Luận Văn Thạc Sĩ

MỤC LỤC
Trang tựa

Trang

Quyết định giao đề tài
Lịch sử khoa học ..................................................................................................... i
Lời cam đoan ......................................................................................................... ii
Lời cảm ơn ............................................................................................................ iii
Mục lục ................................................................................................................. iv
Danh sách các hình ............................................................................................... vi
Danh sách các bảng ............................................................................................... x
Tóm tắt .................................................................................................................. xi
Danh mục các chữ viết tắt .................................................................................... xi
Chương 1: Tổng quan
1.1. Đặt vấn đề ....................................................................................................... 1
1.2 . Mục đích của đề tài ........................................................................................ 2
1.3. Đối tượng và giới hạn nghiên cứu .................................................................. 3
1.4. Phương pháp luận và phương pháp nghiên cứu ............................................ 3
1.5. Nội dung đề tài ............................................................................................... 3
Chương 2: Pin năng lượng mặt trời
2.1. Pin năng lượng mặt trời .................................................................................. 5
2.2. Cấu tạo pin năng lượng mặt trời .................................................................... 6
2.3. Nguyên lý hoạt động pin năng lượng pin năng lượng mặt trời ..................... 8
2.4. Đặc tính làm việc của pin mặt trời ................................................................. 9
2.4.1. Dòng ngắn mạch 𝐼𝑆𝐶 .................................................................................. 11
2.4.2. Điện áp hở mạch 𝑉𝑂𝐶 ................................................................................ 12
2.4.3. Điểm công suất cực đại 𝑃𝑀 ....................................................................... 13
2.4.4. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng .............................................................. 15

2.5. Chọn công suất pin quang điện .................................................................... 15
2.5.1. Khảo sát pin quang điện ........................................................................... 15

HVTH: TRẦN VĂN DIỄN - 1920604

v

PGS.TS. NGUYỄN MINH TÂM


Luận Văn Thạc Sĩ
2.5.2. Chọn công suất pin mặt trời....................................................................... 18
Chương 3: Bộ biến đổi DC-DC và giải thuật điều khiển công suất cực đại
3.1. Bộ biến đổi DC-DC ...................................................................................... 24
3.1.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động mạch Boost .......................................... 25
3.1.2. Tính tốn bộ biến đổi Boost ..................................................................... 28
3.1.3. Điều khiển bộ biến đổi DC-DC ................................................................ 29
3.1.3.1. Phương pháp mạch vòng điện áp hồi tiếp ............................................. 29
3.1.3.2. Phương pháp điều khiển hồi tiếp công suất ........................................... 30
3.2. Giải thuật điều khiển cơng suất cực đại MPPT và thuật tốn bám điểm công
suất cực đại P&O điều khiển trực tiếp D ............................................................ 30
3.2.1. Giải thuật điều khiển công suất cực đại MPPT ......................................... 30
3.2.2. Thuật tốn bám điểm cơng suất cực đại P&O điều khiển trực tiếp D ....... 31
Chương 4: Mô phỏng bộ biến đổi Boost kèm giải thuật điều khiển công suất
cực đại MPPT
4.1. Mô phỏng hệ thống pin quang điện và bộ biến đổi Boost không dùng giải thuật
MPPT .................................................................................................................. 36
4.2. Mô phỏng hệ thống pin quang điện và bộ biến đổi Boost có sử dụng giải thuật
MPPT ................................................................................................................... 40
4.3. Kết quả mô phỏng ......................................................................................... 45

4.3.1. Đường cong đặc tính pin mặt trời ............................................................. 45
4.3.2. Bộ biến đổi DC-DC Boost ........................................................................ 48
4.3.3. Bộ biến đổi DC-DC Boost pin mặt trời .................................................... 49
4.3.4. Bộ biến đổi MPPT DC-DC Boost pin mặt trời ......................................... 50
4.3.5. Bộ biến đổi DC-DC PSO Boost ................................................................ 54
4.3.6. Bộ biến đổi DC-DC PSO MPPT Boost .................................................... 56
4.3.7. Bộ biến đổi INC Algorthm DC-DC Boost ................................................ 60
4.3.8. Bộ biến đổi DC-DC MPPT Buck - Boost ................................................. 63
4.4. Nhận xét ....................................................................................................... 66

HVTH: TRẦN VĂN DIỄN - 1920604

vi

PGS.TS. NGUYỄN MINH TÂM


Luận Văn Thạc Sĩ
Chương 5: Kết luận và hướng phát triển của đề tài
5.1. Kết luận ......................................................................................................... 68
5.2. Hướng phát triển của đề tài........................................................................... 68
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................... 69
PHỤ LỤC ............................................................ 72

HVTH: TRẦN VĂN DIỄN - 1920604

vii

PGS.TS. NGUYỄN MINH TÂM



Ḷn Văn Thạc Sĩ

DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình

Trang

Hình 2.1:Cell pin năng lượng mặt trời ................................................................ 5
Hình 2.2: Cấu tạo bên ngồi của một tấm tấm pin mặt trời ................................ 6
Hình 2.3: Cấu tạo bên trong của pin mặt trời ...................................................... 7
Hình 2.4:Cấu trúc tinh thể các dạng pin mặt trời ............................................... 7
Hình 2.5: Nguyên lý hoạt động pin năng lượng mặt trời .................................... 8
Hình 2.6a: Sơ đồ tương đương của pin mặt trời ............................................... 10
Hình 2.6b: Đường đặc trưng theo độ chiếu sáng của pin mặt trời ................... 10
Hình 2.7: Đặc tính V-A và cơng suất – điện áp của pin mặt trời với cường độ sáng
khác nhau (Pin mặt trời 225W của hang SHARP) .............................................. 12
Hình 2.8: Đặc tính V-A của pin mặt trời với nhiệt độ khác nhau ...................... 13
Hình 2.9: Điểm làm việc và điểm cơng suất cực đại .......................................... 14
Hình 2.10: Sơ đồ tương đương của pin quang điện .......................................... 16
Hình 2.11: Mơ hình pin quang điện trong Matlab 2018b ................................. 17
Hình 2.12: Tấm pin quang điện NA42117 của Bosch ....................................... 18
Hình 2.13: Đặc tuyến I-V .................................................................................... 19
Hình 2.14: Đặc tuyến P-V ................................................................................... 19
Hình 2.15: Thơng số pin quang điện lấy ra từ Matlab/Simulink ....................... 20
Hình 2.16: Đặc tuyến của 5 tấm pin quang điện mắc nối tiếp ở nhiệt độ 25oC ......... 21
Hình 2.17: Cường độ chiếu sáng mặt trời các tháng trong năm ....................... 22
Hình 2.18: Đồ thị cường độ chiếu sáng các thời điểm trong ngày (tháng 1) ..... 23
Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý mạch Boost .............................................................. 25
Hình 3.2: Dạng dịng điện qua cuộn cảm và điện áp trên tải ............................ 25

Hình 3.3: Mạch tương đương khi Q1 dẩn và diode D khoá ............................... 26
Hình 3.4: Mạch tương đương khi Q1 khố và diode D khố ............................. 26
Hình 3.5: Đặc tính làm việc của pin khi cường độ bức xạ thay đổi ở cùng một mức
cường độ bức xạ ................................................................................................. 30

HVTH: TRẦN VĂN DIỄN - 1920604

viii

PGS.TS. NGUYỄN MINH TÂM


Ḷn Văn Thạc Sĩ
Hình3.6: Đặc tính làm việc I-V của pin khi nhiệt độ thay đổi ở cùng một mức
cường độ bức xạ .................................................................................................. 31
Hình 3.7: Pin mặt trời với thuật toán P&O điều khiển trực tiếp chu kỳ nhiệm
vụ D . .................................................................................................................... 32
Hình 3.8: Đặc tính làm việc của pin mặt trời và của tải ................................... 33
Hình 3.9: Mơ tả thuật toán P&O điều khiển trực tiếp chu kỳ nhiệm vụ D ......... 34
Hình 3.10: Lưu đồ giải thuật P&O ..................................................................... 35
Hình 4.1: Mơ hình mơ phỏng pin quang điện vá bộ biến đổi Boost ................... 36
Hình 4.2: Mơ hình mơ phỏng tḥt tốn PWM ................................................. 37
Hình 4.3: Điện áp vào bộ biến đổi DC-DC khi không dùng giải thuật MPPT .. 37
Hình 4.4: Điện áp ra bộ biến đổi DC-DC khi khơng dùng giải tḥt MPPT ..... 38
Hình 4.5: Cơng suất hệ thống khi khơng có giải tḥt MPPT............................ 39
Hình 4.6: Mơ hình mơ phỏng mạch DC-DC có giải tḥt điều khiển MPPT .... 40
Hình 4.7: Mơ hình mơ phỏng tḥt tốn MPPT dùng giải tḥt P&O .............. 41
Hình 4.8: Điện áp đầu vào bộ biến đổi Boost mạch có giải tḥt MPPT .......... 41
Hình 4.9: Điện áp đầu ra bộ biến đổi Boost mạch có giải thuật MPPT ............ 42
Hình 4.10:Cơng suất phát ra của pin mặt trời khi dùng MPPT ......................... 43

Hình 4.11:Tỷ số chu kỳ D do tḥt tốn P&O tính tốn ................................... 44
Hình 4.12: Giao diện điều khiển ........................................................................ 45
Hình 4.13: Mơ hình simulink pin mặt trời .......................................................... 45
Hình 4.14: Mơ hình simulink pin mặt trời .......................................................... 46
Hình 4.15: Khối mặt trời..................................................................................... 46
Hình 4.16: Đặc tính làm việc V- P ..................................................................... 47
Hình 4.17: Đặc tính làm việc I - V ...................................................................... 47
Hình 4.18: Mơ hình simulink bộ biến đổi DC-DC Boost.................................... 48
Hình 4.19: Đáp ứng điện áp bộ biến đổi DC-DC Boost ..................................... 48
Hình 4.20: Mơ hình simulink bộ biến đổi DC-DC Boost pin mặt trời ............... 49
Hình 4.21: Thay đổi tín hiệu bức xạ mặt trời ..................................................... 49
Hình 4.22: Đáp ứng điện áp khi thay đổi bức xạ và thay đổi tải ....................... 50

HVTH: TRẦN VĂN DIỄN - 1920604

ix

PGS.TS. NGUYỄN MINH TÂM


Ḷn Văn Thạc Sĩ
Hình 4.23 Mơ hình simulink bộ biến đổi MPPT DC-DC Boost pin mặt trời ..... 50
Hình 4.24: Khối PV ARRAY................................................................................ 51
Hình 4.25: Khối DC-DC Boost Converter .......................................................... 51
Hình 4.26: Khối MPPT ....................................................................................... 52
Hình 4.27: Thay đổi tín hiệu bức xạ mặt trời ..................................................... 52
Hình 4.28: Đáp ứng điện áp khi thay đổi bức xạ................................................ 53
Hình 4.29: Đáp ứng cơng suất khi thay đổi bức xạ ............................................ 53
Hình 4.30: Mơ hình simulink bộ biến đổi DC-DC PSO Boost ........................... 54
Hình 4.31: Khối PWM Generator ....................................................................... 54

Hình 4.32: Khối PV ARRAY total ....................................................................... 55
Hình 4.33: Đáp ứng cơng suất DC-DC PSO Boost Converter .......................... 55
Hình 4.34: Đáp ứng điện áp ............................................................................... 56
Hình 4.35: Mơ hình simulink bộ biến đổi DC-DC MPPT Boost ........................ 56
Hình 4.36: : Khối MPPT Converter ................................................................... 57
Hình 4.37: Khối Boost Converter ....................................................................... 57
Hình 4.38: Đáp ứng điện áp ............................................................................... 58
Hình 4.39: Đáp ứng cơng suất ........................................................................... 58
Hình 4.40: Tḥt tốn PSO MPPT tìm điểm cực đại ........................................ 59
Hình 4.41: Kết quả tḥt tốn PSO MPPT tìm điểm cực đại ............................. 59
Hình 4.42: Mơ hình simulink bộ biến đổi DC-DC INC Boost ............................ 60
Hình 4.43: Khối INC Matlab .............................................................................. 60
Hình 4.44: Thơng số khối PV Panel .................................................................. 61
Hình 4.45: Khối PV Panel .................................................................................. 61
Hình 4.46: Thay đổi bức xạ mặt trời .................................................................. 62
Hình 4.47: Đáp ứng điện áp khi bức xạ thay đổi ............................................... 62
Hình 4.48: Đáp ứng công suất khi bức xạ thay đổi ............................................ 63
Hình 4.49: Mơ hình simulink bộ biến đổi DC-DC MPPT Buck - Boost ............. 63
Hình 4.50: Khối PV Panel ................................................................................. 64
Hình 4.51: Khối Buck - Boost Converter ............................................................ 64

HVTH: TRẦN VĂN DIỄN - 1920604

x

PGS.TS. NGUYỄN MINH TÂM


Luận Văn Thạc Sĩ
Hình 4.52: Khối Load ......................................................................................... 65

Hình 4.53: Đáp ứng điện áp ............................................................................... 65
Hình 4.54: Đáp ứng cơng suất ............................................................................ 66

DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng

Trang

Bảng 2.1: Thông số pin quang điện NA42117 của Bosch ................................. 19
Bảng 2.2: Cường độ chiếu sáng mặt trời các tháng trong năm (W/𝑚2 ) ............ 21
Bảng 2.3: Cường độ chiếu sáng mặt trời theo giờ .............................................. 22
Bảng 2.4: Công suất mặt trời ứng với các cường độ chiếu sáng theo giờ ........ 23
Bảng 3.1: Bảng thông số thiết kế mạch DC-DC ................................................ 29

HVTH: TRẦN VĂN DIỄN - 1920604

xi

PGS.TS. NGUYỄN MINH TÂM


Luận Văn Thạc Sĩ

TÓM TẮT
Ngày nay, cuộc sống con người ngày càng phát triển, nhu cầu sử dụng năng
lượng, đặc biệt là điện năng ngày càng cao. Mặt khác các dạng năng lượng hóa
thạch dùng để phát điện ngày càng cạn kiện, ngồi ra chúng cịn gây ra rất nhiều
những ô nhiễm môi trường. Năng lượng hạt nhân cũng gây những nguy hiểm tiềm
ẩn bởi sự khơng an tồn. Vì thế việc tìm và sử dụng các nguồn năng lượng sạch
đang là mối quan tâm của những nhà chiến lược hàng đầu. Trong các nguồn năng

lượng con người đã và đang sử dụng, những nguồn năng lượng về sức gió, thủy
triều, năng lượng mặt trời là những nguồn năng lượng sạch đáng lưu tâm nhất. Các
nguồn năng lượng sức gió hay thủy triều thường có u cầu vị trí lắp đặt và công
suất lớn. Ngược lại, năng lượng mặt trời có thể lắp đặt hầu hết tất cả các nơi và các
dải cơng suất. Chính vì điều này việc phát triển các hệ thống năng lượng mặt trời là
một trong những hướng phát triển của khoa học kỹ thuật ngày nay. Để cải thiện
hiệu suất làm việc của các tấm pin năng lượng mặt trời trong mọi điều kiện không
ổn định về thời tiết, khí hậu, thời gian sáng tối, cường độ bức xạ và đặc biệt là cách
sử dụng tối ưu hố pin năng lượng mặt trời… cần có các bộ biến đổi điện tử cơng
suất tích hợp các phương pháp điều khiển bắt điểm công suất cực đại MPPT.
Đề tài “Nghiên cứu và điều khiển bộ biến đổi DC/DC tăng áp ứng dụng
cho pin năng lượng mặt trời” tập trung vào nghiên cứu bộ biến đổi điện áp một
chiều DC sang DC tăng áp (Boost DC/DC) và phương pháp điều khiển bắt điểm
công suất cực đại MPPT bằng thuật toán nhiễu loạn và quan sát P&O trong pin
năng lượng mặt trời.
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
DC

Một chiều

MPPT

Thuật toán tìm cơng suất cực đại

P&O

Thuật tốn nhiễu loạn và quan sát

HVTH: TRẦN VĂN DIỄN - 1920604


xii

PGS.TS. NGUYỄN MINH TÂM


Luận Văn Thạc Sĩ

ABSTRACT
Today, human life is growing, the demand for energy, especially electricity
energy is increasing. On the other hand, the types of fossil energy used to generate
electricity are increasingly exhausted and they also cause a lot of environmental
pollution. Nuclear power also poses potential dangers by insecurity. So finding and
using clean energy sources is the concern of leading strategists. Among the energy
sources that humans have been using, the wind, tidal and solar energy sources are
the most noticeable clean energy sources. Wind or tidal power sources often require
installation sites and capacity large. By contrast, solar can be installation in almost
all places and power ranges. Because of this, the development of energy solar
systems is one of the development directions of science and technology today. To
improve the performance of solar cell panels in all conditions of weather, climate,
light and dark time, radiation intensity and especially how to use optimization Solar
cell... power converters are required to integrate MPPT maximum point capture
control methods.
The thesis "Research and control boost DC / DC converters for solar cell
applications" focuses on researching DC to DC converter (Boost DC / DC) and the
method. method of controlling MPPT maximum power point by disturbing
algorithm and observing P&O in solar cell.
Keywords:

DC


Direct Current

MPPT

Maximum Power Point Tracking

P&O

Perturbation and Observation

HVTH: TRẦN VĂN DIỄN - 1920604

xiii

PGS.TS. NGUYỄN MINH TÂM


Luận Văn Thạc Sĩ

Chương 1
TỔNG QUAN
1.1.

Đặt vấn đề:
Để sống và tồn tại, con người cần rất nhiều năng lượng. Việc tìm ra và sử

dụng các nguồn năng lượng bền vững, hiệu quả là điểm mấu chốt cho sự phát triển
và thịnh vượng của mỗi quốc gia. Các nguồn năng lượng truyền thống như nhiên
liệu hóa thạch và thủy điện đang dần cạn kiệt và thể hiện tác động tiêu cực với mơi
trường và xã hội. Chính vì vậy, các nước phát triển và đang phát triển đang chuyển

đổi mạnh mẽ sang năng lượng tái tạo.
Năng lượng mặt trời được coi là năng lượng tái tạo thân thiện với môi trường.
Việc sử dụng ánh sáng mặt trời chuyển hóa thành năng lượng được kể đến là công
nghệ pin quang điện (PV-Photovoltaic). Hiện tại các hệ thống pin quang điện đang
được phát triển mạnh và được ứng dụng nhiều trên thế giới. Nguyên do là công
nghệ bán dẫn hiện ngày càng cải tiến cho phép hạ giá thành sản xuất các bộ pin
quang điện xuống rất nhiều so với thập niên trước.Các hệ thống phát điện quang
điện này trong quá trình sử dụng khơng có khí thải, khơng gây ơ nhiễm mơi trường
xung quanh. Quan trọng, năng lượng từ ánh mặt trời thân thiện với môi trường là
năng lượng xanh, vô tận và miễn phí.
Tình hình sử dụng năng lượng trên thế giới đạt nhiều tiến bộ trong suốt 15
năm qua, tỷ lệ tăng trưởng hàng năm năng lượng mặt trời là trên 40% [1], nhấn
mạnh sự trưởng thành của các khoản đầu tư thực hiện, đảm bảo độ tin cậy của cơng
nghệ được sử dụng. Cùng một lúc, chính sách khuyến khích và các biện pháp hỗ trợ
được thực hiện trong một số các nước, đặc biệt là bên trong Liên minh Châu Âu đề
ra mục tiêu tăng năng lượng mặt trời từ 6% lên đến 12% [2]. Trong bối cảnh này,
sự kết hợp của quang điện hệ thống trong các ứng dụng được cho là một trong
những sử dụng phổ biến nhất của khai thác năng lượng mặt trời [3-6]. Cụ thể ở Bắc
Mỹ, Úc và Châu Âu việc sử dụng PV- máy lạnh phục vụ cho cơng nghiệp; cịn tại

HVTH: TRẦN VĂN DIỄN - 1920604

1

PGS.TS. NGUYỄN MINH TÂM


Luận Văn Thạc Sĩ
các nước đang phát triển đa số phục vụ nhu cầu sinh hoạt như hằng ngày như tủ
lạnh, máy lạnh, máy giặt, máy điều hòa nhiệt độ, bơm nước để tưới tiêu [7-10].

Việt Nam là nước có tiềm năng lớn về năng lượng mặt trời với công suất bức
xạ trung bình của mặt trời khoảng 5kWh/m2/ngày ở miền Nam và miền Trung, và
khoảng 4kWh/m2/ngày ở miền Bắc [11]. Việc tận dụng năng lượng mặt trời làm
nguồn năng lượng thay thế hết sức thuận lợi.
Với tất cả những yếu tố trên, thì các nhà khoa học đã đi sâu việc làm sao để
nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn năng lượng tái tạo trong điều kiện không ổn định
do ngoại tố mang đến và vấn đề dị tìm điểm công suất cưc đại của PV luôn được
quan tâm đặc biệt. Đề tài này cũng khơng nằm ngồi xu thế đó, ở sẽ đi sâu về
nghiên cứu và điều khiển bộ biến đổi DC/DC tăng áp (Boost DC) ứng dụng cho pin
nặng mặt trời để dị tìm điểm cơng suất cực đại MPPT (MPPT - Maximum Power
Point Tracker). Phương pháp dị tìm điểm làm việc cơng suất cực đại của hệ thống
pin năng lượng mặt trời bằng việc điều khiển chu kỳ đóng mở khố điện tử dùng
trong bộ DC/DC. Xây dựng giải thuật dị tìm điểm cơng suất cực đại và tiến hành
mơ phỏng hồn thiện trên phần mềm Matlab-Simulink mạch dùng pin năng lượng
mặt trời qua bộ Boost DC điều khiển bằng xung PWM và điều khiển bằng thuật
tốn P&O dị tìm điểm cơng suất cực đại MPPT. Qua đó so sánh các kết quả lấy ra
của hiện suất chuyển đổi năng lượng và đáp ứng của hệ thống.
1.2.

Mục đích của đề tài:

 Khảo sát, tính tốn lựu chọn bộ biến đổi DC/DC tăng áp (Boost DC/DC
converter) ứng dụng pin năng lượng mặt trời.
 Điều khiển bộ biến đổi DC/DC bằng thuật tốn bám điểm cơng suất cực đại
P&O điều khiển trực tiếp D để dị tìm công suất cực đại MPPT.
 Mô phỏng trên phần mềm Matlab- Simulink bộ biến đổi Boost DC/DC
không sử dụng MPPT (điều khiển bằng xung PWM) và bộ biến đổi Boost
DC/DC điều khiển bởi giải thuật MPPT. So sánh kết quả mô phỏng.
1.3.


Đối tượng và giới hạn nghiên cứu:

HVTH: TRẦN VĂN DIỄN - 1920604

2

PGS.TS. NGUYỄN MINH TÂM


Luận Văn Thạc Sĩ
Đề tài nghiên cứu được giới hạn trong phạm vi hệ thống mạch công suất nhỏ
800W, mô phỏng hệ thống tải R, chỉ kiểm chứng kết quả qua mô phỏng chứ chưa
kiểm chứng kết quả bằng thực nghiệm để đưa vào sử dụng.
1.4.

Phương pháp luận và phương pháp nghiên cứu:

 Tìm hiểu cơ sở lý thuyết thuật toán thuật toán nhiễu loạn và quan sát P&O,
xây dựng giải thuật điều khiển MPPT và các phương pháp điều khiển dựa vào
mơ hình.
 Tìm hiểu nghiên cứu pin năng lương mặt trời và bộ biến đổi DC-DC.
 Xây dựng mơ hình điều khiển bộ chuyển đổi Boost DC-DC, kiểm chứng mô
phỏng chạy trên phần mềm matlab simulink.
1.5.

Nội dung đề tài:

Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Pin năng lượng mặt trời
Tìm hiểu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động, đặc tính và điểm công suất cực

đại của pin năng lượng mặt trời.
Chương 3: Bộ biến đổi DC-DC và giải thuật điều khiển cơng suất cực đại
Ta tìm hiểu bộ biến đổi DC/DC để chuyển đổi điện áp đầu ra của pin phù
hợp với điện áp đầu vào của phụ tải. Qua đó lựa chọn được cấu hình của bộ biến
đổi DC/DC. Trong phần xây dựng bộ DC/DC chúng ta sẽ đề cập đến giải thuật điều
khiển cơng suất cực đại có nghĩa là phương pháp thu được công suất cực đại khi
cường độ chiếu nắng thay đổi hay nhiệt độ thay đổi làm điểm làm việc cực đại của
tấm pin thay đổi theo. Để minh chứng cho việc bắt điểm công suất cực đại ta sử
dụng Matlab/simulink mô phỏng hệ thống từ pin mặt trời có sử dụng giải thuật
MPPT tính hiệu suất làm việc của pin quang điện.
Chương 4: Mô phỏng bộ biến đổi boost kết hợp giải thuật MPPT
Sử dụng phần mềm Matlab/simulink lấy ra các thông số ngõ vào, thông số
ngõ ra. Đưa ra các nhận xét mô phỏng, rút ra kết luận về bộ biến đổi boost.
Mô phỏng các bộ biến đổi boost kết hợp giải thuật MPPT, giải thuật tối ưu
bày đàn, giải thuật INC, bộ biến đổi BUCK-BOOST

HVTH: TRẦN VĂN DIỄN - 1920604

3

PGS.TS. NGUYỄN MINH TÂM


Luận Văn Thạc Sĩ
Sử dụng phần mềm Matlab/simulink lấy ra các thông số ngõ vào, thông số
ngõ ra. Đưa ra các nhận xét mô phỏng, rút ra kết luận về bộ biến đổi boost, buck boost, và các phương pháp điều khiển PSO, INC
Chương 5: Kết luận

HVTH: TRẦN VĂN DIỄN - 1920604


4

PGS.TS. NGUYỄN MINH TÂM


Luận Văn Thạc Sĩ

Chương 2

PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
2.1.

Pin năng lượng mặt trời:
Pin năng lượng mặt trời là phương pháp sản xuất trực tiếp từ năng lượng mặt

trời qua thiết bị biến đổi quang điện. Pin mặt trời có ưu điểm là gọn nhẹ có thể lắp
đặt ở bất kỳ đâu có ánh sáng mặt trời, đặc biệt là trong lĩnh vực tàu vũ trụ. Ngày
nay con người đã ứng dụng pin năng lượng mặt trời trong lĩnh vực hành không vũ
trụ, để chạy xe và trong sinh hoạt thay thế nguồn năng lượng truyền thống. [3]
Pin năng lượng mặt hay pin (tế bào) quang điện, là thiết bị bán dẫn chứa
lượng lớn các lớp bán dẫn P-N, dưới sự hiện diện của ánh sáng mặt trời có khả
năng tạo ra dòng điện sử dụng được. Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện.
Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp
Alexandre Edmond Becquerel. Tuy nhiên cho đến năm 1883 một pin năng lượng
mới được chế tạo thành công, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen
một lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối. Russell Ohl được xem là người tạo ra
Pin năng lượng mặt trời đầu tiên năm 1946 tuy nhiên nó chỉ có hiệu suất 1%. Pin
mặt trời lần đầu tiên được ứng dụng là trên vệ tinh Vangurd 1 của Mỹ, được phóng
năm 1958. Ngày nay pin năng lượng mặt trời được sản xuất trên toàn thế giới đặc
biệt là ở các nước tiên tiến như Mỹ, Đức, Tây Ban Nha…[9]


Hình 2.1. Cell Pin năng lượng mặt trời

HVTH: TRẦN VĂN DIỄN - 1920604

5

PGS.TS. NGUYỄN MINH TÂM


Luận Văn Thạc Sĩ
2.2.

Cấu tạo pin năng lượng mặt trời:

Hình 2.2. Cấu tạo bên ngoài của một tấm pin mặt trời
Hình 2.2 cho chúng ta biết cấu tạo của một tấm pin mặt trời gồm:
 Lớp kính bảo vệ
 Lớp keo dán bảo vệ
 Cell pin mặt trời
 Lớp keo dán bảo vệ
 Tấm che mặt sau
 Hộp đấu dây
 Khung tấm pin
Cấu tạo bên trong của Cell pin mặt trời Hình 2.3 là 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 quang điên bên trong.

HVTH: TRẦN VĂN DIỄN - 1920604


6

PGS.TS. NGUYỄN MINH TÂM


Luận Văn Thạc Sĩ

Hình 2.3. Cấu tạo bên trong của cell pin mặt trời
Cho tới hiện tại thì vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời (và cho các thiết bị bán
dẫn) là các silic tinh thể. Pin mặt trời từ tinh thể silic chia ra thành 3 loại:
 Một tinh thể hay đơn tinh thể Module sản xuất dự trên quá trình
Czochralski. Pin mặt trời đ tinh thể đạt hiệu suất 11% - 16%. Chúng thường rất mắc
tiền do được cắt từ thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối
các module.
 Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc từ silic nung chảy cẩn thận được làm
nguội và làm rắn. Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiêu suất
kém hơn, từ 8% - 11%. Tuy nhiên chúng ta có thể tạo thành các tấm vng che phủ
bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó.
 Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa
tinh thể. Loại này có hiệu suất thấp nhất, từ 3% - 6%, tuy nhiên loại này rẻ nhất
trong các loại vì khơng cần cắt từ thỏi silicon.

Cấu trúc đơn tinh thể

Cấu trúc đa tinh thể

Cấu trúc tinh thể vô định hình

Hình 2.4. Cấu trúc tinh thể các dạng pin mặt trời


HVTH: TRẦN VĂN DIỄN - 1920604

7

PGS.TS. NGUYỄN MINH TÂM


Luận Văn Thạc Sĩ
2.3.

Nguyên lý hoạt động pin năng lượng mặt trời:

Hình 2.5a. Nguyên lý hoạt động pin năng lượng mặt trời
Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời chính là hiện tượng quang điện xảy ra
trên lớp tiếp xúc p-n.

Hình 2.5b. Nguyên lý hoạt động pin năng lượng mặt trời
Khi photon chạm vào mảnh silic, một trong 2 điều sau xảy ra:


Photon truyền qua mảnh silic. Điều này thường xẩy ra khi năng lượng

photon thấp hơn, nó đủ để đưa các hạt electron lên mức năng lượng cao hơn.

HVTH: TRẦN VĂN DIỄN - 1920604

8

PGS.TS. NGUYỄN MINH TÂM



Luận Văn Thạc Sĩ


Năng lượng photon được hấp thụ bởi silic. Điều này thường xảy ra khi

năng lượng photon lớn hơn năng lượng để đưa electron lên mức năng lượng cao
hơn.
Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó được truyền đến các hạt
electron trong màng tinh thể. Thông thường các electron này ở lớp ngoài cùng và
thường được kết dính với các ngun tử lân cận vì thế khơng thể di chuyển xa. Khi
electron được kích thích, trở thành dẩn điện, các electron này có thể tự do di
chuyển trong bán dẫn khi đó nguyên tử sẽ thiếu 1 electron và đó gọi là lỗ trống. Lỗ
trống này tạo điều kiện cho các electron của nguyên tử bên cạnh di chuyển đến điền
vào lỗ trống, và điều này tạo tạo ra lỗ trống cho các nguyên tử lân cận có “lỗ
trống”. Cứ tiếp tục như vậy lỗ trống di chuyển xuyên suốt mạch bán dẫn.
2.4.

Đặc tính làm việc của pin mặt trời:
Khi được chiếu sáng, nếu ta nối các bán dẫn p và n của một tiếp xúc p-n

bằng một dây dẫn, thì pin mặt Trời phát ra một dịng quang điện Iph . Vì vậy trước
hết pin mặt Trời có thể xem tương đương như một “nguồn dịng”.
Lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có tính chất chỉnh lưu tương đương như một
diode. Tuy nhiên, khi phân cực ngược, do điện trở lớp tiếp xúc có giới hạn, nên vẫn
có một dịng điện được gọi là dịng dị. Đặc trưng cho dòng dò qua lớp tiếp xúc p-n
người ta đưa vào đại lượng điện trở R sh (shun).
Khi dòng quang điện chạy trong mạch, nó phải đi qua các lớp bán dẫn p và
n, các điện cực, các tiếp xúc… Đặc trưng cho tổng các điện trở của các lớp đó là
một điện trở shun R s nối tiếp trong mạch (có thể là điện trở trong của pin mặt trời).

Như vậy, một pin mặt Trời được chiếu sáng có sơ đồ tương đương như sau
Hình 2.6

HVTH: TRẦN VĂN DIỄN - 1920604

9

PGS.TS. NGUYỄN MINH TÂM


Luận Văn Thạc Sĩ

Hình 2.6a. Sơ đồ tương đương của pin

Hình 26b. Đường đặc trưng theo độ

mặt trời

chiếu sáng của pin mặt trời

Từ sơ đồ tương đương, có thể dễ dàng viết được những phương trình đặc
trưng Volt – Ampere của pin mặt trời như sau:

𝐼 = 𝐼∅ − 𝐼𝑑 − 𝐼𝑠ℎ = 𝐼∅ − 𝐼𝑠 [𝑒𝑥𝑞

𝑞(𝑉+ 𝑅𝑠 𝐼)
𝑛𝐾𝑇

− 1] −


𝑉+ 𝑅𝑠 𝐼

(2.1)

𝑅𝑠ℎ

Trong đó:

I∅ : Dịng quang điện (A/m2).
Id : Dòng qua diot (A/m2).
Ish : Dòng dò (A/m2).
Is : Dòng bão hòa (A/m2).
n: Được gọi là thừa số lý tưởng phụ thuộc vào các mức độ hồn thiện cơng
nghệ pin mặt Trời. Gần đúng có thể lấy n = 1.
R s : Điện trở nối tiếp (điện trở trong) của pin mặt Trời (Ω/m2).

R sh: Điện trở shun (Ω/m2).
q:

Điện tích của điện tử (C).

HVTH: TRẦN VĂN DIỄN - 1920604

10

PGS.TS. NGUYỄN MINH TÂM


Luận Văn Thạc Sĩ
Thông thường điện trở shun R sh rất lớn vì vậy có thể bỏ qua số hạng cuối

trong biểu thức (2.1). Đường đặc trưng sáng V-A của pin mặt trời cho bởi biểu thức
có dạng như đường cong trong (hình 2.6). Có ba điểm quan trọng trên đường đặc
trưng này:


Dòng ngắn mạch Isc



Điện áp hở mạch Voc



Điểm cơng suất cực đại PM

2.4.1. Dịng ngắn mạch 𝐈𝐬𝐜 :
Dịng ngắn mạch Isc là dòng điện trong mạch của pin mặt trời khi làm ngắn
mạch ngoài (chập các cực của pin). Lúc đó hiệu điện thế mạch ngồi của pin V = 0.
Đặt giá trị V = 0 vào biểu thức (2.1) ta có:

𝐼𝑆𝐶 = 𝐼𝑝ℎ − 𝐼𝑠 [𝑒𝑥𝑞

𝑞𝑅𝑠 𝐼𝑆𝐶
𝑛𝐾𝑇

− 1] −

𝑅𝑠 𝐼𝑆𝐶
𝑅𝑠ℎ


(2.2)

Ở các điều kiện chiếu sáng bình thường (khơng có hội tụ) thì hiệu ứng điện
trở nối tiếp R S có thể bỏ qua, và Id = 0 và do đó ta có: 𝐼𝑆𝐶 = 𝐼𝑝ℎ = 𝛼𝐸. Trong đó
E là cường độ sáng, 𝛼 là một hệ số tỉ lệ. Như vậy ở điều kiện bình thường, dòng
ngắn mạch 𝐼𝑆𝐶 của pin mặt trời tỷ lệ thuận với cường độ bức xạ chiếu sáng hình 2.7.

HVTH: TRẦN VĂN DIỄN - 1920604

11

PGS.TS. NGUYỄN MINH TÂM


Ḷn Văn Thạc Sĩ

Hình 2.7. Đặc tính V-A và cơng suất – điện áp của pin mặt trời với cường độ
sáng khác nhau (Pin mặt trời 225 W của hãng SHARP)
2.4.2. Điện áp hở mạch 𝐕𝐨𝐜 :
Điện áp hở mạch Voc là hiệu điện thế được đo khi mạch ngoài của pin mặt
trời hở (R= ∞). Khi đó dịng mạch ngồi I = 0. Đặt giá trị đó của dịng mạch ngoài
vào (3.1) và giả thiết R sh rất lớn ta được biểu thức xác định Voc như sau:
𝑞𝑉𝑐0

𝑞𝑉𝑐𝑜

𝑉𝐶𝑂 = 𝐼𝑝ℎ − 𝐼𝑠 [𝑒𝑥𝑞 𝑛𝐾𝑇 − 1] = 𝐼𝑝ℎ − 𝐼𝑠 [𝑒𝑥𝑞 𝑛𝐾𝑇 − 1] + 𝐼𝑠

→ 𝐼𝑝ℎ +
→ 𝑉𝐶𝑂


𝑞𝑉𝑐𝑜

𝐼𝑠 = 𝐼𝑠 [𝑒𝑥𝑞 𝑛𝐾𝑇 − 1]
𝑛 𝐾𝑇

=

𝑞

𝑙𝑛

𝐼𝑝ℎ + 𝐼𝑠

(2.3)

𝐼𝑠

Trong biểu thức của 𝑉𝑐𝑜 ta thấy nó phụ thuộc vào nhiệt độ một cách trực tiếp
(thừa số T ở trước biểu thức) và gián tiếp qua dịng bão hịa 𝐼𝑠 (hình 2.8)

HVTH: TRẦN VĂN DIỄN - 1920604

12

PGS.TS. NGUYỄN MINH TÂM


Ḷn Văn Thạc Sĩ


Hình 2.8. Đặc tính V-A của pin mặt trời với nhiệt độ khác nhau
2.4.3. Điểm công suất cực đại 𝐏𝐌 :
Xét một đường đặc tính V-A của pin mặt Trời đối với một cường độ bức xạ
cho trước và ở nhiệt độ xác định. Nếu các cực của pin mặt trời được nối với tải tiêu
thụ điện R thì điểm cắt nhau của đường đăc tính V-A của pin mặt Trời và đường
đặc trưng của tải trong tọa độ OIV là điểm làm việc của pin mặt Trời. Nếu tải tiêu
thụ điện của một pin mặt Trời là một tải điện trở Ohm thuần, thì đường đặc trưng
tải là một đường thẳng đi qua gốc tọa độ và có độ nghiêng α đối với trục OV và tgα
= 1/R (trên hình 2.9), (theo định luật Ohm ta có I = V/R). Trong trường hợp này,
cơng suất pin mặt trời cấp cho tải chỉ phụ thuộc vào giá trị điện trở R.
Trong tọa độ OIV, công suất pin mặt Trời cấp cho tải R bằng diện tích hình
chữ nhật giới hạn bởi hoành độ và tung độ của điểm làm việc. Với các giá trị R
khác nhau, các điểm làm việc sẽ khác nhau và do đó tải tiêu thụ cũng khác nhau.
Tồn tại một giá trị R = R OPT mà tại đó cơng suất tải tiêu thụ là cực đại. Điểm làm
việc ứng với công suất cực đại, điểm A trên hình 2.9, là điểm tiếp xúc giữa đường
đặc tính VA của pin mặt Trời và đường công suất không đổi (đường công suất
không đổi IV = const là các đường hypecbol).

HVTH: TRẦN VĂN DIỄN - 1920604

13

PGS.TS. NGUYỄN MINH TÂM


Luận Văn Thạc Sĩ

Hình 2.9. Điểm làm việc và điểm công suất cực đại
Giá trị điện trở tải tối ưu R OPT được xác định theo định luật Ohm:


𝑅𝑂𝑃𝑇 =

𝑉𝑂𝑃𝑇
𝐼𝑂𝑃𝑇

(2.4)

Ở điều kiện cường độ bức xạ không đổi và nhiệt độ cho trước ta thấy:
 Nếu điện trở tải nhỏ, R <miền mà cường độ dịng điện gần như khơng đổi và gần bằng dòng đoản mạch Isc .
 Nếu điện trở tải R lớn, R >>R OPT , pin mặt Trời làm việc trong miền PS
với hiệu điện thế gần như không đổi và bằng thế hở mạch VOC.
Ta thấy rằng pin mặt Trời chỉ làm việc có hiệu quả khi tải tiêu thụ điện có
giá trị lân cận R OPT . Điều này không phải lúc nào cũng dễ dàng đạt được bởi vì
điểm làm việc ngay đối với một máy tiêu thụ điện cũng thay đổi. Ngoài ra bức xạ
mặt Trời và nhiệt độ của môi trường thay đổi liên tục theo thời gian, nên đường đặc

HVTH: TRẦN VĂN DIỄN - 1920604

14

PGS.TS. NGUYỄN MINH TÂM


Luận Văn Thạc Sĩ
tính V-A của pin mặt Trời cũng thay đổi và do đó làm dịch chuyển điểm làm việc
ra khỏi điểm làm việc tối ưu. Công suất đỉnh là công suất ra cực đại của pin mặt
trời dưới điều kiện cường độ bức xạ và nhiệt độ nhất định. Thường được tính dưới
điều kiện thử nghiệm chuẩn (STC: Standard Test Condition) là cường độ bức xạ
1000W/m2 và nhiệt độ 250 C. Công suất đỉnh thường được đo bằng Wp (Watt peak),

để chỉ ra giá công suất đỉnh ở điều kiện phịng thí nghiệm, giá trị này rất khó đạt
được dưới điều kiện hoạt động thực tế.
2.4.4. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng:
Hiệu suất chuyển đổi quang năng là tỉ lệ phần trăm năng lượng photon đã
chuyển hóa thành điện năng khi pin được nối với tải trên năng lượng photon thu
vào (2.5).

ɳ =

𝑃𝑚𝑎𝑥
𝐸. 𝐴

(2.5)

Với: E (W/m2): cường độ bức xạ tới.
A (m²): diện tích bề mặt của pin.
Thừa số lấp đầy Kf (Fill factor) Thừa số lấp đầy là tỉ số giữa cơng suất cực
đại với tích của điện áp hở mạch VOC và dòng ngắn mạch ISC (2.6).

𝐾𝑓 =

𝑃𝑚𝑎𝑥
𝑉𝐶𝑂 𝐼𝑆𝐶

(2.6)

Các thơng số quang điện hóa gồm dịng ngắn mạch ISC , thế mạch hở VOC , và
công suất cực đại Pmax được xác định từ đường đặc trưng V-A.
2.5.

Chọn công suất pin quang điện:

2.5.1. Khảo sát pin quang điện:
Trong q trình tính tốn cơng suất pin quang điện, ta cần tìm hiểu về mơ
hình tương đương của tế bào quang điện. Phân tích những yếu tố ảnh hưởng đến
điện áp, dòng điện đầu ra của module pin quang điện.

HVTH: TRẦN VĂN DIỄN - 1920604

15

PGS.TS. NGUYỄN MINH TÂM


Luận Văn Thạc Sĩ

PV cell

I
RS

Id

RP

+

I SC

LOAD

I SC
Hình 2.10. Sơ đồ tương đương của pin quang điện
Phương trình mơ tả đặc tính pin quang điện [20]

𝐼 = 𝐼𝑠𝑐 − (𝑒

𝑣+𝑖𝑅𝑠
𝑛𝑠 𝑉𝑡

− 1) −

𝑣 + 𝑖𝑅𝑠
𝑅𝑃

(2.7)

Trong đó:
𝐼𝑠𝑐 : Dịng ngắn mạch
𝐼0 : Dòng ngược bão hòa
𝑅𝑠 : Điện trở nối tiếp
𝑅𝑃 : Điện trở song song đặc trưng cho dòng rò của tế bào quang điện
𝐴 : Hệ số chất lượng của Diode
𝑉𝑡 : Ngưỡng điện áp nhiệt của Diode, với 𝑉𝑡 =

𝐴𝑘𝑇𝑠𝑡𝑐
𝑞

𝑘 : Hằng số Boltzmann
𝑞 : Điện tích electron

𝑛𝑠 : Số cell nối tiếp của tấm pin
𝑇𝑠𝑡𝑐 : Nhiệt độ tại điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn STC
Biểu thức (2.7) cho ta quan hệ giữa dòng điện và điện áp ngõ ra của tế bào
quang điện.
Cường độ chiếu sáng và nhiệt độ là hai yếu tố ảnh hưởng trực tiếp lên hiệu
suất của tấm pin quang điện. Trong đó cường độ chiếu sáng ảnh hưởng nhiều đến
dòng quang điện theo công thức:

HVTH: TRẦN VĂN DIỄN - 1920604

16

PGS.TS. NGUYỄN MINH TÂM