HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM
KHOA CƠ ĐIỆN
-------------***-----------

NGUYỄN HUY ĐỆ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
TÊN ĐỀ TÀI:

“SỬ DỤNG MATLAB/SIMULINK MÔ PHỎNG
HỆ PHÁT ĐIỆN MẶT TRỜI ĐỘC LẬP”

HÀ NỘI – 2021


HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM
KHOA CƠ ĐIỆN
-------------***-----------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
TÊN ĐỀ TÀI:

“SỬ DỤNG MATLAB/SIMULINK MÔ PHỎNG
HỆ PHÁT ĐIỆN MẶT TRỜI ĐỘC LẬP”

Giáo viên hướng dẫn

: ThS. ĐÀO XUÂN TIẾN

Sinh viên thực hiện

: NGUYỄN HUY ĐỆ

Mã SV

: 602927

Lớp

: K60-HTDA

Chuyên ngành

: HỆ THỐNG ĐIỆN

HÀ NỘI – 2021


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên em xin cảm ơn các thầy cô giáo Học Viện Nông Nghiệp
Việt Nam đã giảng dạy và truyền đạt cho em những kiến thức quý báu để em có
thể áp dụng vào làm đề tài này và nhưng kiến thức đó sẽ là hành trang cho em
học tập và làm việc sau này.
Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn thầy giáo, ThS. Đào Xuân Tiến-Giảng
viên Khoa Cơ Điện – Học viện Nông Nghiệp Việt Nam đã trực tiếp hướng dẫn,
chỉ bảo và giúp đỡ em trong suốt quá trình thực tập và thực hiện đề tài của mình.
Em xin chân thành cảm ơn tập thể các thầy cô giáo trong bộ môn Hệ
thống điện – Khoa Cơ Điện, Học viện Nông nghiệp Việt Nam đã tạo điều kiện
và giúp đỡ em trong thời gian vừa qua.
Cuối cùng, em xin cảm ơn những người thân trong gia đình, bạn bè và
người thân đã động viên, khích lệ và đóng góp những ý kiến q báu để em

hoàn thành đồ án này.
Hà Nội, ngày

tháng năm 2020

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Huy Đệ

i


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ i
MỤC LỤC ............................................................................................................. ii
MỤC LỤC HÌNH ................................................................................................. iv
MỤC LỤC BẢNG .............................................................................................. vii
MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU TÌM HIỂU VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ...... 3
1.1. TỔNG QUAN VỀ NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI .......................... 3
1.1.1. Mặt trời và nguồn bức xạ mặt trời .............................................................. 3
1.1.2. Ứng dụng của năng lượng mặt trời ............................................................. 5
1.2. TIỀM NĂNG ỨNG DỤNG NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM. ...................................................... 7
1.2.1. Nguồn năng lượng mặt trời trên thế giới [6] ............................................... 7
1.2.2. Tiềm năng ứng dụng nguồn năng lượng mặt trời ở Việt Nam ................... 8
CHƯƠNG 2. CẤU TRÚC CỦA HỆ ĐIỆN MẶT TRỜI.................................... 11
2.1. PIN MẶT TRỜI ........................................................................................... 11
2.1.1. Cấu tạo....................................................................................................... 11
2.1.2. Nguyên lý làm việc ................................................................................... 12

2.1.3. Đặc tính làm việc của pin mặt trời. ........................................................... 13
2.2. BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC................................................................................. 14
2.2.1. Mạch Buck. ............................................................................................... 15
2.2.2. Mạch Boost ............................................................................................... 18
2.2.3. Mạch Buck – Boost ................................................................................... 20
2.3. BỘ MPPT ..................................................................................................... 21
2.3.1. Phương pháp nhiễu loạn và quan sát P&O ............................................... 22
2.3.2. Phương pháp điện dẫn gia tăng INC ......................................................... 24
2.3.3. Phương pháp điều khiển MPPT. ............................................................... 25
2.4. ẮC QUY ....................................................................................................... 29
2.4.1. Ắc quy chì - axit ........................................................................................ 29
2.4.2. Ắc quy kiềm .............................................................................................. 30
2.4.3. Các tiêu chí lựa chọn ắc quy. .................................................................... 30
2.5. BỘ BIẾN ĐỔI DC/AC................................................................................. 31
ii


CHƯƠNG 3. GIỚI THIỆU VỀ MATLAB/SIMULINK .................................... 33
3.1. TỔNG QUAN VỀ MATLAB/SIMULINK ................................................. 33
3.2. CHỨC NĂNG VÀ CÁCH THIẾT LẬP MỘT SỐ KHỐI CƠ BẢN MÔ
PHỎNG HỆ ĐIỆN MẶT TRỜI. ............................................................. 37
CHƯƠNG 4. THIẾT LẬP MÔ PHỎNG HỆ PHÁT ĐIỆN MẶT TRỜI ........... 42
4.1. THIẾT LẬP MƠ HÌNH MƠ PHỎNG ......................................................... 42
4.1.1. Chọn pin mặt trời ...................................................................................... 42
4.1.2. Tính chọn bộ biến đổi DC-DC .................................................................. 42
4.1.3. Chọn phương pháp điều khiển MPPT. ...................................................... 43
4.1.4. Chọn bộ biến đổi DC-AC .......................................................................... 43
4.2. MÔ PHỎNG TẤM PIN QUANG ĐIỆN ..................................................... 44
4.3. MÔ PHỎNG CÁC BỘ BIẾN ĐỔI .............................................................. 49
4.3.1. Mô phỏng bộ biến đổi DC-DC .................................................................. 49

4.3.2. Mô phỏng bộ biến đổi DC-AC .................................................................. 51
4.4. MÔ PHỎNG HỆ .......................................................................................... 52
4.5. Nghiên cứu mô phỏng ảnh hưởng của một số thông số đến hoạt động
của pin mặt trời trên Simulink ................................................................ 53
4.5.1. Ở chế độ bình thường ................................................................................ 53
4.5.2. Khi có hiện tượng che bóng ...................................................................... 55
4.6. Chạy chương trình xây dựng các đặc tính.................................................... 59
CHƯƠNG 5. THỰC NGHIỆM XÂY DỰNG ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA
PIN MẶT TRỜI ...................................................................................... 72
5.1. THIẾT LẬP MÔ HÌNH THỬ NGHIỆM ..................................................... 72
5.1.1. Mơ hình thực nghiệm ................................................................................ 72
5.1.2. Các thiết bị trong mơ hình ......................................................................... 72
5.1.3. Phương pháp thu thập và xử lý số liệu ...................................................... 75
5.2. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ................................................................................ 75
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ................................................................................. 79
1.

Kết luận ........................................................................................................ 79

2.

Kiến nghị...................................................................................................... 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 80
iii


MỤC LỤC HÌNH
Hình 1.1: Mặt trời [5] ............................................................................................ 3
Hình 1.2: Bức xạ mặt trời trong bầu khí quyển .................................................... 4

Hình 1.3: Hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời [12] ..................................... 5
Hình 1.4: Tịa nhà có hệ thống sưởi năng lượng mặt trời [12] ............................. 6
Hình 1.5: Hệ thống xử lý nước mặn [12] .............................................................. 6
Hình 1.6: Bếp năng lượng mặt trời [12]................................................................ 6
Hình 1.7: Nhà máy điện mặt trời TTC Phong Điền [12] ...................................... 7
Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời độc lập .......................................... 11
Hình 2.2: Hiệu ứng quang điện ........................................................................... 13
Hình 2.3: Đường đặc tính V-I của tấm pin mặt trời ............................................ 13
Hình 2.4: Sơ đồ thay thế tương đương của Pin mặt trời ..................................... 14
Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý bộ Buck converter [3] .............................................. 16
Hình 2.6: Dạng sóng điện áp và dịng điện của mạch Buck ............................... 16
Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý mạch Boost converter [3] ........................................ 18
Hình 2.8: Dạng sóng dịng điện và điện áp mạch Boost ..................................... 19
Hình 2.9: Sơ đồ nguyên lý mạch Buck-Boost [3] ............................................... 20
Hình 2.10: Bộ điều khiển MPPT [3] ................................................................... 21
Hình 2.11: Phương pháp tìm điểm làm việc công suất lớn nhất P&O [3] .......... 23
Hình 2.12: Lưu đồ thuật tốn phương pháp P&O [3] ......................................... 23
Hình 2.13: Lưu đồ thuật tốn của phương pháp điện dẫn gia tăng INC [3] ....... 25
Hình 2.14: Sơ đồ khối phương pháp điều khiển MPPT sử dụng bộ bù PI [3].... 26
Hình 2.15: Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển trực tiếp MPPT [3] ........... 27
Hình 2-16: Lưu đồ thuật tóa P&O dùng trong phương pháp điều khiển đo
trực tiếp tín hiệu ra [3] ............................................................................ 28
Hình 2.17: Bộ biến đổi DC/AC 1 pha dạng nửa cầu ( Hình a ) và hình cầu (
Hình b ) [3] .............................................................................................. 31
Hình 2.18: Sơ đồ cấu trúc bộ nghịch lưu kiểu Full-bridge [3]............................ 32
Hình 2.19: Sơ đồ cấu trúc bộ nghịch lưu kiểu Half-bridge [3] ........................... 32
Hình 3.1: Màn hình tiêu chuẩn sau khi khởi động Matlab ................................. 33
iv



Hình 3.2: Màn hình tiêu chuẩn sau khi khởi động Simulink .............................. 34
Hình 3.3: Cửa sổ mơ phỏng ................................................................................ 36
Hình 3.4: Thư viện Simulink............................................................................... 36
Hình 3.5: Lấy các khối mơ phỏng trong thư viện ............................................... 37
Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý mạch Buck ............................................................... 42
Hình 4.2: Sơ đồ bộ biến đổi DC/AC một pha mạch cầu ..................................... 44
Hình 4.3: Mơ hình tấm pin quang điện trong simscape ...................................... 45
Hình 4.4: Thiết lập thông số cho tấm pin quang điện ......................................... 45
Hình 4.5: Mơ phỏng tấm pin mặt trời bằng cơng thức ....................................... 47
Hình 4.6: Khối tế bào quang điện trong Simscape ............................................. 48
Hình 4.7: Mơ đun quang điện mơ phỏng ............................................................ 48
Hình 4.8: Tấm pin mặt trời cần mơ phỏng .......................................................... 48
Hình 4.9: Mơ phỏng bộ biến đổi DC-DC dựa theo nguyên lý bộ Buck
Converter ................................................................................................. 49
Hình 4.10: Cài đặt thơng số cho các phần tử trong mạch ................................... 50
Hình 4.11: Mơ phỏng bộ solar charge control .................................................... 50
Hình 4.12: Bộ biến đổi DC-DC có tấm pin và ắc quy ........................................ 51
Hình 4.13: Sơ đồ mơ phỏng bộ biến đổi DC-AC ................................................ 51
Hình 4.14: Cài đặt các khối ................................................................................. 52
Hình 4.15: Mơ hình mơ phỏng tồn hệ sử dụng MPPT ...................................... 53
Hình 4.16: Các đường đặc tính làm việc P-V, I-V của tấm pin quang điện
với cường độ bức xạ 1000w/m2 và nhiệt độ thay đổi từ 25oC đến
45oC ......................................................................................................... 54
Hình 4.17: Các đường đặc tính làm việc P-V, I-V của tấm pin quang điện
với nhiệt độ 25oC và cường độ bức xạ thay đổi ...................................... 54
Hình 4.18: Mơ hình mơ phỏng bóng che ............................................................ 55
Hình 4.19: Đặc tính I-V, P-V cho trường hợp 1, 2 ............................................. 56
Hình 4.20: Đặc tính I-V, P-V cho trường hợp 1, 3 ............................................. 57
Hình 4.21: Đặc tính I-V, P-V cho trường hợp 1, 4 ............................................. 57
Hình 4.22: Đặc tính I-V, P-V cho trường hợp 1, 5 ............................................. 58

v


Hình 4.23: Đặc tính I-V, P-V cho trường hợp 6, 7 ............................................. 59
Hình 4.24: Đồ thị đặc tính V , I và P của tấm pin quang điện ............................ 60
Hình 4.25: Dạng sóng điện áp của ắc quy và đầu ra của inverter ....................... 60
Hình 4.26: Đồ thị đặc tính V , I và P của tấm pin quang điện ............................ 61
Hình 4.27: Dạng sóng điện áp ắc quy và đầu ra inverter .................................... 61
Hình 4.28: Đồ thị đặc tính V , I và P của tấm pin quang điện ............................ 62
Hình 4.29: Dạng sóng điện áp ắc quy và đầu ra inverter .................................... 62
Hình 4.30: Đồ thị đặc tính V , I và P của tấm pin quang điện ............................ 63
Hình 4.31: Dạng sóng điện áp ắc quy và đầu ra inverter .................................... 63
Hình 4.32: Đồ thị đặc tính V , I và P của tấm pin quang điện ............................ 64
Hình 4.33: Dạng sóng điện áp ắc quy và đầu ra inverter .................................... 64
Hình 4.34: PWM solar charger controller ........................................................... 65
Hình 4.35: Mơ hình mơ phỏng tồn hệ khơng sử dụng MPPT ........................... 65
Hình 4.36: Đồ thị đặc tính V , I và P của tấm pin quang điện ............................ 66
Hình 4.37: Dạng sóng điện áp của ắc quy và đầu ra của inverter ....................... 66
Hình 4.38: Đồ thị đặc tính V , I và P của tấm pin quang điện ............................ 67
Hình 4.39: Dạng sóng điện áp ắc quy và đầu ra inverter .................................... 67
Hình 4.40: Đồ thị đặc tính V , I và P của tấm pin quang điện ............................ 68
Hình 4.41: Dạng sóng điện áp ắc quy và đầu ra inverter .................................... 68
Hình 4.42: Đồ thị đặc tính V , I và P của tấm pin quang điện ............................ 69
Hình 4.43: Dạng sóng điện áp ắc quy và đầu ra inverter .................................... 69
Hình 4.44: Đồ thị đặc tính V , I và P của tấm pin quang điện ............................ 70
Hình 4.45: Dạng sóng điện áp ắc quy và đầu ra inverter .................................... 70
Hình 5.1: Sơ đồ nối thực nghiệm ........................................................................ 72
Hình 5.2: Tên dụng cụ dùng cho hệ thống .......................................................... 73
Hình 5.3: Mơ hình thực nghiệm .......................................................................... 75
Hình 5.4: Đồ thi đặc tính I-V của tấm pin mặt trời thực nghiệm........................ 77

Hình 5.5: Đồ thi đặc tính I-V của tấm pin mặt trời ............................................. 77
Hình 5.6: Đồ thi đặc tính P-V của tấm pin mặt trời thực nghiệm ....................... 78
Hình 5.7: Đồ thi đặc tính P-V của tấm pin mặt trời ............................................ 78 
vi


MỤC LỤC BẢNG
Bảng 3.1: Các khối cơ bản mô phỏng hệ điện mặt trời....................................... 37
Bảng 4.1: Thiết lập thông số cho tấm pin quang điện ........................................ 46
Bảng 4.2: Bảng cài đặt các thông số ................................................................... 53
Bảng 4.3: Các trường hợp nghiên cứu số lượng mô đun bị che phủ .................. 55
Bảng 4.4: Ảnh hưởng của bóng che và nhiệt độ ................................................. 56
Bảng 5.1: Thống kê thiết bị sử dụng trong mơ hình thực nghiệm ...................... 72
Bảng 5.2: Bảng số liệu đo thông số đầu ra của tấm pin tại thời điểm nhiệt độ
21oC và cường độ bức xạ 325W/m2 lúc 12h15’ ...................................... 76

vii


MỞ ĐẦU
Điện năng là một nguồn năng lượng rất thiết yếu đối với cuộc sống
hiện nay. Tuy nhiên, những nguồn tài nguyên để tạo ra điện năng hiện nay
không đáp ứng đủ nhu cầu sử dụng của con người. Nguồn nguyên liệu hóa
thạch (Than đá, Dầu mỏ, ...) đang cạn kiệt dần đồng thời sử dụng các nguyên
liệu này sản xuất điện năng gây ra nhiều ảnh hưởng xấu đến mơi trường sống,
gây ơ nhiễm bầu khí quyển như hiệu ứng nhà kính thủng tầng ozon, mưa axit,
là một trong những nguyên nhân khiến trái đất ấm dần lên. Nguồn năng lượng
từ thủy điện hiện nay khơng thể một mình không đáp ứng được nhu cầu tiêu
thụ điện hiện nay ( theo dự báo của Quy hoạch phát triển điện đến các năm
2020 và 2030 thủy điện chỉ còn chiếm khoảng 23% trong tổng sản xuất điện)

các dự án thủy điện hiện nay cũng đã được khai thác gần hết, đồng thời với
việc các dự án thủy điện mọc lên nhiều cũng gây ra những ảnh hưởng xấu đến
môi trường như : việc xả lũ đồng loạt có nguy cơ cao gây ngập lụt, hay việc
chặn dịng khơng trả nước cho song khiến nơng nghiệp khơng thể trồng trọt.
Từ đó tìm ra nguồn năng lượng thay thế để tạo ra điện năng thật sự thiết yếu,
và một trong số nguồn năng lượng thay thế được biết đến đó là năng lượng
mặt trời. Đây là nguồn năng lượng rẻ, vô tận và sạch khơng gây hại cho mơi
trường. Cùng đó, hiện nay nước ta vẫn cịn những nơi khó có thể xây dựng
điện lưới đến đó, những nơi có điện nhưng không ổn định hoặc nhưng vùng
hải đảo xa xôi cần phải có điện năng để phục vụ sinh hoạt và làm việc. Hay
với nhu cầu sử dụng những phương tiện thân thiện với mơi trường, ...Thì hệ
phát điện mặt trời là một giải pháp. Xuất phát từ nhu cầu thực tế trên nên tôi
tiến hành thực hiện đề tài: “Sử dụng Matlab/Simulink mô phỏng hệ phát điện
mặt trời độc lập”
Nội dung chính của đồ án gồm 5 chương:

1


Chương 1: Nghiên cứu tìm hiểu về năng lượng mặt trời
1.1. Tổng quan về nguồn năng lượng mặt trời
1.2. Tiềm năng ứng dụng nguồn năng lượng mặt trời trên thế giới và ở
Việt Nam
Chương 2: Cấu trúc của hệ thống điện mặt trời
2.1. Tìm hiểu về pin mặt trời và hiệu ứng quang điện
2.2. Các thành phần của hệ thống điện mặt trời (tìm hiểu các bộ biến
đổi DC/DC; DC/AC)
Nội dung 3: Tìm hiểu về phần mềm Matlab/Simulink
3.1. Tổng quan về Matlab/Simulink
3.2. Chức năng và cách thiết lập các khối cơ bản mô phỏng trong

Simulink để mô phỏng hệ thống điện mặt trời
Chương 4: Thiết lập mô phỏng hoạt động của hệ phát điện mặt trời
độc lập
4.1. Thiết lập mô hình mơ phỏng
4.2. Mơ phỏng tấm pin quang điện
4.3. Mơ phỏng các bộ biến đổi
4.4. Mô phỏng hệ
4.5. Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số (bức xạ, nhiệt độ) đến
hoạt động của pin mặt trời
4.6. Chạy chương trình xây dựng các đặc tính
Chương 5: Thử nghiệm mơ hình pin mặt trời
5.1. Thiết lập mơ hình thử nghiệm
5.2. Đánh giá kết quả

2


CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU TÌM HIỂU VỀ NĂNG LƯỢNG
MẶT TRỜI
1.1. TỔNG QUAN VỀ NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
1.1.1. Mặt trời và nguồn bức xạ mặt trời
Mặt trời là ngôi sao ở trung tâm của hệ mặt trời, nó có hình dạng 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, phải mất 8 phút để vượt qua khoảng này trên trái đất). Khối lượng
mặt trời khoảng M0 = 2.1030 kg. Nhiệt độ T ở trung tâm mặt trời thay đổi
trong khoảng 10.106 K đến 20.106 K, trung bình khoảng 15,6.106 K. Ở nhiệt
độ như vậy 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 do có va trạm

với nhau sẽ xuất hiện những vụ nổ nhiệt hạch. Khi quan sát tính chất của vật
chất nguội hơn trên bề mặt nhìn thấy được của mặt trời, các nhà khoa học đã
kết luận rằng có phản ứng nhiệt hạch xảy ra trong lịng mặt trời. Mặt trời
khơng có ranh giới rõ ràng như ở các hành tính có đất đá. Ngược lại, mật độ
các khí giảm dần xuống theo quan hệ số mũ theo khoảng cách từ tâm mặt trời.
Bán kính mặt trời được đo từ tâm tới phần rìa ngồi của quang quyển.

Hình 1.1: Mặt trời [5]

3


Mặt trời hoạt động như một nguồn phát rất hoàn hảo của các tia bức xạ
tại nhiệt độ 5800 K. Kết quả năng lượng trung bình của tia tới trên một đơn vị
vng góc với bầu khí quyển được biết như là hằng số mặt trời. Gọi S là hằng
số mặt trời: S= 1367 W/m2. Một cách tổng quát, tổng công suất từ nguồn bức
xạ chiếu lên một đơn vị diện tích gọi là độ rọi bức xạ. Tổng năng lượng của
các tia tới lên trái đất được tính bằng S, trong đó R là bán kính của trái đất.
Đây mới chỉ là bức xạ mặt trời trên một vùng của một phẳng đĩa của trái đất.
Bức xạ trung bình trên một diện tích bề mặt sẽ được tính bằng biểu thức:
. .
. .

=342[w/m2]

(1.1)

Khi tia bức xạ mặt trời tới bầu khí quyển trái đất một phần năng lượng
của nó sẽ bị mất mát. Sự mất mát này gắn liền với sự tán xạ, hấp thụ bức xạ
và phụ thuộc vào thời gian trong ngày, mùa, vị trí địa lý. Các mùa hình thành

là do sự nghiêng của trục trái đất đối với mặt phẳng quỹ đạo của nó quanh
mặt trời gây ra. Góc nghiêng khoảng 66,50 và thực tế xem như không đổi
trong không gian. Sự định hướng như vậy của trục quay trái đất trong chuyển
động của nó đối với mặt trời gây ra những sự giao động quan trong về độ dài
ngày và đêm trong năm

Hình 1.2: Bức xạ mặt trời trong bầu khí quyển

4


Bức xạ mặt trời trung bình lên mặt đất gọi la Gtb (giá trị trung bình của
cả hai nhân tố, địa điểm và thời gian của năm) có thể được tính đơn giản theo
cơng thức sau:
- Theo cơng thức 1.1 thì trung bình bức xạ mặt trời bên ngồi khí
quyển là 342 w/m2
- Khi đi vào trái đất do ảnh hưởng của hiện tượng tán xạ, phản xạ. Bức
xạ mặt trời sẽ bị mất đi 30 %. Như vậy: Gtb= 0,7x342x24h = 5.75 kWh/ngày
1.1.2. Ứng dụng của năng lượng mặt trời
Đối với cuộc sống loài người, năng lượng mặt trời là một nguồn năng
lượng tái tạo quý báu. Năng lượng mặt trời gồm 2 ứng dụng chính là: nhiệt
mặt trời và điện mặt trời.
- Nhiệt mặt trời:
Nước nóng: Hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời sử dụng ánh
sáng mặt trời để làm nóng nước

Hình 1.3: Hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời [12]

5



Hệ thống sưởi ấm, làm mát và thơng gió

Hình 1.4: Tịa nhà có hệ thống sưởi năng lượng mặt trời [12]
 Xử lý nước: Chưng cất năng lượng mặt trời có thể được sử dụng để
làm cho mặn hoặc nước lợ uống được

Hình 1.5: Hệ thống xử lý nước mặn [12]
 Nấu ăn Bếp năng lượng mặt trời sử dụng ánh sáng mặt trời để nấu
nướng, làm khô và khử trùng

Hình 1.6: Bếp năng lượng mặt trời [12]

6


 Nhiệt quy trình
- Điện mặt trời: Điện mặt trời là chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành
điện năng, có 2 phương pháp chính là: chuyển đổi trực tiếp bằng cách sử dụng
quang điện hoặc chuyển đổi gián tiếp bằng cách sử dụng điện mặt trời tập
trung (CPS).
 Điện mặt trời tập trung: Các hệ thống điện mặt trời tập trung (CSP) sử
dụng ống kính, gương và các hệ thống theo dõi để tập trung một khu vực rộng
lớn của ánh sáng mặt trời vào một chùm nhỏ. Nhiệt tập trung sau đó được sử
dụng để đun sơi nước làm quay tua bin khí tạo ra điện năng trong nhà máy
nhiệt điện.
 Pin quang điện: Pin mặt trời, hay tế bào quang điện (PV), tế bào năng
lượng mặt trời là một thiết bị chuyển đổi ánh sáng thành dòng điện bằng cách
sử dụng hiệu ứng quang điện


Hình 1.7: Nhà máy điện mặt trời TTC Phong Điền [12]
1.2. TIỀM NĂNG ỨNG DỤNG NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM.
1.2.1. Nguồn năng lượng mặt trời trên thế giới [6]
Năm 1978, Quốc hội Mỹ thông qua một đạo luật có tên "chính sách xã
hội trong lĩnh vực các nguồn năng lượng" nhằm thúc đẩy ngành công nghiệp

7


sản xuất các loại năng lượng thay thế. Năm 2000 Đức ban bố "Luật phát triển
năng lượng có khả năng tái sinh". Các công ty nghiên cứu phát triển công
nghệ này được Chính phủ Đức trợ cấp kinh phí, các hộ gia đình sử dụng
nguồnn ăng lượng này cũng được trợ cấp kinh phí, đến năm 2003 đã có
100.000 nóc nhà được lắp đặt pin mặt trời để phát điện... năm 2002 có 90
quốc gia trong thành phần liên minh năng lượng phục hồi Johannesburg chính
thức thoả thuận tăng số tiền đầu tư nghiên cứu trong lĩnh vực năng lượng tái tạo.
Ở Nhật Bản, chỉ riêng năm 2000 đã tăng lượng điện mặt trời lên tới 128
MW (gấp 4 lần trước đó); Philipines điện mặt trời đảm bảo nhu cầu sinh hoạt
cho 400.000 dân, 250.000 ngôi nhà được lắp đặt pin mặt trời ở Sri Lanka.
Trung Quốc, Mexico. Từ những năm 90 ở Đức, Thuỵ Sỹ đã có hàng ngàn toà
nhà được lắp đặt các tấm pin thu năng lượng mặt trời theo chương trình hỗ trợ
tài chính của Chính phủ, ở Kenya, từ 1993 số nhà sử dụng năng lượng điện
mặt trời còn nhiều hơn số nhà được hệ thống điện quốc gia cung cấp. Nam
Phi triển khai nhiều chương trình lớn giúp đảm bảo được hệ thống điện năng
lượng mặt trời cho hàng triệu người dân. Ở Brazil, những vùng xa xôi hiểm
trở như Amazon, điện năng lượng mặt trời chiếm vị trí đầu bảng. Khối EU có
trên 25 triệu m2 thu năng lượng mặt trời dùng để phát điện và đun nước nóng.
Israel có luật bắt buộc nhà ở phải có bình đun nước nóng bằng năng lượng
mặt trời... và có những khu phố giờ cao điểm sẽ cúp điện quốc gia.

Nhờ chính sách khuyến khích đầu tư khai thác năng lượng mặt trời, giá
thành 1 kWh điện mặt trời chỉ còn 3 - 23 cent, so với 20 năm trước người sử
dụng phải tốn 2,5 USD. Theo dự tính đến năm 2020, điện năng lượng mặt trời
ở Mỹ sẽ đảm bảo 15% năng lượng tiêu thụ của cả nước. Nhiều tập đoàn lớn
đã đầu tư vào lĩnh vực này như Shap Corporation của Nhật Bản hiện chiếm
27% thị trường sản xuất pin mặt trời của thế giới, General Electric đi đầu
trong việc sản xuất thiết bị dùng cho các trạm phát điện bằng sức gió.
1.2.2. Tiềm năng ứng dụng nguồn năng lượng mặt trời ở Việt Nam
Vị trí địa lý ưu ái cho Việt Nam một nguồn năng lượng tái tạo vô cùng

8


lớn, đặc biệt là năng lượng mặt trời. Trải dài từ vĩ độ 230 23’ Bắc đến 80 27’
Bắc, Việt Nam nằm trong khu vực đặc thù khí hậu nhiệt đới gió mùa, đường
bờ biển dài có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao 2056 kW/m2/năm và
kéo dài từ các tỉnh Miền Trung đến khu vực đồng bằng Sông Cửu Long. Cụ
thể, tại những vùng như Tây Nguyên, Nam Trung Bộ số giờ nắng sẽ đạt được
từ 2000 đến 2600 giờ mỗi năm. Lượng bức xạ mặt trời trung bình khoảng
150kcal/m2, chiếm khoảng 2000 đến 5000 giờ mỗi năm. Các địa phương phía
Bắc bình qn 1800 đến 2100 giờ nắng mỗi năm.
Năng lượng mặt trời có những ưu điểm như: Sạch, chi phí nhiên liệu và
bảo dưỡng thấp, an toàn cho người sử dụng… Đồng thời, phát triển ngành
cơng nghiệp sản xuất pin mặt trời sẽ góp phần thay thế các nguồn năng lượng
hóa thạch, giảm phát khí thải nhà kính, bảo vệ mơi trường. Vì thế, đây được
xem là nguồn năng lượng quý giá, có thể thay thế những dạng năng lượng cũ
đang ngày càng cạn kiệt. Năng lượng mặt trời đang được nhà nước khuyến
khích sử dụng và hỗ trợ rất nhiều. Nhờ cơ chế hỗ trợ giá, điện mặt trời đã phát
triển bùng nổ tại Việt Nam trong vài năm qua. Riêng năm 2019, nguồn điện
mặt trời nối lưới đã được đưa vào vận hành lên tới khoảng 5GW (tập trung

chủ yếu ở tỉnh Ninh Thuận và Bình Thuận hơn 2GW).
Tổng cơng suất của các dự án điện mặt trời đã được bổ sung quy hoạch
trên 10 GW (8 GW dự kiến vào vận hành trước 2020 và 2 GW sau 2020).
Tổng công suất đăng ký nhưng chưa được bổ sung là 25 GW (12,3 GW
dự kiến vào vận hành trước 2020 và 12,9 GW sau 2020).
Tổng tiềm năng kỹ thuật rất lớn khoảng 1.646 GW (1.569 GW là tiềm
năng mặt đất và 77GW là tiềm năng mặt nước), nhưng tổng quy mơ tiềm
năng có thể phát triển của điện mặt trời quy mô lớn chỉ khoảng 386 GW, tập
trung chủ yếu ở miền Nam, Nam Trung Bộ và Tây Ngun và được tính tốn
dựa theo chi phí đất đai (thấp và cao) ở tất cả các tỉnh.
Điện mặt trời áp mái có tiềm năng khoảng 48GW, khu vực miền Nam
22GW. Theo Bộ Công Thương, chi phí đầu tư điện mặt trời áp mái thấp hơn
9


(khoảng 12%) điện mặt trời xây dựng trên mặt đất do khơng có chi phí sử
dụng đất và chi phí lưới điện đấu nối, nhưng chi phí vận hành bảo dưỡng cao
hơn khoảng 1,6% so với điện mặt trời quy mô lớn và số giờ phát điện công
suất cực đại sẽ thấp hơn điện mặt trời quy mô lớn (khoảng 10%). Giai đoạn
sau 2025, tổng tiềm năng điện mặt trời áp mái sẽ được mơ hình lựa chọn phát
triển ở từng giai đoạn
Vì vậy bức xạ mặt trời là nguồn tài nguyên lớn cần được khai thác ở
nước ta.

10


CHƯƠNG 2. CẤU TRÚC CỦA HỆ ĐIỆN MẶT TRỜI
Cấu trúc của một hệ thống điện mặt trời độc lập gồm những thành
phần sau:

- Tấm pin mặt trời
- Bộ biến đổi DC/DC
- Bộ bám điểm công suất MPPT
- Ắc quy
- Bộ biến đổi DC/AC inverter

Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời độc lập
2.1. PIN MẶT TRỜI
2.1.1. Cấu tạo
Hiện nay vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời là các silic tinh thể. Pin mặt
trời từ tinh thể silic chia làm 3 loại:
- Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình
czochralski. Đơn tinh thể loại này có hiệu suất tới 16%. Chúng thường rất đắt
tiền do được cắt các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở
góc nối module.
- Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc –đúc từ silic nung chảy cẩn thận sau
đó được làm nguội và làm rắn. Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể,
tuy nhiên hiệu suất kém hơn. Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vng
che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp.

11


- Dải silic tạo ra từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu
trúc đa tinh thể. Loại này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên loại này rẻ
nhất trong các loại vì khơng cần phải cắt từ silicon.
Một lớp tiếp xúc bán dẫn p – n có khả năng biến đổi trực tiếp năng
lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quan điện bên trong gọi
là pin mặt trời. Pin mặt trời được sản xuất và ứng dụng phổ biến hiện nay là
các pin mặt trời được chế tạo từ vật liệu tinh thể bán dẫn silicon (Si) có hóa trị

4. Từ tinh thể silic tinh khiết, để có vật liệu tinh thể bán dẫn Si loại n, người ta
pha tạp chất donor là photpho có hóa trị 5. Cịn có thể có vật liệu bán dẫn tinh
thể loại p thì tạp chất acceptor được dùng để pha vào silic là Bo có hóa trị 3.
Đối với pin mặt trời từ vật liệu tinh thể silic khi bức xạ mặt trời chiếu đến thì
hiệu điện thế hở mạch giữa 2 cực khoảng 0,55V và dịng điện đoản mạch của
nó khi bức xạ mặt trời có cường độ 1000W/m2 vào khoảng 25 – 30 mA/cm2.
Hiện nay người ta đã chế tạo pin mặt trời bằng vật liệu Si vơ định hình
(a-Si). So với pin mặt trời tinh thể Si thì pin mặt trời a-Si giá thành rẻ hơn
nhưng hiệu suất thấp hơn và kém ổn định hơn. Ngoài Si, hiện nay người ta
đang nghiên cứu và thử nghiệm các loại vật liệu khác có nhiều triển vọng như
Sunfit cadmi-đồng (CuCds), galium-arsenit (GaAs), ….
2.1.2. Nguyên lý làm việc
Cấu tạo vật lý của tế bào quang điện (pin mặt trời) tương tự như các
diode cổ điển với một lớp tiếp xúc p-n. Khi lớp tiếp xúc hấp thụ bức xạ mặt
trời thì năng lượng của các photon bức xạ được truyền đến các hạt electron
các electron này thơng thường nằm ở lớp ngồi cùng nên chúng kết dính với
ngun tử lân cận và khơng thể di chuyên đi xa. Khi các electron được kích
thích trở thành dẫn điện, các electron này di chuyển tự do trong bán dẫn điều
này dẫn đến nguyên tử sẽ thiếu đi một electron và sinh ra lỗ trống. Lỗ trống
này sẽ tạo điều kiện cho các electron nguyên tử bên cạnh di chuyển đến điền
vào lỗ trống, điều này sẽ tạo ra một lỗ trống mới cho nguyên tử lân cận. Cứ

12


tiếp tục như vậy lỗ trống sẽ di chuyển xuyên suốt mạch bán dẫn và sinh ra
điện. Hiện tượng này gọi là hiệu ứng quang điện bên trong (Hình 2.2)

Hình 2.2: Hiệu ứng quang điện
2.1.3. Đặc tính làm việc của pin mặt trời.

Đặc tính làm việc của pin mặt trời thể hiện qua hai thông số là điện
áp hở mạch lớn nhất VOC lúc dòng ra bằng 0 và Dòng điện ngắn mạch I SC khi
điện áp ra bằng 0. Cơng suất của pin được tính theo cơng thức:
P = U.I

(2.1)

Tại điểm làm việc U = UOC, I = 0 và U = 0, I = ISC, Công suất làm
việc của pin cũng có giá trị bằng 0.

Hình 2.3: Đường đặc tính V-I của tấm pin mặt trời
Mạch điện tương đương (Hình 2.4) của pin mặt trời gồm một nguồn
dịng Iph song song với một diode, điện trở song song Rsh biểu thị cho dịng rị ở
rìa pin, điện trở mắc nối tiếp Rs là điện trở tiếp xúc giữa các dây nối điện và điện
trở của lớp bán dẫn (pin mặt trời lý tưởng sẽ khơng có thành phần Rs và Rsh ).

13


Hình 2.4: Sơ đồ thay thế tương đương của Pin mặt trời
Từ sơ đồ tương đương ta có phương trình đặc trưng sáng volt –
ampe của pin như sau:
I=Iph – ID – Ish = Iph – Is.[e

.

.
. .

1 -


.

(2.2)

Trong đó:
- Iph: là dòng phát trong PMT (A)
- ID: là dòng qua diode (A)
- Ish: là dòng qua điện trở shunt (A)
- Is: là dòng bão hòa (A)
- A: là hệ số lý tưởng, A = 1,3
- q là điện tích của điện tử (C) = 1,6.10-19 (C)
- k là hệ số Boltzman = 1,38.10-23 (J/k)
- T là nhiệt độ (K)
- I, V lần lượt là dòng điện ra, điện áp ra của pin trong mạch tương
đương ở hình 2.4
2.2. BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC.
Bộ biến đổi DC/DC được sử dụng rộng rãi trong nguồn điện 1 chiều
với mục đích chuyển đổi nguồn một chiều không ổn định thành nguồn điện
một chiều có thể điều khiển được. Trong hệ thống pin mặt trời, bộ biến đổi
DC/DC được kết hợp chặt chẽ với MPPT. MPPT sử dụng bộ biến đổi DC/DC
để điều chỉnh nguồn điện áp vào lấy từ nguồn pin mặt trời, chuyển đổi và

14


cung cấp điện áp lớn nhất phù hợp với tải. Nhìn chung bộ biến đổi DC/DC
thường bao gồm các phần tử cơ bản là một khoá điện tử, một cuộn cảm để giữ
năng lượng, và một điơt dẫn dịng.
Các bộ biến đổi DC/DC thường được chia làm 2 loại có cách ly và

loại không cách ly. Loại cách ly sử dụng máy biến áp cách ly về điện tần số
cao kích thước nhỏ để cách ly nguồn điện một chiều đầu vào với nguồn một
chiều ra và tăng hay giảm áp bằng cách điều chỉnh hệ số biến áp. Loại này
thường được sử dụng cho các nguồn cấp một chiều sử dụng khoá điện tử. Phổ
biến nhất vẫn là mạch dạng cầu, nửa cầu và flyback. Trong nhiều thiết bị
quang điện, hệ thống làm việc với lưới thường dùng loại có cách ly về điện vì
nhiều lý do an tồn. Loại DC/DC không cách ly không sử dụng máy biến áp
cách ly. Chúng luôn được dùng trong các bộ điều khiển động cơ một chiều.
Các loại bộ biến đổi DC/DC thường dùng trong hệ PV gồm:
- Bộ giảm áp (buck)
- Bộ tăng áp (boost)
- Bộ đảo dấu điện áp (buck – boost).
Việc chọn lựa loại DC/DC nào để sử dụng tron g hệ PV còn tu ỳ
thuộc vào yêu cầu của ắc quy và tải đối với điện áp ra của dãy panel mặt trời.
Bộ giảm áp buck có thể định được điểm làm việc có cơng suất tối ưu
mỗi khi điện áp vào vượt quá điện áp ra của bộ biến đổi, trường hợp này ít
thực hiện được khi cường độ bức xạ của ánh sáng xuống thấp.
Bộ tăng áp boost có thể định điểm làm việc tối ưu ngay cả với
cường độ ánh sáng yếu. Hệ thống làm việc với lưới dùng bộ Boost để tăng
điện áp ra cấp cho tải trước khi đưa vào bộ biến đổi DC/AC.
Bộ Buck – boost vừa có thể tăng, vừa có thể giảm áp
2.2.1. Mạch Buck.
Mạch Buck là mạch được sử dụng khi yêu cầu điện áp đầu ra nhỏ hơn
điện áp đầu vào, thường sử dụng giảm áp để sạc vào bộ ắc quy. Khóa K trong

15


mạch là những khóa điện tử BJT, MOSFET hoặc IGBT. Khóa K được đóng
mở với tấn số được cài đặt sẵn. Hệ số làm việc D của khóa K được xác định

theo cơng thức:
D=

= TON.f đóngcắt

(2.3)

Hình 2.5: Sơ đồ ngun lý bộ Buck converter [3]
Trong thời gian mở, khóa K dẫn cho dòng đi qua, điện áp một chiều
được nạp vào tụ C2 và cấp năng lượng cho tải qua cuộn kháng L. Dòng qua L
và dòng nạp vào tụ C2 không tăng đột ngột mà tăng từ từ khi đó điện áp ra
trên tải cũng tăng từ từ, lúc này diode D khơng dẫn vì bị phân cực ngược.
Trong thời gian đóng, khóa K đóng lại khơng cho dịng qua nữa, điện áp 1
chiều từ đầu vào bằng 0. Tuy nhiên tải vẫn được cung cấp đầy đủ điện nhờ
năng lượng lưu trên cuộn kháng và tụ điện do Điot khép kín mạch. Như vậy
cuộn kháng và tụ điện có tác dụng lưu giữ năng lượng trong thời gian ngắn để
duy trì mạch khi khóa K đóng.

Hình 2.6: Dạng sóng điện áp và dịng điện của mạch Buck

16