Tìm hiểu năng lượng mặt trời và phương pháp thu công suất cực đại :Khóa luận tốt nghiệp Khoa Công nghệ Điện

Khóa luận tốt nghiệp GVHD: ThS.Lê Ngọc Tuân

i

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HCM

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN

PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

1. HỌ VÀ TÊN SINH VIÊN/ NHÓM SINH VIÊN ĐƯỢC GIAO ĐỀ TÀI

1) ĐÀO KHOA ĐĂNG KHOA MSSV: 16082491

2) NGUYỄN TRƯỜNG TÂN MSSV: 16065561

3) LÊ CÔNG HẬU MSSV: 16075641

4) TRẦN MINH TRÍ MSSV: 16065521

2. TÊN ĐỀ TÀI:

TÌM HIỂU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ PHƯƠNG

PHÁP THU CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI

3. NHIỆM VỤ ( NỘI DUNG VÀ SỐ LIỆU BAN ĐẦU)

Giai đoạn 1: Tìm hiểu pin mặt trời, chọn pin 20 W, vẽ khung mô hình, tính toán tỉ

lệ.

Giai đoạn 2: Tìm hiểu về cách điều khiển tìm hiểu mpp .

Giai đoạn 3: Lập trình động cơ bằng vi xử lí trên mô phỏng máy tính, tính toán các

thông số, so sánh.

Giai đoạn 4: Lắp đặt các linh kiện và thiết bị mô phỏng demo trong phòng với đèn

điện ( tính toán thông số, sửa lỗi nếu có).

Giai đoạn 5: Xong hết 4 giai đoạn không có phát sinh lỗi thì đem mô hình ra ngoài

đo đạc và đánh giá.

Khóa luận tốt nghiệp GVHD: ThS.Lê Ngọc Tuân

ii

4. KẾT QUẢ DỰ KIẾN ( TÓM TẮT KẾT QUẢ DỰ KIẾN ĐẠT ĐƯỢC )

Loại kết quả Mô tả

Loại I Thực hiện

- Thiết bị, máy móc ( mô

hình vật lý)

Đã mua các thiết bị như ( pin mặt trời 20w, bộ

mppt, ác quy )

- Vật liệu 12 cơ cấu đo điện tử led 7 đoạn, dây điện jack

cắm

Loại II

-Nguyên lý ứng dụng Các thuật toán MPPT thường được sử dụng

trong các thiết kế bộ điều khiển cho các hệ

thống điện mặt trời. Các thuật toán gồm các yếu

tố như bức xạ thay đổi ( ánh sáng mặt trời ) và

nhiệt độ để đảm bảo rằng hệ thống PV tạo ra

công suất tối đa mọi lúc.

- Phương pháp Tìm hiểu giải thuật PO và logic mờ và so sánh 2

phương pháp giải thuật này để chọn phương

pháp tối ưu nhất

- Tiêu chuẩn

- Chương trình máy tính

- Phần mềm máy tính Adruino,Autocad

- Bản vẽ thiết kế Bản vẽ khung mô hình pin mặt trời, bản vẽ mô

hình động cơ điều hướng

- Quy trình công nghệ

- Phân tích dự án

Loại III

- Sơ đồ Có các mạch tham khảo

- Số liệu

Khóa luận tốt nghiệp GVHD: ThS.Lê Ngọc Tuân

iii

- Báo cáo phân tích

- Đề án, quy hoạch

Loại IV

- Bài báo So sánh 2 phương pháp giải thuật của thầy

Nguyễn Thanh Thuận

- Sách chuyên khoa

- Giáo trình Giào trình điện tử công suất, năng lượng tái tạo

- Tài liệu phục vụ giảng

dạy ( bài giảng )

Slide năng lượng mặt trời của thầy Vũ Hoàng

Hải

- Sản phẩm đăng ký sở

hửu trí tuệ

Khác

-

Giảng viên hướng dẫn Tp. HCM, ngày 5 tháng 9 năm 2020

Sinh viên

Trưởng bộ môn

Khóa luận tốt nghiệp GVHD: ThS.Lê Ngọc Tuân

iv

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

GVHD: ThS.Lê Ngọc Tuân

Khóa luận tốt nghiệp GVHD: ThS.Lê Ngọc Tuân

v

MỤC LỤC

PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ..................................................i

1. HỌ VÀ TÊN SINH VIÊN/ NHÓM SINH VIÊN ĐƯỢC GIAO ĐỀ TÀI ..................i

2. TÊN ĐỀ TÀI:...............................................................................................................i

TÌM HIỂU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ PHƯƠNG PHÁP THU CÔNG SUẤT CỰC

ĐẠI .........................................................................................................................i

3. NHIỆM VỤ ( NỘI DUNG VÀ SỐ LIỆU BAN ĐẦU)...............................................i

4. KẾT QUẢ DỰ KIẾN ( TÓM TẮT KẾT QUẢ DỰ KIẾN ĐẠT ĐƯỢC )................ii

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN .............................................................iv

Lời cảm ơn .................................................................................................................... xiii

MỞ ĐẦU .....................................................................................................................xiv

1. Đặt vấn đề ................................................................................................................xiv

2. Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................................xv

2.1. Mục tiêu lâu dài...................................................................................................xv

2.2. Mục tiêu cụ thể....................................................................................................xv

3. Đối tượng nghiên cứu ...............................................................................................xv

4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu...............................................................xv

4.1. Cách tiếp cận .......................................................................................................xv

4.2. Phương pháp nghiên cứu.....................................................................................xv

5. Ý nghĩa thực tế..........................................................................................................xv

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU............................................1

1.1. Đặc điểm ..................................................................................................................1

1.2. Vị trí địa lý ...............................................................................................................2

1.2.1. Khái quát khí hậu Việt Nam .............................................................................2

1.2.2. Cường độ bức xạ mặt trời tại các khu vực trên lãnh thổ Việt Nam..................3

1.3. Nhu cầu năng lượng .................................................................................................7

1.3.1. Nhu cầu tiêu thụ điện năng ở Việt Nam............................................................7

1.3.2. Những thuận lợi trong việc sử dụng những nguồn năng lượng mới...............11

1.4. Xu hướng phát triển ...............................................................................................12

1.5. Tình hình và điều kiện phát triển trên thế giới.......................................................13

Khóa luận tốt nghiệp GVHD: ThS.Lê Ngọc Tuân

vi

1.5.1. Hai loại công nghệ điện mặt trời.....................................................................13

1.5.1.1. Công nghệ hội tụ năng lượng mặt trời CSP .................................................14

1.5.1.2. Công nghệ quang điện SPV .........................................................................15

1.5.2. Tổng kết ..........................................................................................................18

1.6. Cơ sở vật lí của pin năng lượng mặt trời ...............................................................20

1.6.1. Lịch sử phát triển pin mặt trời.........................................................................20

1.6.2. Nguyên lý pin mặt trời ....................................................................................22

1.6.3. Nền tảng về pin mặt trời..................................................................................23

1.6.4. Vật liệu và hiệu suất........................................................................................23

1.7. Phân loại pin mặt trời.............................................................................................24

1.7.1. Pin mặt trời Mono ...........................................................................................24

1.7.2. Pin Mặt Trời Poly............................................................................................25

1.7.3. Pin mặt trời dạng phim mỏng..........................................................................25

1.7.4. Pin Mặt trời nhạy cảm chất màu DSC (Dye - sensitized solar cell) ...............26

1.8. Các mô hình năng lượng mặt trời hiện nay............................................................28

1.8.1. Thiết bị sấy khô dùng năng lượng mặt trời.....................................................28

1.8.2. Bếp nấu dùng năng lượng mặt trời..................................................................28

1.8.3. Thiết bị đun nước nóng dùng NLMT..............................................................29

1.8.4. Hệ năng lượng mặt trời song song lai ghép nối lưới.......................................30

1.8.5. Các nhà máy điện mặt trời lớn nhất thế giới...................................................32

1.9. Hệ pin mặt trời làm việc độc lập............................................................................35

1.9.1. Thành phần lưu giữ năng lượng......................................................................35

1.9.2. Các bộ biến đổi bán dẫn trong hệ PV..............................................................36

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT......................................................................................41

2.1. Pin quang điện, cấu tạo và nguyên lý hoạt động....................................................41

2.1.1. Cấu tạo ............................................................................................................41

2.1.2. Nguyên lý hoạt động .......................................................................................42

2.1.3. Đặc tính làm việc của pin mặt trời..................................................................45

2.2. Các bộ biến đổi DC-DC trong hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập .................49

2.2.1. Bộ biến đổi DC/DC.........................................................................................49

Khóa luận tốt nghiệp GVHD: ThS.Lê Ngọc Tuân

vii

2.2.2. Điều khiển bộ biến đổi DC-DC.......................................................................52

2.3. Các hệ thống điều hướng .......................................................................................53

2.3.1. Hệ thống điều hướng xoay theo 1 trục............................................................54

2.3.2. Hệ thống điều khiển quay theo 2 trục .............................................................55

2.4. Phương pháp dò tìm điểm công suất cực đại MPPT..............................................56

2.4.1. Giới thiệu chung..............................................................................................56

2.4.2. Nguyên lí cân bằng tải ....................................................................................57

2.4.3. Thuật toán xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất MPPT ..................57

2.4.3.1. Thuật toán nhiễu loạn và quan sát P&O.......................................................58

2.4.3.2. Thuật toán P&O trong điều kiện dãy PV bị bóng che một phần..................60

2.4.4. Phương pháp điều khiển MPPT ......................................................................60

2.4.5. Giới hạn của MPPT.........................................................................................60

2.5. Bộ lưu giữ năng lượng ...........................................................................................61

2.5.1. Các đặc tính của ắc quy...................................................................................62

2.5.1.1. Dung lượng...................................................................................................62

2.5.1.2. Điện áp ngưỡng thấp nhất ............................................................................62

2.5.1.3. Điện áp hở mạch...........................................................................................63

2.5.2. Chế độ làm việc của ắc quy ............................................................................63

2.5.2.1. Nạp ắc quy....................................................................................................63

2.5.2.2. Ắc quy phóng ...............................................................................................63

2.5.3. Các chế độ nạp của bộ nguồn ắc quy..............................................................63

2.5.3.1. Nạp với dòng không đổi...............................................................................64

2.5.3.2. Nạp với áp không đổi ...................................................................................64

2.5.3.3. Nạp nổi .........................................................................................................65

Chương 3 THUẬT TOÁN DÒ TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI (MPPT) ...............66

3.1. Giải thuật P&O (Perturb & Observe).....................................................................66

3.1.1. Lưu đồ giải thuật P&O....................................................................................67

3.1.2. Nhược điểm giải thuật P&O ...........................................................................67

3.2. Giải thuật P&O cải tiến..........................................................................................69

3.2.1. Lưu đồ giải thuật P&O cải tiến .......................................................................71

Khóa luận tốt nghiệp GVHD: ThS.Lê Ngọc Tuân

viii

3.3. Phương pháp tăng tổng dẫn (Incremental Conductance).......................................71

3.3.1. Lưu đồ giải thuật tăng tổng dẫn ......................................................................73

3.4. Nhận xét chung ......................................................................................................73

Chương 4 THI CÔNG MÔ HÌNH......................................................................................75

4.1. Phân tích, chọn phương án và kích thước của mô hình .........................................75

4.1.1. Phân tích và chọn phương án ..........................................................................75

4.1.2. Ưu điểm và nhược điểm phương án................................................................75

4.2. Lựa chọn chi tiết cho mô hình ...............................................................................77

4.2.1. Lựa chọn chi tiết khung...................................................................................77

4.2.2. Lựa chọn thiết bị .............................................................................................77

4.2.2.1. Động cơ servo...............................................................................................77

4.3. Cách thức vận hành................................................................................................79

4.3.1. Phần điều khiển...............................................................................................79

4.3.1.1. Phần mềm.....................................................................................................79

4.3.1.2. Adruino R3...................................................................................................79

4.3.1.3. Code ..........................................................................................................83

Tài liệu tham khảo ..............................................................................................................85

Khóa luận tốt nghiệp GVHD: ThS.Lê Ngọc Tuân

ix

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Bản đồ tổng lượng bức xạ mặt trời toàn cầu trung bình/năm (Kwh/m2

)...............1

Hình 1.2 Khí hậu nhiệt đới gió mùa .....................................................................................2

Hình 1.3: Bản đồ bức xạ mặt trời tại Việt Nam ...................................................................3

Hình 1.4 Modul thu và chuyển đổi năng lượng mặt trời....................................................13

Hình 1.5: Nhà máy năng lượng mặt trời loại hội tụ nhiệt ..................................................14

Hình 1.6: Mô hình nhà máy điện mặt trời loại hội tụ nhiệt................................................15

Hình 1.7: Mô hình cấu tạo và nguyên lý của pin chất liệu Crystalline silicon ..................16

Hình 1.8: Tấm pin được làm bằng chất liệu Crystalline silicon.........................................17

Hình 1.9: Tấm pin Thin-film solar cells.............................................................................18

Hình 1.10: Cấu tạo nguyên tử chất bán dẫn loại p và loại n ..............................................22

Hình 1.11: Pin mặt trời Mono ............................................................................................24

Hình 1.12: Pin mặt trời Poly...............................................................................................25

Hình 1.13: Pin mặt trời dạng phin mõng............................................................................26

Hình 1.14: Pin Mặt trời nhạy cảm chất màu DSC..............................................................27

Hình 1.15: Thiết bị sấy khô dùng năng lượng mặt trời ......................................................28

Hình 1.16 : Bếp năng lượng Mặt Trời................................................................................29

Hình 1.17: Bộ thiết bị đung nóng năng lượng mặt trời ......................................................29

Hình 1.18 : Hệ thống pin mặt trời ghép song song với lưới...............................................30

Hình 1.19: Hệ thống sản xuất điện mặt trời hòa lưới có lưu trữ ........................................31

Hình 1.20: Nhà máy điện mặt trời Topaz Solar Farmlaf nhà máy điện quang số 1 với công

suất lên đến 550 MW..........................................................................................................33

Hình 1.21: Hệ thống nhà máy điện ở quảng ngãi...............................................................34

Hình 1.22 : Sơ đồ khối hệ quang điện làm việc đọc lập.....................................................35

Hình 1.23 : Bộ điều khiển MPPT trong hệ thống pin mặt trời...........................................37

Hình 1.24: Bộ điều khiển sạc PWM...................................................................................38

Hình 1.25: Bộ điều khiển sạc MPPT..................................................................................39

Hình 2.1: Cấu tạo pin mặt trời............................................................................................41

Hình 2.2: Nguyên lí làm việc của pin mặt trời...................................................................42

Khóa luận tốt nghiệp GVHD: ThS.Lê Ngọc Tuân

x

Hình 2.3: Hệ thống 2 mức năng lượng trong đó ��1 < ��2.................................................42

Hình 2.4: Các vùng năng lượng..........................................................................................43

Hình 2.5: Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời................................................................44

Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của pin mặt trời ......................................................44

Hình 2.7: Đường đặc tính làm việc V-I của pin mặt trời ...................................................46

Hình 2.8: Sơ đồ tương đương của pin mặt trời...................................................................46

Hình 2.9: Đường cong đặc trưng V-I của pin mặt trời phụ thuộc vào cường độ bức xạ mặt

trời.......................................................................................................................................47

Hình 2.10: Đường cong đặc tính V-I của pin mặt trời phụ thuộc vào nhiệt độ của pin .....48

Hình 2.11: Đường đặc tính tải và đặc tính của pin mặt trời...............................................48

Hình 2.12: Sơ đồ nguyên lý bộ giảm áp Buck ...................................................................50

Hình 2.13: Dạng sóng điện áp và dòng điện của mạch Buck.............................................50

Hình 2.14: Mạch vòng điều khiển điện áp .........................................................................52

Hình 2.15: Mạch vòng dòng điện phản hổi........................................................................53

Hình 2.16: Các loại mô hình 1 trục và 2 trục định hướng pin mặt trời..............................53

Hình 2.17: Hệ thống điều hướng quay theo 2 trục .............................................................55

Hình 2.18: Ví dụ tấm pin mặt trười mắc nối tiếp với một tải thuần trở có thể thay đổi được

giá trị điện trở .....................................................................................................................56

Hình 2.19: Đường đặc tính làm việc của pin và tải thuần trở có giá trị điện trở thay đổi

được ....................................................................................................................................56

Hình 2.20: Đường đặc tính làm việc I-V của pin khi cường độ bức xạ thay đổi ở cùng

một mức nhiệt độ................................................................................................................58

Hình 2.21: Đặc tính làm việc của I-V của pin khi nhiệt độ thay đổi ở cùng một mức cường

độ bức xạ ............................................................................................................................58

Hình 2.22: Thuật toán dò tìm điểm làm việc có công suất lớn nhất P&O .........................59

Hình 2.23 Đường cong P-V trong điều kiện dãy PV bị bóng che một phần......................60

Hình 3.1: Đặc tính công suất phụ thuộc và điện áp đầu ra.................................................66

Hình 3.2: Lưu đồ giải thuật P&O .......................................................................................67

Hình 3.3 : Hệ pin PV phát năng lượng về với lưới ............................................................68

Hình 3.4: Khi chiêu độ thay đổi điểm công suất cực đại sẽ sai theo giải thuật P&O ........68