ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN
BỘ MÔN ĐIỆN CÔNG NGHIỆP


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH
BỘ NẠP ẮC QUY TỪ PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI DÙNG
PHƯƠNG PHÁP DÒ TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI
(MPPT)

Giáo viên hướng dẫn :
Sinh Viên thực hiện :
Mssv
:
Lớp
:

Th.S Bùi Tấn Lợi
Lê Văn Vũ
105110175
11ĐCN

Đà Nẵng, 2016
MỤC LỤC:


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Th.s Bùi Tấn Lợi

CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU VỀ PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI................................Trang 5
1.1. NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI...................................................................Trang 5
1.2.PHÂN BỔ BỨC XẠ MẶT TRỜI, NHIỆT ĐỘ Ở TG VÀ VN.................Trang 5
1.3. ỨNG DỤNG CỦA NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI....................................Trang 6
CHƯƠNG 2
ĐẶC ĐIỂM PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI.........................................Trang 9
2.1. MỞ ĐẦU ................................................................................................Trang 9
2.2. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ VẬT LIỆU BÁN DẪN.................................Trang 9
2.3. HIỆU ỨNG QUANG ĐIỆN....................................................................Trang 10
2.3.1. Khái niệm.............................................................................................Trang 10
2.3.2. Phân loại...............................................................................................Trang 10
2.4. PIN MẶT TRỜI, CẤU TẠO NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CƠ BẢN....Trang 11
2.5. CẤU TẠO & NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐIỐT QUANG P-N. Trang 12
2.6. MODUN QUANG ĐIỆN........................................................................Trang 13
2.7. MÔ PHỎNG PIN QUANG ĐIỆN...........................................................Trang 16
2.8 ĐIỂM LÀM VIỆC TỐI ƯU CỦA PIN MẶT TRỜI.................................Trang 18
CHƯƠNG 3
PHƯƠNG PHÁP DÒ TÌM ĐIỂM TỐI ƯU................................................Trang 22
3.1. TỔNG QUAN VỀ MPPT........................................................................Trang 22
3.2. GIỚI THIỆU CHUNG.............................................................................Trang 23
3.3. THUẬT TOÁN XĐ ĐIỂM LÀM VIỆC CÓ CÔNG SUẤT TỐI ƯU .....Trang 24
3.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP CỦA THUẬT TOÁN MPPT..............................Trang 26
3.4.1. Phương pháp nhiễu loạn và quan sát P&O............................................Trang 26
3.4.3. Phương pháp điện áp hằng số...............................................................Trang 30
CHƯƠNG 4
BỘ CHUYỂN ĐỔI DC/DC BUCK CONVERTER....................................Trang 32

4.1.TỔNG QUAN...........................................................................................Trang 32
4. 1.1. Phương pháp điều khiển......................................................................Trang 32
4.1.2. Bộ biến đổi Buck..................................................................................Trang 32
4.2. MÔ HÌNH HÓA......................................................................................Trang 36
SVTH: Lê Văn Vũ

Trang 2


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Th.s Bùi Tấn Lợi

4.3. TÍNH TOÁN MẠCH ĐỘNG LỰC..........................................................Trang 39
4.3.1. Van đóng mở (Mosfet)..........................................................................Trang 39
4.3.2. Diot.......................................................................................................Trang 40
4.3.3. Cuộn cảm..............................................................................................Trang 41
4.3.3.1. Tính toán giá trị cuộn cảm.................................................................Trang 41
4.3.3.2. Thiết kế cuộn cảm..............................................................................Trang 43
4.3.4. Tụ điện..................................................................................................Trang 47
CHƯƠNG 5
TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN PIC...................................................Trang 48
5.1. PIC LÀ GÌ ?.............................................................................................Trang 48
5.1.1. Các dòng Pic và cách lựa chọn vi điều khiển PIC.................................Trang 48
5.1.2. Ngôn ngữ lập trình cho pic...................................................................Trang 49
5.1.3. Mạch nạp pic........................................................................................Trang 49
5.2. VI ĐIỀU KHIỂN PIC 16F886.................................................................Trang 50
5.2.1. Sơ đồ chân 16F886...............................................................................Trang 50
5.2.2. Một vài thông số về PIC16F886A........................................................Trang 51
5.2.3. Sơ đồ khối vi điều khiển 16f886...........................................................Trang 54

5.2.4. Bộ nhớ dữ liệu......................................................................................Trang 55
5.2.5. Cổng xuất nhập PIC16F886..................................................................Trang 56
5.2.6. TIMER 0...............................................................................................Trang 56
CHƯƠNG 6
KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM.......................................................................Trang 58
6.1. MÔ PHỎNG THỰC NGHIỆM...............................................................Trang 58
6.2. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ..................................................................Trang 63
CHƯƠNG 7
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỒ ÁN............................Trang 64
7.1. KẾT LUẬN.............................................................................................Trang 64
7.2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỒ ÁN.............................................................Trang 65
PHỤ LỤC.......................................................................................................Trang 66
TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................................................Trang 69

SVTH: Lê Văn Vũ

Trang 3


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Th.s Bùi Tấn Lợi

LỜI NÓI ĐẦU
Nhân loại đang sống trong thế kỷ thứ 21- kỷ nguyên của sự phát triển
vượt bậc về khoa học công nghệ và ứng dụng các thành quả công nghệ mới.
Đồng hành cùng sự phát triển này là sự tiêu tốn các nguồn năng lượng không tái
tạo là dầu mỏ, than đá, điện năng...
Bên cạnh sự phát triển mạnh mẽ đó nhân loại cũng đang phải đối mặt với
nhiều nguy cơ do sự phát triển đó mang lại như hiệu ứng nhà kính, ô nhiễm môi

trường, thiên tai, địch hoạ...Theo ước tính của Liên Hợp Quốc thì trong vòng
một trăm năm qua nhân loại đã sử dụng khoảng 30% tổng trữ lượng dầu mỏ mà
thế giới có được và dự báo trong vòng 30 năm tiếp theo thì nhu cầu này sẽ tăng
lên gấp ba (số liệu tính đến tháng 5 năm 2008), tuy nhiên đối với mỗi quốc gia
và vùng lãnh thổ thì nhu cầu về năng lượng là không thể không có và nó là điều
kiện tiên quyết cho sự phát triển của bản thân quốc gia đó, đặc biệt là đối với
các quốc gia đang phát triển. Vì thế, ý thức về việc sử dụng năng lượng hợp lý,
tiết kiệm đã dần trở thành nhu cầu ở mỗi quốc gia và đòi hỏi các quốc gia phải
có những biện pháp tích cực để sử dụng năng lượng được hợp lý nhất?
Để có thể làm được việc này, thì bên cạnh việc sử dụng và quản lý nhu
cầu năng lượng hợp lý thì việc nghiên cứu, phát triển, ứng dụng và sử dụng các
nguồn năng lượng mới như năng lượng hạt nhân, năng lượng gió, năng lượng
Mặt Trời...là vô cùng bức thiết bởi sự dồi dào, sẵn có và đặc biệt là không gây ô
nhiễm môi trường của các nguồn năng lượng này.
Đối với năng lượng Mặt Trời nói riêng thì nhân loại đã nghiên cứu và ứng
dụng nó từ những năm 40 của thế kỷ trước để chế tạo các Pin Mặt Trời cung cấp
năng lượng cho các vệ tinh nhân tạo. Tuy nhiên phải đến những năm 70, sau
cuộc khủng hoảng dầu lửa đầu tiên trên thế giới thì việc nghiên cứu, phát triển
và ứng dụng Pin năng lượng Mặt Trời mới được quan tâm thực sự và đã phát
triển mạnh mẽ từ đó đến nay. Ở các nước phát triển như Đức, Mỹ, Nhật Bản...thì
việc sử dụng năng lượng Mặt Trời thay cho các nguồn năng lượng khác đã trở
nên phổ biến và nhận được nhiều sự ủng hộ. Còn với các nước nghèo hoặc đang
SVTH: Lê Văn Vũ

Trang 4


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Th.s Bùi Tấn Lợi


phát triển thì việc nghiên cứu, sử dụng các nguồn năng lượng này mới chỉ đạt
được các kết quả ban đầu, bởi chi phí ban đầu của một “HỆ THỐNG NĂNG
LƯỢNG MỚI” là khá lớn và để có thể thay đổi được thói quen sinh hoạt của
người dân thì còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố...
Riêng ở Việt Nam, các hoạt động nghiên cứu, ứng dụng và sử dụng các
nguồn năng lượng mới và năng lượng tái tạo nói chung cũng như năng lượng
Mặt Trời nói riêng trong những năm gần đây được triển khai khá mạnh mẽ. Tuy
nhiên chưa được sâu rộng và mới chỉ dừng ở quy mô các dự án giành cho người
nghèo được chính phủ và các tổ chức nước ngoài tài trợ, còn đối với đại đa số
người dân thì vẫn không muốn sử dụng nguồn năng lượng này do chưa nhận
thức được ích lợi của nó cũng như giá thành chi phí ban đầu là quá cao trong khi
thu nhập bình quân của người dân lại ở mức thấp.
Đồ án hoàn thành nhằm thoả mãn mục đích chính:
-

Áp dụng phương pháp do tìm điểm công suất cực đại (MPPT) nhằm

nâng cao hiệu quả sử dụng hệ thống pin năng lượng mặt trời.
- Làm mô hình mạch thực để khỏa sát phương pháp MPPT qua đó tính
toán ứng dụng trong thực tế.Trong quá trình thực hiện không thể tránh những sai
sót do trình độ và quá trình nghiện cứu chưa sâu, kính mong các thầy, cô góp ý,
chỉ bảo để hoàn thiện hơn nữa về kiến thức và ứng dụng thực tiễn.
Cuối cùng em xin chân thành cám ơn thầy giáo Bùi Tấn Lợi đã tận tình
hướng dẫn, giúp đỡ em hoàn thành nhiệm vụ thiết kế đồ án này. Cảm ơn các
thầy, cô giáo khoa điện của trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng đã truyền đạt rất
nhiều kiến thức bổ ích cho em trong suốt quá trình học tập.
Đà Nẵng, tháng 6 năm 2016
Sinh viên thực hiện


SVTH: Lê Văn Vũ

Trang 5


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Th.s Bùi Tấn Lợi
TÓM TẮT

Đồ án này trìm bày phương pháp tìm điểm làm việc có công suất tối ưu
của pin mặt trời (MPPT) bằng giải thuật P&O. Sử dụng Matlab/Simulink để xây
dựng mô hình pin mặt trời mô phỏng giải thuật và sử dụng thực nghiệm để kiểm
tra giải thuật.
Kết quả mô phỏng và thựu nghiệm cho thấy sự cần thiết phải sử dụng
MPPT trong hệ thống pin mặt trời và bằng việc sử dụng giải thuật P&O. Hệ
thống đã nhanh chóng đưa pin mặt trời vào làm việc tại điểm công suất tối ưu.

SVTH: Lê Văn Vũ

Trang 6


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Th.s Bùi Tấn Lợi

CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
1.1.


NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Năng lượng mặt trời hay bức xạ mặt trời là năng lượng phát ra bởi ánh

nắng mặt trời, đặc biệt là năng lượng điện từ có bước sóng từ 0,28 đến 3,0 µm.
Khoảng một nửa của bức xạ là ở phần sóng ngắn (0,38…0,78 µm) nhìn thấy
được trong dải quang phổ điện từ, nửa còn lại chủ yếu là ở phần gần hồng ngoại
(0,78…3,0 µm), với một số ở phần cực tím (0,28…0,38 µm) của quang phổ.
Quang phổ của ánh sáng Mặt Trời mà ta thu được trên Trái Đất là quang
phổ vạch hấp thụ.
1.2.

PHÂN BỔ BỨC XẠ MẶT TRỜI, NHIỆT ĐỘ Ở TG VÀ VIỆT NAM
Năng lượng mặt trời thay đổi bởi vì sự chuyển động tương đối của mặt

trời. Sự thay đổi này còn phụ thuộc vào giờ trong ngày và các mùa trong năm.
Nhìn chung bức xạ mặt trời có nhiều vào buổi trưa hơn là lúc sáng sớm và chiều
tối. Vào giữa trưa, mặt trời ở vị trí cao nhất trên bầu trời và đường đi của tia
nắng mặt trời xuyên qua bầu khí quyển của trái đất được rút ngắn. Do đó, bức xạ
mặt trời ít bị tán xạ hay hấp thụ và bức xạ đến bề mặt trái đất sẽ càng nhiều.
Lượng năng lượng mặt trời đến bề mặt trái đất thay đổi theo năm, từ mức
trung bình dưới 0,8 kWh/m2 mỗi ngày trong suốt mùa đông ở miền Bắc của
Châu Âu đến hơn 4 kWh/m2 mỗi ngày trong suốt mùa hè ở khu vực này. Sự
khác biệt này giảm dần về gần xích đạo. Lượng bức xạ toàn cầu trung bình hàng
năm tác động đến bề mặt trái đất lên đến xấp xỉ 1.000 kWh/m2 ở Trung Âu,
Trung Á và Canada; 1.700 kWh/m2 ở Địa Trung Hải và xấp xỉ 2.200 kWh /m2 ở
hầu hết các khu vực xích đạo châu Phi, các nước Á Đông, các sa mạc ở Úc.
Năng lượng mặt trời ở Việt Nam có sẵn quanh năm, khá ổn định và phân bố
rộng rãi trên các vùng miền khác nhau của đất nước. Đặc biệt, số ngày nắng
trung bình trên các tỉnh của miền trung và miền nam là khoảng 300 ngày/năm.


SVTH: Lê Văn Vũ

Trang 7


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Th.s Bùi Tấn Lợi

Hình 1.1: Biểu đồ cường độ bức xạ mặt trời
Bảng 1.1 Giá trị trung bình cường độ bức xạ MT ngày trong năm và số giờ nắng của
một số khu vực khác nhau ở Việt Nam:

1.3.

ỨNG DỤNG CỦA NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Năng lượng mặt trời là một trong những nguồn năng lượng tái tạo quan

trọng nhất đạt được nhiều sự quan tâm trong những năm gần đây. Năng lượng
mặt trời rất dồi dào; nó có trữ lượng lớn nhất so với các nguồn năng lượng khác.
Lượng năng lượng cung cấp cho trái đất trong một ngày của mặt trời đủ để cung
cấp nhu cầu năng lượng năng lượng của trái đất trong một năm. Năng lượng mặt
trời sạch và không có khí thải, vì sản xuất nó không gây ô nhiễm hoặc có các sản
phẩm có hại cho thiên nhiên. Việc chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng
lượng điện có trong nhiều lĩnh vực ứng dụng. Năng lượng mặt trời chuyển đổi
năng lượng điện có thể được thực hiện theo hai cách: quang điện năng lượng
SVTH: Lê Văn Vũ

Trang 8



Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Th.s Bùi Tấn Lợi

mặt trời và nhiệt năng năng lượng mặt trời. Năng lượng mặt trời nhiệt tương tự
như thế hệ điện AC thông thường bằng chạy tuabin hơi nước thay vì nhiên liệu
hóa thạch; nhiệt chiết xuất từ tia mặt trời tập trung được sử dụng để sản xuất hơi
nước và ngoài ra được lưu trữ trong các thùng cách nhiệt cho việc sử dụng trong
quá trình gián đoạn của ánh nắng mặt trời hay ban đêm. các tế bào sử dụng điện
mặt trời làm bằng silicon hoặc một số loại vật liệu bán dẫn mà chuyển đổi năng
lượng ánh sáng được hấp thụ từ ánh nắng mặt trời sự vào động cơ điện. Để bù
đắp cho quá trình gián đoạn trong thời gian đêm nên việc tạo ra pin lưu trữ điện
là cần thiết.
Gần đây, nghiên cứu và phát triển của tấm màn hình phẳng năng lượng
mặt trời chi phí thấp, thiết bị màng mỏng, hệ thống tập trung, và nhiều khái niệm
sáng tạo đã tăng lên. Trong tương lai gần, các chi phí của các đơn vị mô-đun
năng lượng mặt trời công suất nhỏ và các nhà máy năng lượng mặt trời sẽ có
tính khả thi về mặt kinh tế cho sản xuất và sử dụng năng lượng mặt trời quy mô
lớn.
Trong đồ án này, chúng ta sẽ trình bày các hoạt động quang điện năng
lượng mặt trời. Cách quan trọng nhất để tăng hiệu suất của một bảng điều khiển
năng lượng mặt trời là sử dụng phương pháp dò tìm đỉnh công suất tối ưu của
một thiết bị điện tử công suất làm tăng đáng kể hiệu quả của hệ thống. Bằng
cách sử dụng hệ thống hoạt động điều chỉnh đỉnh công suất và sản xuất sản
lượng điện năng tối ưu của nó. Như vậy, phương pháp dò tìm đỉnh công suất đã
tối ưu hóa hiệu quả sắp xếp, do đó làm giảm chi phí hệ thống tổng thể.
Ngoài ra, chúng ta cố gắng để thiết kế các bộ dò tìm công suất đỉnh tối ưu
bằng cách sử dụng các thuật toán của phương pháp dò tìm công suất đỉnh tối ưu

là "nhiễu loạn và Quan sát" và thực hiện nó bằng cách sử dụng một bộ chuyển
đổi DC-DC. Chúng ta đã tìm thấy nhiều loại bộ chuyển đổi DC-DC. Trong số
đó, chúng ta đã lựa chọn chuyển đổi phù hợp nhất đó là chuyển đổi "Buck", cho
thiết kế .Thế hệ hệ thống phát điện PV thường sử dụng một vi điều khiển dựa
trên điều khiển sạc kết nối với pin và tải. Một bộ điều khiển sạt được sử dụng để
SVTH: Lê Văn Vũ

Trang 9


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Th.s Bùi Tấn Lợi

duy trì điện áp sạc thích hợp trên pin. Khi điện áp đầu vào từ các mảng năng
lượng mặt trời, bộ điều khiển phụ trách quy định sạt cho pin ngăn ngừa bất kỳ
quá mức. Vì những tính năng tốt, vững chắc và đáng tin cậy điều khiển sạt PV là
một thành phần quan trọng của bất kỳ hệ thống sạc pin PV để đạt được tối ưu
hiệu quả hệ thống. Trong khi thiết kế vi điều khiển dựa trên có thể cung cấp điều
khiển thông minh hơn và do đó làm tăng hiệu quả của hệ thống.

SVTH: Lê Văn Vũ

Trang 10


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Th.s Bùi Tấn Lợi


CHƯƠNG 2
ĐẶC ĐIỂM CỦA PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
2.1.

MỞ ĐẦU
Năng lượng mặt trời được coi là nguồn năng lượng sạch và vô tận mà

thiên nhiên ban tặng cho chúng ta. Một trong những kỹ thuật sử dụng năng
lượng Mặt Trời là sản xuất điện năng - điện Mặt Trời. Để sản xuất điện Mặt Trời
người ta thường sử dụng hai công nghệ: Công nghệ nhiệt Mặt Trời và công nghệ
pin Mặt Trời.
Trong công nghệ nhiệt Mặt Trời người ta thường sử dụng hệ thống các
gương hội tụ để thu năng lượng Mặt Trời tạo thành các nguồn nhiệt có mật độ
năng lượng cao và do đó có nhiệt lượng rất cao, có thể làm bốc hơi nước ở nhiệt
độ và áp suất lớn. Hơi sinh ra với áp suất lớn sẽ làm quay các tuabin để sản xuất
điện năng.
Trong giới hạn của đề tài chúng em chỉ xin đề cập đến công nghệ pin Mặt
Trời. Pin Mặt Trời là thiết bị sử dụng biến đổi trực tiếp năng lượng Mặt Trời
thành năng lượng điện nhờ vào các tế bào quang điện. Các Panel này còn sản
xuất ra năng lượng chừng nào còn có bức xạ Mặt Trời chiếu tới nó. Các hệ
thống Panel hay Pin Mặt Trời rất đơn giản, không có phần chuyển động, không
cần đòi hỏi chăm sóc bảo dưỡng thường xuyên như những hệ thống khác, đặc
biệt không ô nhiễm môi trường nên đã được quan tâm nghiên cứu, phát triển và
ứng dụng ngày càng mạnh mẽ vào khoa học kỹ thuật và cuộc sống. Sau đây
chúng ta sẽ tìm hiểu đôi chút về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các đặc trưng
cơ bản của Pin Mặt Trời và ứng dụng mạnh mẽ của nó…
2.2.

KHÁI NIỆM CHUNG VỀ VẬT LIỆU BÁN DẪN
Bán dẫn là nhóm các loại vật chất có điện dẫn điện tử mà trị số điện trở


suất của chúng ở nhiệt độ bình thường nằm trong khoảng giữa điện trở suất của
vật dẫn và điện môi.
Điện dẫn của vật liệu bán dẫn phụ thuộc nhiều vào năng lượng tác động
SVTH: Lê Văn Vũ

Trang 11


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Th.s Bùi Tấn Lợi

bên ngoài, cũng như các tạp chất khác nhau. Với một lượng tạp chất cực nhỏ
trong chất bán dẫn cũng đã làm thay đồi điện dẫn của chất này. Mặt khác điện
dẫn của chất bán dẫn có thể thay đổi bằng sự tác động của nhiệt độ, độ chiếu
sáng, điện trường, lực cơ học v.v..
Chất bán dẫn có hai lọai điện dẫn là điện dẫn mang điện tích tự do (n) và
điện dẫn chứa nhiều lỗ trống tự do mang điện tích dương (p). Khả năng sử dụng
mặt tiếp giáp p-n là cơ sỏ để áp dụng chất bán dẫn trong kỹ thuật điện. Nó được
dùng làm chỉnh lưu công suất lớn cũng như công suất nhỏ, khuyếch đại và phát
sóng.
Các hệ thống bán dẫn có thể dung để biến đổi các dạng năng lượng khác
thành năng lượng điện với hiệu suất tương đương. Pin mặt trời và kiểu máy phát
nhiệt điện là những ví dụ về sự biến đổi bán dẫn.
2.3.

HIỆU ỨNG QUANG ĐIỆN

2.3.1. Khái niệm

Là sự tương tác giữa ánh sáng và điện tử phân bố ở bề mặt của kim loại.
Khi chiếu một chùm sáng có một bước sóng đủ ngắn vào bề mặt của một số kim
loại, ánh sáng sẽ kích thích dao động của các điện tử phân bố ở bề mặt của kim
loại đó làm điện tử bật ra khỏi bề mặt kim loại. Kim loại được đặt trong một
trường điện thế thì những điện tử đó sẽ chuyển động ngược chiều với chiều
trường điện thế và tạo ra dòng điện.
2.3.2. Phân loại
Khi các điện tử bị bật ra khỏi bề mặt của tấm kim loại, ta có hiệu ứng
quang điện ngoài (external photoelectric effect). Các điện tử không thể phát ra
nếu tần số của bức xạ nhỏ hơn tần số ngưỡng bởi điện tử không được cung cấp
đủ năng lượng cần thiết để vượt ra khỏi rào thế (gọi là công thoát).
Điện tử phát xạ ra dưới tác dụng của bức xạ điện từ được gọi là quang
điện tử.Trong nhiều vật liệu, hiệu ứng quang điện ngoài không xảy ra mà chỉ
xảy ra hiện tượng quang điện trong (thường xảy ra với các chất bán dẫn).

SVTH: Lê Văn Vũ

Trang 12


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Th.s Bùi Tấn Lợi

Hình 2.1: Hiệu ứng quang điện

Khi chiếu các bức xạ điện từ vào các chất bán dẫn, nếu năng lượng của
photon đủ lớn (lớn hơn độ rộng vùng cấm của chất, năng lượng này sẽ giúp cho
điện tử dịch chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, do đó làm thay đổi tính chất
điện của chất bán dẫn (độ dẫn điện của chất bán dẫn tăng lên do chiếu sáng).

Hoặc sự chiếu sáng cũng tạo ra các cặp điện tử - lỗ trống cũng làm thay đổi cơ
bản tính chất điện của bán dẫn. Hiệu ứng này được sử dụng trong các
photodiode, phototransitor, pin mặt trời...

Hình 2.2: Mô hình pin thực tế

2.4.

PIN MẶT TRỜI, CẤU TẠO NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CƠ BẢN
Pin mặt trời hay pin quang điện (Solar panel) bao gồm nhiều tế bào quang

SVTH: Lê Văn Vũ

Trang 13


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Th.s Bùi Tấn Lợi

điện (solar cells) – là phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các
điốt quang p-n.
Pin Mặt Trời ngày nay được sản xuất chủ yếu từ vật liệu tinh thể bán dẫn
silicon (Si) có hóa trị 4. Để có vật liệu tinh thể bán dẫn tinh khiết loại n thì người
ta pha vào tinh thể Si tạp chất là Photpho hóa trị 5 gọi là Donor, còn để tạo ra
bán dẫn loại P thì người ta pha vào Si là Bo hóa trị 3 gọi là Acceptor. Đối với pin
Mặt Trời làm từ vật liệu tinh thể Si, khi được chiếu sáng thì hiệu điện thế hở
mạch giữa hai bản cực khoảng 0,55V, dòng đoản mạch của nó dưới bức xạ Mặt
Trời 1000W/m2 khoảng 30mA/cm2.
Ngoài pin làm từ vật liệu tinh thể Si, người ta còn nghiên cứu chế tạo thử

nghiệm từ các loại vật liệu khác có nhiều hứa hẹn như hệ bán dẫn hợp chất
nhóm 3-5, như hợp chất đồng-cadimi sunfit (CuCdS), Galium-Arsent(GaAs),..
2.5. CẤU TẠO & NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐIỐT QUANG P-N
Khi đã có được hai chất bán dẫn là p và n , nếu ghép hai chất bán dẫn theo
một tiếp giáp p- n ta được một điốt, tiếp giáp p-n có đặc điểm: Tại bề mặt tiếp
xúc, các điện tử dư thừa trong bán dẫn n khuyếch tán sang vùng bán dẫn p để lấp
vào các lỗ trống từ đó tạo thành một lớp Ion trung hoà về điện, lớp Ion này tạo
thành miền cách điện giữa hai chất bán dẫn.

Hình 2.3: Tiếp xúc p-n, cấu tạo điốt

Khi ánh sáng mặt trời chiếu xuống 1 điốt quang thì 1 trong 2 điều sau sẽ
xảy ra:
1. Photon truyền trực tiếp xuyên qua chất bán dẫn. Điều này thường xảy
SVTH: Lê Văn Vũ

Trang 14


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Th.s Bùi Tấn Lợi

ra khi năng lượng của photon thấp hơn năng lượng đủ để đưa các điện tử lên
mức năng lượng cao hơn.
2. Năng lượng của photon được hấp thụ bởi chất bán dẫn. Điều này
thường xảy ra khi năng lượng của photon lớn hơn năng lượng để đưa các điện tử
lên mức năng lượng cao hơn.
Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó được truyền đến lớp màng
Ion trung hòa làm bật điện tích ra khỏi lỗ trống đi tới lớp p, khi đó 1 lỗ trống sẽ

dư ra và lỗ trống này tạo điều kiện cho các điện tích lân cận nó di chuyển đến
điền vào lỗ trống cứ tiếp tục như vậy ta được dòng điện 1 chiều trong điốt bán
dẫn.
Một photon chỉ cần có năng lượng lớn hơn năng luợng đủ để kích thích
điện tích lớp ngoài cùng dẫn điện. Tuy nhiên, tần số của mặt trời thường tương
đương 6000°K, vì thế nên phần lớn năng lượng mặt trời đều được hấp thụ bởi
silic. Tuy nhiên hầu hết năng lượng mặt trời chuyển đổi thành năng lượng nhiệt
nhiều hơn là năng lượng điện sử dụng được.
2.6.

MODUN QUANG ĐIỆN
Ngày nay, quang điện vẫn là nguồn năng lượng tương đối đắt tiền. Vì vậy,

điều quang trọng là phải sử đụng pin mặt trời đúng cách để đạt được công suất
tối ưu. Để đạt được điều này, các tấm pin phải được bố trí ở 1 vị trí cố định
nghiêng về phía nam để tối ưu hóa việc sản xuất năng lượng hàng ngày à buổi
trưa. Sự định hướng tấm pin cố định cần được chọn cẩn thận để nhận được năng
lượn cực đại theo mùa trong năm. Khi cần có thể điều chỉnh hướng đặt pin theo
định kỳ. Cơ bản, các tấm pin có 1 điểm hoạt động tối ưu gọi là điểm công suất
cực đại (MPP). Đó là điểm mà các tấm pin có thể phát công suất tối ưu từ ánh
sáng mặt trời.
Mạch điện gồm dòng quang điện, IPH , điốt, điện trở dòng dò RSH và điện
trở nối tiếp Rs, đặc tính I-V của pin mô tả bằng biểu thức 2.1

I=IPH - IS[ exp( (V+IR) -1) - ]
SVTH: Lê Văn Vũ

Trang 15

(2.1)



Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Th.s Bùi Tấn Lợi

Mạch điện tương đương cho pin mặt trời.

Hình 2.4: Mạch điện tương đương của pin mặt trời

Trong đó:
IPH = dòng quang điện (A)
Is = dòng bão hòa (A)
q = điện tích của electron, q=1,6x10-19 C
k = nhiệt độ vận hành của pin (K)
A = hệ số lý tưởng phụ thuộc vào công nghệ chế tạo pin, ví dụ công nghệ
Si-mono A=1,2, Si-Poly A=1,3….
Dòng quang điện IPH phụ thuộc trực tiếp vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ
của pin
IPH = [ Isc + Ki (Tc - Tref)] λ

(2.2)

Trong đó:
Isc = dòng ngắn mạch tại nhiệt độ tiêu chuẩn 250C (A) và bức xạ 1kW/m2
Ki = hệ số dòng điện phụ thuộc vào nhiệt độ (A/0C)
Tc = Nhiệt độ vận hành của pin mặt trời (0K)
Tref = Nhiệt độ tiêu chuẩn của pin mặt trời (0K)
λ = Bức xạ mặt trời (kW/m2)
Mặt khác, dòng bão hòa Is là dòng các hạt tải điện không cơ bản được tạo

ra do kích thích nhiệt. Khi nhiệt độ của pin mặt trời tăng theo dòng bão hòa cũng
tăng theo hàm mũ:
SVTH: Lê Văn Vũ

Trang 16


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Th.s Bùi Tấn Lợi

Is = IRS (3 exp[λ

(2.3)

Trong đó:
IRS = Dòng điện bão ngược bão hòa tại nhiệt dộ tiêu chuẩn (A)
EG = Năng lượng lỗ trốn của chất bán dẫn
Đối với pin mặt trời lý tường, điện trở dòng rò R SH = ∞, Rs = 0. Khi đó
mạch điện tương đương của pin mặt trời được cho bởi hình 2.5

Hình 2.5: Mô phỏng pin mặt trời lý tưởng

Khi đó biểu thức (2.1) có thể được mô tả như biểu thức 2.4:

I = IPH - IS[ exp( – 1)]

(2.4)

Và dòng bão hòa ngược tiêu chuẩn có thể được biểu diễn như biểu thức 2.5


IRS =

(2.5)

Thông thường công suất của pin mặt trời khoảng 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 lớp. Mạch điên tương đương của
mô đun pin mặt trời gồm có N p nhánh song song và Ns pin nối tiếp được mô tả
như hình 2.6

Hình 2.6: Mô đun pin mặt trời

SVTH: Lê Văn Vũ

Trang 17


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Th.s Bùi Tấn Lợi

2.7. MÔ PHỎNG PIN QUANG ĐIỆN
Mạch điện hình 2.5 được miêu tả như biểu thức:

I = NpIPH - NsIs[ exp( – 1) ]

(2.6)

Pin mặt trời chuyển 1 phần năng lượng mặt trời thành năng lượng điện,

nhưng một phần đó chuyển thành nhiệt cộng với pin mặt trời có màu dễ hấp thụ
nhiệt nên nhiệt độ vận hành của pin có thể cao hơn nhiệt độ môi trường. Nhiệt
độ pin dưới các điều kiện khác nhau có thể được đánh giá qua nhiệt độ vận hành
bình thường (NOCT). NOCT được định nghĩa là nhiệt độ của pin dưới điều kiện
môi trường 200C, bức xạ mặt trời 0,8 kW/m2, tốc độ gió < 1m/s.
Công thức sau được sử dụng để tính toán sự khác nhiệt độ môi trường
(TAmb) và nhiệt độ vận hành pin mặt trời (Tc):

Tc = TAmb + (

(2.7)

Đặc tính I-V tương ứng với bức xạ được mô tả như hình 2.6 và hình 2.7

SVTH: Lê Văn Vũ

Trang 18


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Th.s Bùi Tấn Lợi

Hình 2.7: Đặc tuyến I-V với các bức xạ khác nhau

Hình 2.8: Đặc tuyến P-V với các bức xạ khác nhau

SVTH: Lê Văn Vũ

Trang 19



Đồ án tốt nghiệp
2.8.

GVHD: Th.s Bùi Tấn Lợi

ĐIỂM LÀM VIỆC TỐI ƯU CỦA PIN MẶT TRỜI

Hình 2.9: Đặc tuyến I –V, P-V của pin mặt trời với điểm công suất cực đại

Về cơ bản, trên đường đặc tuyến PV của pin mặt trời tồn tại một điểm
công suất cực đại ứng với dòng điện và điện áp tương ứng.
Tuy nhiên, điểm cực đại này không cố định, chúng luôn thay đổi theo điều
kiện môi trường ( Hình 2.8). Vì vậy, chúng ta cần điều khiển để điện áp hoặc
dòng điện để thu được công suất cực đại từ pin mặt trời khi nhiệt độ và bức xạ
thay đổi sử dụng bộ tìm kiếm công suất cực đại.

Hình 2.10: Các điểm MPP dưới các điều kiện thay đổi

Hình 2.9 giới thiệu sơ đồ khối của hệ thống MPPT tiêu biểu. Hầu hết các
bộ MPPT hiện nay gồm có ba phần cơ bản: Bộ chuyển đổi DC/DC, bộ phận đo
lường và bộ phận điều khiển.
Khi pin mặt trời được nối tiếp với tải, điểm vận hành của pin mặt trời
được điều khiển bởi tải. Tổng trở của tải được miêu tả như sau:

SVTH: Lê Văn Vũ

Trang 20



Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Th.s Bùi Tấn Lợi

RLOAD =

(2.8)

Trong đó, Vo, Io là điện áp và dòng điện phát của pin mặt trời.
Tổng trở tối ưu của tải cho pin mặt trời được miêu tả như sau:

ROPT =

(2.9)

Trong đó, VMPP, IMPP, là điện áp và dòng điện phát ra của pin mặt trời tại
thời điểm tối ưu.
Khi giá trị RLOAD bằng với ROPT, công suất cực đại sẽ được truyền từ pin
mặt trời đến tải. Tuy nhiên, trong thực tế hai tổng trở này lại không bằng nhau.
Mục đích cảu bộ MPPT là điều chỉnh tổng trở tải nhìn từ phía nguồn bằng với
tổng trở tối ưu của pin mặt trời.
Thông thường bộ biến đổi DC/DC được phục vụ cho việc truyền công
suất từ pin mặt trời tới tải. Bộ DC/DC hoạt động như thiết bị giao tiếp giữa tả
với pin mặt trời. Bằng việc thay đổi độ rộng xung, tổng trở tải nhìn từ nguồn sẽ
được thay đổi bằng với tổng trở nguồn tại điểm cực đại, vì vậy công suất cực đại
cung cấp cho tải.

Hình 2.11: Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển MPPT tiêu biểu


Giả sử, đối với mạch giảm áp DC/DC, ta có
Vout = D.Vin

(2.10)

Trong đó, Vout là điện áp đầu ra, Vin điện áp đầu vào, khi đó:
Rout = D2 . Rin
SVTH: Lê Văn Vũ

Trang 21

(2 .11)


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Th.s Bùi Tấn Lợi

Rout là tổng trở đầu ra, Rin tổng trở đầu vào nhình từ phía nguồn
Rin = Rout / D2

(2.12)

Vì vậy, tổng trở Rout được duy trì hằng số bằng việc thay đổi độ rộng
xung, khi đó Rin nhìn từ phía nguồn sẽ được thay đổi.
Hay đồi với mạch tăng áp, mối quan hệ giữa điện áp đầu vào và đầu ra
được miêu tả như sau:
Vin = (1 – D) Vout

(2.13)


Giả sử không có công suất tổn ha, ta có:
(2.14)

Hình 2.12: Bộ DC/DC giúp kéo công suất cực đại từ pin mặt trời

Tổng trở đầu vào của bộ DC/DC là:
Rin = ( 1 – D )2 Rout

(2.15)

Vì vậy, tổng trở Rout được duy trì hằng số bằng việc thay đổi độ rộng xung,
khi đó Rin nhìn từ phía nguồn sẽ thay đổi.

SVTH: Lê Văn Vũ

Trang 22


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Th.s Bùi Tấn Lợi

CHƯƠNG 3
PHƯƠNG PHÁP DÒ TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT TỐI ƯU
3.1. TỔNG QUAN VỀ MPPT
MPPT (Maximum Power Point Tracker) là phương pháp dò tìm điểm làm
việc có công suất tối ưu của hệ thống nguồn điện pin mặt trời qua việc điều
khiển chu kỳ đóng mở khoá điện tử dùng trong bộ DC/DC. Phương pháp MPPT
được sử dụng rất phổ biến trong hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập và đang

dần được áp dụng trong hệ quang điện làm việc với lưới. MPPT bản chất là thiết
bị điện tử công suất ghép nối nguồn điện PV với tải để khuyếch đại nguồn công
suất ra khỏi nguồn pin mặt trời khi điều kiện làm việc thay đổi, và từ đó có thể
nâng cao được hiệu suất làm việc của hệ. MPPT được ghép nối với bộ biến đổi
DC/DC và một bộ điều khiển.

Hình 3.1: Bộ điều khiển MPPT trong hệ thống pin mặt trời

Bộ điều khiển MPPT có thể là bộ điều khiển tương tự truyền thống. Tuy
nhiên, việc sử dụng bộ điều khiển số đang ngày càng thịnh hành vì nó có nhiều
ưu điểm hơn bộ điều khiển tương tự. Thứ nhất là, bộ điều khiển số có thể lập
trình được vì vậy khả năng thực hiện các thuật toán cao cấp sẽ dễ dàng hơn. Nó
dễ dàng mã hoá biểu thức, ví dụ x = yxz, hơn là thiết kế một mạch điện tương tự
để thực hiện cùng một biểu thức đó. Nhờ lý do này mà việc hiệu chỉnh ở bộ điều
khiển số được thực hiện dễ dàng hơn nhiều so với bộ điều khiển tương tự. Mặt
khác bộ điều khiển số không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi về nhiệt độ và thời
gian vì bộ này hoạt động rời rạc, bên ngoài các thành phần tuyến tính. Vì vậy, bộ
điều khiển số có trạng thái ổn định lâu hơn.

SVTH: Lê Văn Vũ

Trang 23


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Th.s Bùi Tấn Lợi

Không chỉ có vậy, bộ điều khiển MPPT số không phụ thuộc vào dung
sai của các bộ phận khác vì nó thực hiện thuật toán ở phần mềm, nơi mà các

thông số có thể được giữ ổn định hoặc thay đổi được.
Bộ điều khiển loại này cho phép giảm số lượng thành phần vì nó chỉ
dùng một chíp đơn để làm nhiều nhiệm vụ khác nhau. Nhiều bộ điều khiển số
được trang bị thêm bộ biến đổi A/D nhiều lần và nguồn tạo xung PWM, vì vậy
nó có thể điều khiển được nhiều thiết bị chỉ với một bộ điều khiển đơn lẻ.Vì
những ưu điểm của bộ điều khiển số mà đồ án sẽ chọn phương pháp điều khiển
số cho MPPT. Việc thiết kế và mô phỏng MPPT sẽ được thực hiện ở chương 3
với bộ vi xử lý hoặc DSP và các thuật toán thực hiện.
3.2. GIỚI THIỆU CHUNG
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 thì đường đặc tính tải là một đường thẳng
tắp với độ dốc là 1/Rtải.

Hình 3.2: Tấm pin mặt trời mắc trực tiếp với một tải thuần trở có thể thay đổi giá trị

Nói cách khác, trở kháng của tải bám theo điều kiện làm việc của pin. Nói
chung, điểm làm việc hiếm khi ở đúng tại vị trí có công suất lớn nhất, vì vậy nó
sẽ không sinh ra công suất lớn nhất. Mạng nguồn pin mặt trời thường bị quá tải
khi phải bù cho một lượng công suất thấp vào thời gian ánh sáng yếu kéo dài
như trong mùa đông. Sự không thích ứng giữa tải và các tấm pin mặt trời thường
làm cho nguồn pin mặt trời bị quá tải và gây ra tổn hao trong toàn hệ thống.

SVTH: Lê Văn Vũ

Trang 24


Đồ án tốt nghiệp


GVHD: Th.s Bùi Tấn Lợi

Hình 3.3: Đặc tính làm việc I-V của PV và của tải (có thể thay đổi giá trị)

Để giải quyết vấn đề này, phương pháp MPPT được sử dụng để duy trì
điểm làm việc của nguồn điện pin tại đúng điểm có công suất lớn nhất MPPT.
Phương pháp MPPT có thể xác định chính xác đến 97% điểm MPPT
3.3. THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH ĐIỂM LÀM VIỆC CÓ CÔNG SUẤT
TỐI ƯU MPPT
Như đã nói ở trên, điểm làm việc có công suất lớn nhất MPP định trên
đường đặc tính I – V luôn thay đổi dưới điều kiện nhiệt độ và cường độ bức xạ
thay đổi.

Hình 3.4: Đường đặc tính làm việc của pin khi cường độ bức xạ thay đổi ở cùng một mức
nhiệt độ

Chẳng hạn, hình vẽ 3.4 thể hiện đường đặc tính làm việc I – V ở những
mức cường độ bức xạ khác nhau tăng dần ở cùng một giá trị nhiệt độ (25oC) và
SVTH: Lê Văn Vũ

Trang 25