghiệp

SV: Lưu Văn Nam – Vũ Quang Thuấn

Dòng điện đầu ra của pin theo Satpathy (2012); Soetedjo và cs. (2012); Lê Kim Anh
và cs. (2012) được tính như sau:

*


(

(

)

)

+

(

)

(2.1)

Trong đó:
q: Điện tích electron = 1.6x
K: Hằng số Boltzmann‟s = 1.38

J/K

: Dòng điện bão hòa của pin
: Dòng quang điện
: Nhiệt độ làm việc của pin
: Điện trở Shunt
: Điện trở của pin
A: Hệ số lý tưởng
Theo biểu thức (1) dòng quang điện phụ thuộc vào năng lượng mặt trời và nhiệt
độ làm việc của pin do đó:


[

(

)]

(2.2)

Trong đó:
: Dịng ngắn mạch ở nhiệt độ

C

: Hệ số nhiệt độ của dòng điện ngắn mạch
: Nhiệt độ của bề mặt pin (nhiệt độ tham chiếu)
H: Bức xạ của mặt trời kW/m2.
Ở đây giá trị dòng điện bão hòa của pin với nhiệt độ của pin được tính như sau:

9


Khóa luận tốt nghiệp

SV: Lưu Văn Nam – Vũ Quang Thuấn

(

)


[

(

)

]

(2.3)

Trong đó:
: Dịng bão hịa ngược ở bề mặt nhiệt độ và bức xạ của mặt trời,
: Năng lượng vùng cấp của chất bán dẫn, phụ thuộc vào hệ số lý trưởng và công
nghệ làm pin.
Mặt khác một pin mặt trời có điện áp khoảng 0,6 V, do đó muốn có điện áp
làm việc cao th ta mắc nối tiếp các pin, muốn có dịng điện lớn th mắc song song,
như H nh 2.3 .

H nh 2.3 Dòng điện một modul tấm pin

Vậy dòng điện một modul tấm pin là:

[

(

)

(2.4)


Xây dựng mô h nh trên Matlab/Simulink:

10

]

(

)


Khóa luận tốt nghiệp

SV: Lưu Văn Nam – Vũ Quang Thuấn

H nh 2.4 Mô h nh pin PV trên Matlab/Simulink

Các kết quả mô phỏng trên matlab bao gồm:
+ Mô phỏng đặc tuyến pin mặt trời.
Khí hậu thời tiết ảnh hưởng rất lớn đếnh hoạt động của pin mặt trời, trong đó
nhiệt độ và bức xạ ánh sáng là những yếu tố tiêu biểu ảnh hưởng mạnh nhất tới đặc
tính I – V của pin mặt trời dẫn đến sự thay đổi làm việc có cơng suất lớn nhất MPP của
pin mặt trời.
1.5.3 Ảnh hƣởng của bức xạ ánh sáng
Khi thay đổi bức xạ ánh sáng từ 0.2kw/m2 đến 1kw/m2 thu được đặc tính I – V
và P – V như h nh 2.3 và 2.4

11



Khóa luận tốt nghiệp

SV: Lưu Văn Nam – Vũ Quang Thuấn

H nh 2.5 Đặc tuyến P(W)-U(V) của PV khi nhiệt độ không đổi,bức xạ thay đổi

H nh 2.6 Đặc tuyến U(V) - I(A) của PV khi nhiệt độ không đổi, bức xạ thay đổi

12


Khóa luận tốt nghiệp

SV: Lưu Văn Nam – Vũ Quang Thuấn

Kết luận:
Dòng ngắn mạch
th dòng

tỉ lệ thuận với bức xạ ánh sáng, cường độ bức xạ càng lớn

càng lớn.

Khi bức xạ thay đổi từ 0.2kw/

đến 1kw/

th dòng điện tăng từ 0.65A đến

3.15A, điện áp cũng tăng từ 17.5V đến 20V. Đặc tính làm việc của pin và điểm làm

việc MPP cũng xê dịch nhiều thay đổi rõ rệt khi cường độ bức xạ thay đổi. Khi cường
độ bức xạ càng lớn th công suất ra của pin cũng lớn theo.
1.5.4 Ảnh hƣởng của nhiệt độ
Thay đổi điều kiện nhiệt độ của pin mặt trời từ 30

đến 50 , từ đó thu được đường

đặc tính I – V và P – V như h nh 2.5 và 2.6

H nh 2.7 Đặc tuyến P(W)-U(V) của PV khi nhiệt độ thay đổi,bức xạ không đổi

13


Khóa luận tốt nghiệp

SV: Lưu Văn Nam – Vũ Quang Thuấn

H nh 2.8 Đặc tuyến U(V)-I(A) của PV khi bức xạ không đổi, nhiệt độ thay đổi

Kết luận:
Khi nhiệt độ pin thay đổi từ

đến

th dòng điện tăng từ 3.1A đến

3.15A còn điện áp giảm xuống từ 21V xuống 19.5V. Đặc tính làm việc của pin và
điểm làm việc MPP cũng xê dịch nhiều thay đổi rõ rệt khi cường độ bức xạ thay đổi.
Khi nhiệt độ pin càng lớn th công suất đầu ra càng nhỏ.

Nhận xét:
Sau khi thực hiện khảo sát được ảnh hưởng của các yếu tố bên ngồi lên đặc
tính của tấm pin mặt trời, cho thấy khi các khí hậ thời tiết bên ngồi thay đổi th đường
đặc tính sẽ thay đổi theo do đó điểm có cơng suất lớn nhất cũng di chuyển theo và vị
trí của điểm MPP đó khơng thể biết trước được nằm ở đâu. Do đó việc cần thiết để
khai thác hiệu quả tấm pin mặt trời là phải có một thuật toán để theo dõi được quá
tr nh di chuyển, vị trí của điểm MPP và áp đặt hệ thống năng lượng mặt trời phải hoạt
động tại điểm MPP đó.

14


Khóa luận tốt nghiệp

SV: Lưu Văn Nam – Vũ Quang Thuấn

1.6 Maximum point power tracking – MPPT:
1.6.1 Giới thiệu chung:
MPPT ( Maximum Power Point Tracking ) là phương pháp dò t m điểm làm
việc có cơng suất cực đại của hệ thống điện mặt trời thơng qua việc đóng cắt bộ biến
đổi DC/DC. Phương pháp MPPT được sử dụng rất phổ biến trong hệ thống làm việc
độc lập và đang dần được áp dụng trong hệ quang điện làm việc nối lưới. MPPT bản
chất là thiết bị điện tử công suất ghép nối nguồn điện pin mặt trời với tải dể khuyếch
đại nguồn công suấ tra khỏi nguồn pin mặt trịi khi điều kiện làm việc thay đổi, và từ
đó có thể nâng cao được hiệu suất làm việc của hệ.

H nh 2.9 Bộ điều khiển MPPT

Khi một tấm PV được mắc trực tiếp vào một tải, điểm làm việc của tấm PV đó
sẽ là giao điểm giữa đường đặc tính làm việc I - V và đường đặc tính I - V của tải. Giả

sử nếu tải là thuần trở th đường đặc tính tải là một đường thẳng tắp với độ dốc là
1/

H nh 2.10 Pin mặt trời mắc trực tiếp với tải thuần trở có thể thay đổi giá trị

15


Khóa luận tốt nghiệp

SV: Lưu Văn Nam – Vũ Quang Thuấn

H nh 2.11 Đặc tính làm việc I-V của PV và của tải có
thể thay đổi được

Từ đặc tính I – V cho thấy có 1 điểm gọi là MPP ( Maximum power point ) là
điểm mà khi hệ thống hoạt động tại điểm đó th cơng suất ra của pin mặt trời là lớn
nhất.
Trong hầu hết các ứng dụng người ta mong muốn tối ưu hóa dịng cơng suất ra
từ pin năng lượng mặt trời tới tải. Để làm được điều đó th địi hỏi điểm hoạt động của
hệ thống phải được thiết lập ở điểm MPP.
Tuy nhiên, v điểm hoạt động với công suất lớn nhất ( MPP ) phụ thuộc vào bức
xạ mặt trời, nhiệt độ, và điều kiện môi trường thay đổi ngẫu nhiên nên vị trí điểm MPP
cũng thay đổi liên tục. Do đó, để đảm bảo hệ thống luôn làm việc ở điểm MPP th
người ta sử dụng một phương pháp đặc biệt gọi là MPPT để bám theo điểm có cơng
suất cực đại.
1.6.2 Nguyên lí dung hợp tải
Khi PV mắc trực tiếp với một tải, điểm làm việc của PV sẽ do đặc tính tải xác
định. Điện trở tải được xác định như sau:


(2.5)

Trong đó:
: Điện áp đầu ra
: Dịng điện đầu ra
16


Khóa luận tốt nghiệp

SV: Lưu Văn Nam – Vũ Quang Thuấn

Tải lớn nhất của PV được xác định như sau:

(2.6)

Trong đó:
và

là điện áp và dịng điện cực đại.

Khi giá trị của tải lớn nhất khớp với giá trị

th công suất truyền từ PV đến

tải sẽ là công suất lớn nhất. Tuy nhiên điều này thường độc lập và hiến khi khớp với
thực tế. Mục đích của MPPT là phối hợp trở kháng của tải với trở kháng lớn nhất của
PV.
1.6.3 Bộ tăng áp Boost
Bộ biến đổi Boost được ứng dụng rộng dãi khi đòi hỏi điện áp ra cao hơn điện

áp đầu vào. Với ưu điểm là dòng điện vào liên tục và dễ dàng điều khiển lên nó được
sử dụng nhiều trong bộ công suất của bộ điều khiển MPPT.
Đ
L
V1

C1

K

C2

V0

H nh 2.12 Sơ đồ nguyên lí mạch boost

Bộ boost hoạt động được thực hiên qua cuộn kháng L, chuyển mạch K đóng mở
theo chu kỳ. Khi K mở cho dịng qua (
(

) cuộn kháng tích năng lượng, khi K đóng

) cuộn kháng giải phóng năng lượng qua điốt tới tải.
Mạch này tăng điện áp võng khi phóng của ắc quy lên để đáp ứng điện áp ra.

Khi khóa K mở, cuộn cảm được nối với nguồn 1 chiều. Khóa K đóng, dịng điện cảm
ứng chạy vào tải qua điốt.

17



Khóa luận tốt nghiệp

SV: Lưu Văn Nam – Vũ Quang Thuấn

H nh 2.13 Pin mặt trời kết nối với tải qua bộ biến đổi DC/DC

Bộ biến đổi Boost được mô tả với công thức như sau:

(2.7)

(2.8)

(
Từ công thức 2.9 cho thấy

)

(2.9)

phụ thuộc vào chu kỳ D cảu bộ biến đổi DC/DC và giá

trị của tải R, do đó có thể thay đổi giá trị

bằng cách thay đổi giá trị chu kỳ D hoặc

R, nhưng thông thường giá trị tải thường cố định nên người ta hay thay đổi D.
1.7 Thuật tốn xác định điểm cơng suất cực đại
Vị trí của điểm MPP trên đường đặc tính I – V là khơng biết trước và nó ln
thay đổi phụ thuộc vào điều kiện bức xạ và nhiệt độ. Chẳng hạn như h nh trên đặc tính

I – V của pin mặt trời khi cố định ở nhiệt độ 45

18

và bức xạ mặt trời thay đổi.