GIỚI THIỆU
Đặt vấn đề
Nhu cầu năng lượng toàn cầu đang gia tăng nhanh chóng do sự bùng nổ dân số Trong bối cảnh nguồn năng lượng truyền thống đang thiếu hụt và gây ra tác động tiêu cực đến môi trường, năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời (NLMT), đã trở nên cực kỳ quan trọng NLMT không chỉ dồi dào và khả thi mà còn thân thiện với môi trường, đang trở thành một đối thủ cạnh tranh mạnh mẽ với nhiên liệu hóa thạch Trong khi nhiên liệu hóa thạch gặp phải nhiều nhược điểm như suy giảm trữ lượng và ô nhiễm, các nguồn năng lượng tái tạo được công nhận là sạch hơn và sản xuất năng lượng mà không gây hại cho môi trường.
Các nhà máy điện truyền thống là nguyên nhân chính gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người do phát thải khí nhà kính Để hỗ trợ các nhà máy này trong giờ cao điểm, việc áp dụng các công nghệ năng lượng tái tạo trở nên cần thiết, đóng góp quan trọng cho nhu cầu năng lượng bền vững trong tương lai Do đó, tìm kiếm phương pháp thay thế trong sản xuất điện là cần thiết để bảo vệ môi trường và sức khỏe con người khỏi tác động tiêu cực của năng lượng truyền thống.
Tế bào năng lượng mặt trời, hay còn gọi là tế bào quang điện (PV), là thiết bị chuyển đổi bức xạ mặt trời thành điện năng Khi kết nối với nhau, các tế bào quang điện tạo thành mô-đun, và khi kết nối nhiều mô-đun, chúng hình thành một mảng năng lượng mặt trời.
Hệ thống năng lượng mặt trời (PV) bao gồm nhiều mô đun được kết nối theo cấu trúc nối tiếp hoặc song song, dẫn đến sự biến đổi công suất đầu ra tùy thuộc vào mức độ chiếu xạ trong ngày Mặc dù năng lượng mặt trời mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại những thách thức cản trở sự phát triển của nó, chủ yếu là hiệu suất thấp và sự xuất hiện của các điểm công suất cực đại địa phương Để khắc phục những vấn đề này, việc áp dụng kỹ thuật theo dõi điểm công suất cực đại (MPPT) là rất cần thiết.
Tracking - MPPT) là một kỹ thuật tốt để nâng cao hiệu quả của hệ thống PV Hệ thống
Hệ thống PV có khả năng hoạt động với công suất tối đa thông qua phương pháp MPPT Mặc dù việc xác định công suất lớn nhất trong đường cong phi tuyến P-V dưới bức xạ liên tục khá đơn giản với các phương pháp MPPT phổ biến, nhưng việc theo dõi MPP thực tế trong điều kiện bóng mờ lại gặp nhiều khó khăn Điều này xảy ra do sự xuất hiện của nhiều điểm công suất cực đại địa phương, như thể hiện trong đường cong đặc trưng P-V.
Mặc dù việc sử dụng nguồn năng lượng quang điện (PV) gặp một số hạn chế liên quan đến đặc tính đầu ra phi tuyến, sự thay đổi mức bức xạ, bóng mát, nhiệt độ và cấu hình mảng, nhưng nguồn PV ngày càng được ứng dụng rộng rãi Khi toàn bộ tấm pin PV không nhận được mức bức xạ đồng nhất, các đặc tính trở nên phức tạp hơn, đặc biệt là trong điều kiện bóng mờ từng phần Điều này dẫn đến việc giảm hiệu quả của các chương trình tìm điểm công suất cực đại hiện tại, do không thể phân biệt giữa các đỉnh địa phương và đỉnh cao toàn cục.
Ba mức sáng và nhiệt độ khác nhau trong điều kiện bóng mờ dẫn đến đặc tính I-V phi tuyến tính của hệ thống năng lượng mặt trời (PV) Đặc điểm P-V trở nên phức tạp với sự xuất hiện của nhiều đỉnh công suất cực đại khác nhau.
Trong luận văn này, một phương pháp mới được giới thiệu nhằm theo dõi điểm công suất cực đại toàn cục (GMPP) của hệ thống năng lượng mặt trời (PV) Phương pháp này mang lại nhiều lợi ích so với các kỹ thuật MPPT trước đây, đặc biệt khi có hiện tượng bóng che từng phần, giúp dự đoán chính xác vị trí của GMPP và LMPP trên đường cong P-V Với khả năng xác định nhanh chóng GMPP, phương pháp mới tránh được việc mất năng lượng do quét mù Kết quả thử nghiệm cho thấy phương pháp này đảm bảo sự hội tụ với MPP toàn cục ngay cả trong điều kiện bóng che từng phần.
Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn
Qua phân tích tính thiết yếu của vấn đề bóng cho một phần trong thực tế, luận văn đặt ra các mục tiêu như sau:
− Đề xuất một phương pháp xác định điểm GMPP khi có hiện tượng bóng che
− Thực hiện mô hình hóa mô phỏng hệ thống PV để ghi nhận và đánh giá hiệu quả của giải thuật được đề xuất
Dựa vào mục tiêu cần đạt được, luận văn đề ra các nhiệm vụ cụ thể như sau:
− Nghiên cứu các tài liệu liên quan đến nguyên liệu, cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các PV thông dụng hiện nay
− Thực hiện tìm kiếm tài liệu rộng rãi về mô hình hóa các tế bào PV
− Nghiên cứu tính phù hợp của một bộ mô hình PV được lựa chọn sử dụng các nghiên cứu mô phỏng (MATLAB)
− Xem xét các kỹ thuật hiện tại để điều tra hiệu ứng bóng che một phần
− Nghiên cứu các phương pháp xác định điểm MPP trong trường hợp dãy PV bị bóng che một phần Xác định các ưu nhược điểm của từng phương pháp
Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận văn tập trung vào hệ thống pin năng lượng mặt trời hoạt động trong điều kiện bị che bóng một phần, đồng thời xem xét ảnh hưởng của các vùng có mức chiếu xạ mặt trời khác nhau.
Phạm vi nghiên cứu
Giải quyết bài toán bóng che trong dãy pin năng lượng mặt trời là một phần quan trọng trong việc điều khiển các hệ thống pin NLMT, nhưng vấn đề này lại bao gồm nhiều khía cạnh phức tạp và liên quan đến nhiều lĩnh vực khác nhau Để đảm bảo luận văn đạt được mục tiêu đề ra, nghiên cứu sẽ được thực hiện trong các phạm vi cụ thể.
− Nghiên cứu cấu trúc các pin NLMT thông dụng
− Nghiên cứu các phương trình toán về pin mặt trời thông dụng hiện nay
− Nghiên cứu các phương pháp xác định điểm GMPP đã được đề xuất hiện nay
Xây dựng mô hình MatLab nhằm ghi nhận kết quả và đánh giá hiệu quả của giải thuật đề xuất, sử dụng các mô hình và công cụ hỗ trợ có sẵn trong MatLab.
Phương pháp nghiên cứu
Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu
Nghiên cứu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và mô hình toán của pin năng lượng mặt trời
Nghiên cứu các giải thuật điều khiển về pin năng lượng mặt trời Đặc biệt các giải thuật tìm điểm công suất cực đại của pin
Nghiên cứu các giải pháp dò điểm công suất cực đại toàn cầu cho hệ thống pin NLMT trong điều kiện bị bóng che một phần.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Bài viết đề xuất một phương pháp mới để xác định điểm công suất cực đại toàn cầu, dựa trên việc phân loại mức độ bức xạ khác nhau của các tấm pin năng lượng mặt trời thông qua điện áp được áp dụng Phương pháp này giúp cải thiện hiệu quả trong việc dò tìm điểm công suất cực đại toàn cầu.
5 nhanh hơn so với các phương pháp dò không định hướng khác Điều này giúp cho phương pháp đề xuất có tính khả thi cao hơn
Áp dụng phương pháp dò điểm công suất cực đại toàn cầu cho hệ thống pin năng lượng mặt trời khi bị bóng che sẽ nâng cao hiệu quả hoạt động Việc dò tìm chính xác điểm công suất cực đại với thời gian nhanh hơn giúp giảm thiểu năng lượng mất mát trong quá trình này.
Bố cục luận văn
Nội dung luận văn được trình bày trong 5 chương với các phần chính như sau:
Chương 1: Giới thiệu chung về luận văn Các cơ sở lý luận của luận văn
Chương 2: Trình bày tổng quan về pin mặt trời và hệ thống điện năng lượng mặt trời
Chương 3 trình bày các phương trình toán học liên quan đến pin mặt trời và các phương pháp điều khiển hệ thống pin mặt trời nhằm đạt được điểm công suất cực đại Đồng thời, chương này cũng đề xuất một phương pháp vận hành hệ thống năng lượng mặt trời mới, được mô tả chi tiết và cụ thể trong luận văn.
Chương 4 trình bày quy trình xây dựng hệ thống năng lượng mặt trời độc lập theo đề xuất trong chương 3 Hệ thống này được mô hình hóa và mô phỏng, đồng thời ghi nhận chi tiết các kết quả đạt được.
Chương 5 sẽ trình bày các kết luận và đánh giá về luận văn, đồng thời đề xuất hướng phát triển tiếp theo dựa trên các kết quả thu được từ nghiên cứu.
TỔNG QUAN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Năng lượng mặt trời
Hệ thống pin mặt trời vận hành độc lập sử dụng năng lượng mặt trời (NLMT) để tạo ra điện, một hiện tượng ngày càng phổ biến trong thời gian gần đây Trong quá khứ, các nền văn minh đã dựa vào ánh sáng mặt trời để cung cấp nhiệt và ánh sáng cho các hoạt động hàng ngày Hiện nay, ánh sáng mặt trời chủ yếu được chuyển đổi thành điện năng thông qua các tế bào quang điện (PV), hoạt động hiệu quả khi tiếp xúc với bức xạ mặt trời.
Hệ thống năng lượng mặt trời (PV) bao gồm nhiều tế bào PV được lắp đặt độc lập hoặc quy mô lớn dưới dạng trang trại năng lượng mặt trời (nối lưới) Một hệ thống PV thường bao gồm tấm PV, bộ gom điện và biến tần, có thể hoạt động độc lập (off-grid) hoặc kết nối trực tiếp với lưới điện (on-grid) Hệ thống PV độc lập thường có công suất nhỏ và được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các tải độc lập, như chiếu sáng đường, bãi đậu xe và các ứng dụng sinh hoạt trong gia đình, thường được lắp đặt trên mái nhà hoặc tòa nhà.
Hình 2.2 minh họa việc lắp đặt các tấm pin mặt trời (PV) trong hệ thống kết nối lưới điện, tạo thành một trang trại năng lượng mặt trời (NLMT) Trang trại NLMT được thiết kế nhằm đáp ứng nhu cầu tải lớn và lưới điện có công suất cao, đồng thời cung cấp điện năng với quy mô lớn hơn.
Việc gia tăng sử dụng năng lượng mặt trời (NLMT) đã góp phần giảm thiểu tiêu thụ các nguồn năng lượng không tái tạo, điều này dự đoán sẽ thúc đẩy sự gia tăng lắp đặt các hệ thống NLMT kết nối với lưới điện.
Vào cuối năm 2015, tổng công suất lắp đặt toàn cầu của năng lượng mặt trời (NLMT) đã đạt 227 GW, theo báo cáo Renewables Global Status Report 2015 Sự gia tăng này đánh dấu một bước tiến quan trọng trong việc phát triển và ứng dụng năng lượng tái tạo trên toàn thế giới.
Hình 2.3 Tổng sản lượng PV toàn cầu
Hình 2.4 Top 10 nước phát triển pin PV nhất thế giới đến 2015
Nhiều quốc gia đã xây dựng các trang trại NLMT để tạo ra điện năng rẻ và thay thế các nguồn không tái tạo
Nhu cầu năng lượng mặt trời (NLMT) đã chuyển từ các nước giàu sang các thị trường mới nổi trên toàn cầu, đặc biệt là ở các quốc gia đang phát triển, nơi mà điện năng cần thiết nhất Trong khi đó, nhiều thị trường truyền thống ở châu Âu đã giảm công suất lắp đặt vào năm 2015 Sự gia tăng cạnh tranh giữa các nhà sản xuất tấm pin NLMT và các chương trình khuyến khích năng lượng tái tạo của chính phủ đã thúc đẩy sự mở rộng thị trường Đồng thời, nhu cầu điện gia tăng và nhận thức về tiềm năng của năng lượng mặt trời đang gia tăng khi các quốc gia tìm cách giảm ô nhiễm và lượng phát thải CO2.
Tế bào quang điện
Pin mặt trời (PV) là thiết bị bán dẫn chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng điện thông qua hiệu ứng quang điện Hệ thống pin năng lượng mặt trời chủ yếu bao gồm tế bào PV, được chế tạo từ nhiều loại chất bán dẫn khác nhau Silic (Si) là vật liệu bán dẫn phổ biến nhất, với cấu trúc tế bào đơn bao gồm một lớp mỏng Si kết nối với các đầu cuối điện, được pha tạp để hình thành đường nối PN và được phủ bằng lưới kim loại để tiếp nhận ánh sáng mặt trời.
Cấu trúc vật lý của một tế bào PV có thể thấy trong Hình 2.5 được mô tả như trong
[8], nơi các lớp bán dẫn và các khía cạnh quan trọng khác được hiển thị
Bức xạ mặt trời chứa các photon với năng lượng khác nhau, khi rơi vào tế bào PV, tạo ra sóng điện tích và dòng điện Các photon có năng lượng cao va chạm với chất bán dẫn, làm bật ra điện tích âm, hình thành hai lớp vật chất tích điện trái dấu và tạo ra nguồn điện DC Ngược lại, photon với năng lượng thấp không tạo ra dòng điện Do đó, hiệu suất phát điện của các tấm bán dẫn phụ thuộc vào mức năng lượng của photon.
Khả năng hấp thụ ánh sáng của chất bán dẫn phụ thuộc vào tần số ánh sáng tới và các yếu tố như năng lượng ngưỡng, nồng độ nội tại các hạt mang điện, cũng như tốc độ kết hợp của chất bán dẫn.
Hình 2.5 Cấu trúc cơ bản của tế bào quang điện
2.2.1 Đặc tính của tế bào quang điện
Tế bào PV hoạt động ở cường độ ánh sáng nhất định, tạo ra điện áp (V), dòng điện (I) và công suất (P) Các giá trị này cho thấy hiệu suất và giúp xác định đặc tính của tế bào PV, trong đó I-V biểu thị mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện, còn P-V thể hiện mối quan hệ giữa điện áp và công suất Đặc tính phi tuyến của tế bào PV cần được nghiên cứu và phân tích, đồng thời cần chú ý đến các yếu tố ảnh hưởng đến chúng, như đã được trình bày trong các nghiên cứu.
Theo nghiên cứu, Hình 2.6 minh họa các đặc tính của một tế bào quang điện (PV) tiêu chuẩn, trong đó I SC đại diện cho dòng ngắn mạch, V OC là điện áp hở, và MPP thể hiện công suất cực đại.
I MP và V MP là dòng điện và điện áp tương ứng tại MPP
Hiệu suất của tế bào PV phụ thuộc vào nhiều yếu tố như vật liệu tế bào, nhiệt độ không khí, cường độ ánh sáng mặt trời, và góc nghiêng đối với mặt trời Tại điểm VOC, giá trị ISC bằng không, và ngược lại, tại điểm ISC, giá trị VOC cũng bằng không Sự chiếu nắng càng lớn thì đầu ra (I & V) càng cao, nhưng nhiệt độ cao lại làm giảm điện áp đầu ra Thời tiết mùa đông và độ cao có thể dẫn đến giá trị chiếu sáng thấp, và như các thiết bị điện tử khác, pin mặt trời hoạt động hiệu quả hơn khi được giữ mát.
2.2.2 Các tấm pin quang điện và các dãy pin quang điện
Các tấm pin mặt trời (PV) được tạo ra từ việc kết nối các tế bào PV theo cách nối tiếp và/hoặc song song Một tế bào đơn lẻ, một tấm pin và một dãy pin có thể được hình dung như minh họa trong Hình 2.7.
Hình minh họa cho thấy tấm pin mặt trời (PV) được lắp ráp bằng cách kết nối các tế bào theo cách đấu nối tiếp và song song Cụ thể, dãy PV trong trường hợp này được tạo thành từ 6 tấm PV, cũng được kết nối theo hai cách này Mục tiêu của các cấu hình này là đạt được điện áp và công suất đầu ra phù hợp với nhu cầu sử dụng.
Khi các tế bào được kết nối theo kiểu nối tiếp, tổng điện áp đầu ra sẽ là tổng của điện áp từ từng tế bào riêng lẻ, trong khi dòng điện đầu ra giữ nguyên bằng dòng điện của một tế bào đơn Ngược lại, khi các tế bào được kết nối song song, tổng dòng điện đầu ra là tổng các dòng từ từng tế bào riêng lẻ, dẫn đến việc tăng dòng điện ra, trong khi điện áp đầu ra vẫn không đổi và bằng điện thế của một tế bào đơn.
Hình 2.7 Tế bào, tấm và dãy pin PV
2.2.3 Các loại tế bào quang điện
Hiện nay, có nhiều loại tế bào pin mặt trời (PV) với sự khác biệt chủ yếu là vật liệu chế tạo Hiệu suất của pin mặt trời thường phụ thuộc vào loại vật liệu sử dụng trong sản xuất tế bào Trong số các vật liệu, silicon (Si) là loại phổ biến nhất Hiện tại, có bốn loại tế bào pin mặt trời chính trên thị trường.
PV dựa trên Si có sẵn trong thương mại và có thể được sử dụng cho nhiều ứng dụng bao gồm:
PV Si đơn tinh thể được sản xuất từ tinh thể lỏng tinh khiết, cho ra các tế bào với hiệu suất từ 13-17% Loại tế bào này được xem là hiệu quả nhất trong ba loại tế bào tinh thể chính, mặc dù giá thành của chúng cũng cao nhất hiện nay.
PV Si đa tinh thể được sản xuất bằng cách sử dụng quy trình đúc tương tự như tế bào mono-tinh thể, nhưng tạo ra cấu trúc đa tinh thể khi làm mát Hiệu suất của các tế bào này dao động từ 11-15%, và lớp chống phản xạ tạo ra màu xanh đặc trưng cho chúng.
PV Silic vô định hình là loại tế bào gốc không chứa tinh thể Si, yêu cầu ít nguyên liệu trong quá trình sản xuất Các tế bào này thường được sử dụng cho các mục đích nhỏ và có hiệu suất tương đối thấp, dao động từ 6-8%.
Tế bào quang điện hybrid sử dụng hai công nghệ khác nhau, kết hợp tế bào đơn tinh thể với lớp silicon vô định hình Mặc dù chi phí sản xuất cao, loại tế bào này hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ cao và đạt hiệu suất lên tới 18%.
Các ứng dụng chủ yếu của PV
Việc áp dụng pin năng lượng mặt trời đã diễn ra trong nhiều năm, với những tiến bộ mới trong sản xuất pin được ứng dụng vào chế tạo các thiết bị tương thích với hầu hết các hệ thống lắp đặt trên toàn cầu.
Vật liệu mới cho tế bào quang điện (PV) đã được giới thiệu gần đây, cùng với các kỹ thuật tiên tiến nhằm nâng cao hiệu quả hệ thống PV Hiện nay, các hệ thống PV được lắp đặt trên mái nhà, trong các tòa nhà, và tại các trang trại năng lượng mặt trời kết nối lưới Ngoài ra, chúng còn được sử dụng trong các ứng dụng độc lập như đèn đường, nhà ở, buồng điện thoại, trạm sạc điện thoại di động, và các thiết bị nhỏ như quạt năng lượng mặt trời, đèn pin mặt trời, sạc pin và máy tính Với những cải tiến công nghệ trong tương lai, các ứng dụng của hệ thống PV có thể mở rộng đến các trang trại pin mặt trời trên mặt nước, xe không gian, ô tô và máy bay không người lái.
Bóng che một phần và các ảnh hưởng
Bóng che một phần (Partial Shading Conditions - PSC) xảy ra khi ánh sáng mặt trời không chiếu sáng đều trên các tấm pin và tế bào quang điện, dẫn đến sự bất ổn và đặc tính I-V, P-V phức tạp Hiện tượng này thường xảy ra do các yếu tố như cây cối, mây, nhà cửa, phân chim, bụi, lá, nước, và góc độ nghiêng của tấm pin mặt trời Mặc dù bóng che hoàn toàn cũng gây ra vấn đề tương tự cho hệ thống PV, nhưng bóng che một phần thường được chú ý hơn do ảnh hưởng không đồng đều của bức xạ mặt trời lên các tấm pin.
Bóng mờ từng phần trong hệ thống PV có thể được xác định bởi nhiều yếu tố, bao gồm cây cối, tòa nhà và đám mây gần đó Ngoài những nguyên nhân chính này, còn có các yếu tố khác như nhiệt độ, điều kiện thời tiết và mức độ cách ly cũng ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống năng lượng mặt trời.
Hình 2.9 Đồ thị mối tương quan P-V khi có hiện tượng bóng che
Các đặc tính P-V của tấm PV trong điều kiện bình thường được thể hiện trong Hình 2.6, tuy nhiên, Hình 2.9 cho thấy rằng các đặc tính này có thể bị ảnh hưởng bởi bóng che Đường cong P-V có nhiều đỉnh, dẫn đến sự xuất hiện của nhiều điểm công suất cực đại (MPP), trong đó có ba điểm được xác định Trong số đó, chỉ có một MPP toàn cục với giá trị cao nhất, còn lại là hai MPP địa phương.
Tình hình sử dụng pin NLMT hiện nay
Pin năng lượng mặt trời (NLMT) ngày càng được ưa chuộng nhờ vào tính thân thiện với môi trường, khả năng lắp đặt và vận hành dễ dàng, cũng như tính linh hoạt trong nhiều chế độ hoạt động khác nhau Sự phát triển của công nghệ này đã thu hút nhiều nhà sản xuất pin NLMT tham gia thị trường để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao Ngoài việc xây dựng các nhà máy, nhiều dự án điện mặt trời cũng đã được triển khai và đưa vào hoạt động cả trong và ngoài nước.
2.5.1 Tình hình sử dụng pin NLMT ngoài nước
Trên thế giới hiện đã xây dựng được các nhà máy NLMT công suất lớn Tiêu biểu có thể kể đến các dự án NLMT như sau:
2.5.1.1 Dự án Solar Star 579MW, California
Dự án Solar Star, với công suất 579MW, hiện là nhà máy năng lượng mặt trời lớn nhất thế giới, tọa lạc tại Kern và Los Angeles, California Nhà máy này có khả năng cung cấp điện cho 255.000 hộ dân xung quanh và được xây dựng trên diện tích 13 km vuông gần Rosamond Công trình bắt đầu xây dựng vào năm 2013 và chính thức đi vào hoạt động vào tháng 6 năm 2015 Để đạt được công suất lớn này, Solar Star đã sử dụng 1,7 triệu module pin năng lượng mặt trời được làm từ bán dẫn đơn tinh thể.
Công nghệ pin mặt trời của Solar Star đã giúp giảm 570,000 tấn khí thải CO2 mỗi năm, tương đương với lượng khí thải từ 108.000 chiếc xe hơi Nhà máy áp dụng công nghệ Oasis Power Plant do Sun Power phát triển, cho phép các tấm pin năng lượng mặt trời theo dõi ánh sáng mặt trời suốt cả ngày, nâng cao hiệu suất hoạt động.
Vào ngày 17 tháng 11, nhà máy điện mặt trời NLMT đã đạt công suất 25% Công ty BHE là chủ sở hữu của nhà máy này và đang bán lượng điện năng thu được cho Southern California Edison thông qua một hợp đồng dài hạn.
2.5.1.2 Desert Sunlight Solar Farm 550MW, California
Trang trại năng lượng mặt trời Desert Sunlight, có công suất 550 MW, tọa lạc tại hạt Riverside và Carrizo Plain, California, là kết quả của sự hợp tác giữa tập đoàn GE và Sumitomo Nhà máy này cung cấp năng lượng cho khoảng 160.000 hộ dân trong khu vực và giúp giảm thiểu gần 300.000 tấn khí CO2 thải ra môi trường mỗi năm, tương đương với lượng khí thải của 60.000 xe hơi.
Dự án năng lượng mặt trời được xây dựng và vận hành bởi First Solar, nhà cung cấp 8 triệu module pin năng lượng mặt trời công nghệ cadmium telluride Nhà máy có diện tích 15,4 km vuông và giai đoạn 1 được khởi công vào tháng 9 năm 2011 với công suất 300 MW.
MW Giai đoạn 2 hoàn thành năm 2015 với công suất 250 MW
2.5.1.3 Topaz Solar Farms 550 MW, California
Topaz Solar Farms là nhà máy điện năng lượng mặt trời có công suất 550 MW, tọa lạc tại San Luis Obispo County, California, với khả năng cung cấp năng lượng cho 160.000 căn hộ Dự án trị giá 2.5 tỷ USD, thuộc sở hữu của BHE Renewables, giúp giảm thiểu 377.000 tấn CO2 mỗi năm.
18 đương với khí thải của 73.000 chiếc xe hơi Dự án tiêu tốn 9 triệu panel pin mặt trời, chúng được đặt nghiên 25 0 để tối ưu NLMT
Nhà máy được xây dựng từ năm 2011 và hoàn thành vào năm 2014, chiếm diện tích 24.6 km vuông Điện năng sản xuất được cung cấp cho công ty Pacific Gas and Electric thông qua hợp đồng dài hạn 25 năm.
Hình 2.12 Topaz Solar Farms 550 MW, California
2.5.1.4 Longyangxia Dam Solar Park 530 MW, Qinghai
Hình 2.13 Longyangxia Dam Solar Park 530 MW, Qinghai
Công viên năng lượng mặt trời Longyangxia Dam, nằm gần nhà máy thủy điện Longyangxia Dam trên lưu vực sông Hoàng Hà, Trung Quốc, được hoàn thành vào năm 1992 Dự án này trải rộng trên diện tích 9,6 km² và là một phần của nhà máy hỗn hợp thủy điện và năng lượng mặt trời lớn nhất thế giới China Power Investment đã bắt đầu xây dựng công viên vào tháng 3 năm 2013 và hoàn thành chỉ trong 9 tháng, với công suất thiết kế đạt 320 MW.
Giai đoạn 2 của dự án được khởi công vào tháng 8 năm 2015 và hoàn thành trong cùng năm với công suất thiết kế đạt 530 MW Nhờ vào kết quả này, dự án đã góp phần giảm thiểu 795.000 tấn khí CO2 phát thải ra môi trường hàng năm.
Qua các dự án NLMT tiêu biểu được đầu tư xây dựng trên thế giới đã được khảo sát, có thể rút ra một số nhận xét như sau:
Đã có nhiều dự án NLMT công suất lớn được xây dựng và đưa vào vận hành đạt hiệu quả cao
Quy mô các nhà máy NLMT ngày càng lớn cùng với sự phát triển nhanh chóng các phương pháp điều khiển tối ưu được nghiên cứu áp dụng
Nhà máy NLMT có khả năng thay thế một phần nguồn điện truyền thống chứng tỏ tỉ lệ thâm nhập của NLMT ngày càng tăng cao
2.5.2 Tình hình sử dụng pin NLMT ở trong nước
Sự phát triển nhanh chóng của năng lượng mặt trời (NLMT) trên toàn cầu cũng đang diễn ra tại Việt Nam, nhờ vào sự hỗ trợ về giá cả và cơ chế từ chính phủ cho năng lượng tái tạo Nhiều hệ thống NLMT đã được thi công và vận hành, cùng với việc phát triển rộng rãi các hệ thống NLMT cho hộ dân trên khắp cả nước Dưới đây là một số công trình tiêu biểu trong lĩnh vực này.
2.5.2.1 Nhà máy điện mặt trời Thiên Tân
Vào ngày 29/8/2015, dự án Nhà máy quang điện mặt trời Thiên Tân chính thức được khởi công bởi Công ty Cổ phần Đầu tư và Xây dựng Thiên Tân, với công suất 19,2 MW và tổng mức đầu tư 800 tỉ đồng Nhà máy được xây dựng trên diện tích 24 ha tại thôn Đạm Thủy, xã Đức Minh, huyện Mộ Đức, tỉnh Quảng Ngãi, sử dụng nguồn vốn vay trong và ngoài nước Công ty TNHH Full Advantage đảm nhận vai trò tư vấn cho dự án này.
Nhà máy quang điện mặt trời Thiên Tân áp dụng công nghệ hiện đại và thiết bị hiệu suất cao, với tuổi thọ dự kiến trên 25 năm Công suất lắp đặt đạt 19,2 MW, cung cấp hơn 28 triệu kWh điện cho hệ thống điện quốc gia mỗi năm Ngoài ra, nhà máy còn tạo ra hàng chục việc làm cho người dân địa phương, đặc biệt là tại huyện Mộ Đức.
2.5.2.2 Nhà máy quang năng An Hội
Dự án thí điểm điện mặt trời tại Côn Đảo được khởi công vào giữa tháng 3/2014 và hoàn thành vào đầu tháng 12/2014, với tổng mức đầu tư khoảng 140 nghìn Euro từ Chính phủ Tây Ban Nha Từ ngày 24/11 đến 04/12/2014, Công ty Trama TecnoAmbienta SL và Công ty Điện lực Bà Rịa - Vũng Tàu đã lắp đặt Nhà máy điện mặt trời Côn Đảo tại khuôn viên Nhà máy điện An Hội, kết nối thành công vào lưới điện hạ thế Dự án chính thức đi vào hoạt động từ ngày 5/12/2014.
Hình 2.14 Pin NLMT tại Nháy máy điện mặt trời Côn Đảo
Dự án năng lượng mặt trời có công suất đỉnh 36 kW, sản lượng điện ước tính hàng năm trên 50 MWh, bao gồm 7 giàn tấm quang điện và 2 bộ biến đổi Ingeteam Hệ thống được giám sát và theo dõi từ xa thông qua công nghệ truyền dữ liệu 3G Công ty Trama từ Tây Ban Nha chịu trách nhiệm thiết kế, mua sắm, giám sát thi công, lắp đặt và vận hành trong suốt 1 năm.
2.5.2.3 Dự án NLMT trên đảo Trường Sa
Hình 2.15 Năng lượng gió và mặt trời trên đảo Phan Vinh, Trường Sa
THUẬT TOÁN MPPT TRONG HỆ THỐNG PIN NLMT
Pin NLMT và phương trình toán của pin NLMT
Hiện nay, pin năng lượng mặt trời chủ yếu sử dụng loại bán dẫn silicon với tiếp xúc p-n Để thuận tiện cho việc tính toán và thiết kế, một mạch điện tương đương đã được phát triển để thay thế cho pin mặt trời.
Mạch điện tương đương của pin mặt trời bao gồm các thành phần chính như dòng quang điện Iph, điot, điện trở dòng rò Rsh và điện trở nối tiếp Rs Trong mạch này, dòng điện ngõ ra được ký hiệu là I và điện áp ngõ ra là V.
3.1.1 Phương trình tương đương của pin NLMT
Dựa vào mạch điện tương đương của pin năng lượng mặt trời như trong Hình 3.1, một phương trình toán học đã được thiết lập để mô tả mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp đầu ra của pin năng lượng mặt trời.
Is: dòng bão hòa (A) q: điện tích của electron, q = 1,6x10-19 C k: hằng số Boltzmann’s, k =1,38x10-23 J/K
TC: 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…
3.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến pin NLMT
Dòng quang điện Iph phụ thuộc trực tiếp vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ của pin:
Isc: dòng ngắn mạch tại nhiệt độ tiêu chuẩn 250C (A) và bức xạ 1kW/m2
K1: hệ số dòng điện phụ thuộc vào nhiệt độ (A/0C)
Tc: Nhiệt độ vận hành của pin mặt trời (K)
TRef : Nhiệt độ tiêu chuẩn của pin mặt trời (K) λ: Bức xạ mặt trời (kW/m2)
Dòng bão hòa Is là dòng hạt tải điện không cơ bản được sinh ra từ kích thích nhiệt Khi nhiệt độ của pin mặt trời tăng, dòng bão hòa cũng tăng theo hàm mũ, điều này cho thấy mối liên hệ chặt chẽ giữa nhiệt độ và hiệu suất hoạt động của pin mặt trời.
IRS: Dòng điện ngược bão hòa tại nhiệt độ tiêu chuẩn (A)
Năng lượng lỗ trống trong chất bán dẫn là yếu tố quan trọng đối với pin mặt trời lý tưởng, trong đó điện trở dòng rò Rsh đạt giá trị vô hạn và điện trở tiếp xúc Rs bằng 0 Mạch điện tương đương của pin mặt trời được minh họa qua Hình 3.2.
Hình 3.2 Mô hình pin mặt trời lý tưởng Khi đó, biểu thức (0.1) có thể được mô tả như sau:
Và dòng bão hòa ngược tiêu chuẩn có thể được biểu diễn như sau:
3.1.3 Phương trình tương đương của bộ pin NLMT
Công suất của pin mặt trời thường khoảng 2 W với điện áp khoảng 0.5 V, do đó, các pin mặt trời được kết nối theo dạng nối tiếp và song song để tạo ra công suất và điện áp lớn hơn Mạch điện tương đương của mô đun pin mặt trời bao gồm Np nhánh song song và Ns pin nối tiếp.
Hình 3.3 Mô đun pin mặt trời
Mạch điện Hình 3.3 được miêu tả bởi biểu thức (3.6):
Pin mặt trời chuyển đổi một phần bức xạ mặt trời thành năng lượng điện, nhưng cũng tạo ra nhiệt do khả năng hấp thụ nhiệt của chúng Do đó, nhiệt độ vận hành của pin có thể cao hơn nhiệt độ môi trường Để đánh giá nhiệt độ của pin trong các điều kiện khác nhau, người ta sử dụng nhiệt độ vận hành bình thường (NOCT - Normal Operating Cell Temperature) Đặc tuyến I-V của pin tương ứng với từng mức bức xạ cụ thể được mô tả chi tiết.
Đặc tuyến I-V và P-V của pin mặt trời không chỉ thay đổi theo cường độ bức xạ mà còn bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ Mối tương quan giữa nhiệt độ và đặc tuyến I-V, P-V được thể hiện rõ qua các hình 3.6 và 3.7.
27 Hình 3.5 Đặc tuyến P-V với các bức xạ khác nhau
Hình 3.6 Đường đặc tuyến I-V tại S00W/m2 khi nhiệt độ pin thay đổi
Hình 3.7 Đường đặc tuyến P-V tại S00W/m2 khi nhiệt độ pin thay đổi
Vị trí của điểm MPP trên đường đặc tính không cố định và luôn thay đổi theo điều kiện bức xạ và nhiệt độ Vì vậy, cần thiết phải có một thuật toán để theo dõi điểm MPP, và thuật toán này đóng vai trò quan trọng nhất trong bộ điều khiển MPPT.
Các thuật toán xác định điểm công suất cực đại của pin mặt trời
Cấu trúc của hệ thống MPPT điều khiển theo điện áp tham chiếu được trình bày như Hình 3.8
3.2.1 Thuật toán nhiễu loạn và quan sát P&O
Trong thuật toán này, điện áp hoạt động của pin mặt trời (PMT) bị nhiễu bởi một gia số nhỏ ΔV, dẫn đến sự thay đổi công suất ΔP, như đã được trình bày trong các nghiên cứu của Sivagamasundari và Chaudhari [12]–[15].
Hình 3.9 mô tả nguyên lý hoạt động của thuật toán P&O, từ đó có thể suy ra cách thức hoạt động của thuật toán như sau:
− Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang di chuyển theo hướng 1 (ΔP < 0 và ΔV
< 0) thì cần tăng điện áp hoạt động lên để di chuyển điểm hoạt động tới điểm MPP
− Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang di chuyển theo hướng 2 (ΔP > 0 và ΔV
> 0) thì cần tăng điện áp hoạt động lên để di chuyển điểm hoạt động tới điểm MPP
− Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang di chuyển theo hướng 3 (ΔP > 0 và ΔV
< 0) thì cần giảm điện áp hoạt động để di chuyển điểm hoạt động tới điểm MPP
− Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang di chuyển theo hướng 4 (ΔP < 0 và ΔV
> 0) thì cần giảm điện áp hoạt động để di chuyển điểm hoạt động tới điểm MPP
Để xác định điểm MPP trong dàn PV, cấu trúc điều khiển MPPT được sử dụng, với một lưu đồ thuật toán được trình bày trong Hình 3.10.
− Bộ điều khiển MPPT sẽ đo các giá trị dòng điện I và điện áp V, sau đó tính toán độ sai lệch ∆P, ∆V và kiểm tra:
− Nếu ∆P ∆V > 0 thì tăng giá trị điện áp tham chiếu Vref
− Nếu ∆P ∆V < 0 thì giảm giá trị điện áp tham chiếu Vref
− Sau đó cập nhật các giá trị mới thay cho giá trị trước đó của V, P và tiến hành đo các thông số I, V cho chu kỳ làm việc tiếp theo
Hình 3.9 Đường đặc tính P-V và thuật toán P&O
Hình 3.10 Lưu đồ thuật toán P&O
3.2.2 Thuật toán điện dẫn gia tăng INC
Thuật toán INC dựa trên độ dốc của đường đặc tính P-V, với điểm MPP (Maximum Power Point) được xác định khi độ dốc của đường cong công suất bằng không Nghiên cứu [16]–[18] đã chứng minh tính hiệu quả của phương pháp này trong việc tối ưu hóa công suất.
− Độ dốc dương ở bên trái điểm MPP
− Độ dốc âm ở bên phải điểm MPP Đặc tính P-V và thuật toán INC được minh hoạ trên Hình 3.11
− dP/dV > 0, ở bên trái MPP
− dP/dV < 0, ở bên phải MPP dP / dV=d(IV) / dV=I+V(dI / dV)≈I+V(ΔI /ΔV) nên ta có thể viết lại là :
Lưu đồ thuật toán trong Hình 3.12 mô tả hoạt động của thuật toán INC điều khiển theo điện áp tham chiếu Thuật toán này đo các giá trị dòng điện và điện áp của hệ thống PV, sau đó sử dụng các giá trị tức thời và giá trị trước đó để tính toán các giá trị gia tăng của ∆I và ∆V Cuối cùng, thuật toán kiểm tra điều kiện của phương trình được trình bày trong Hình 3.12.
Hình 3.12 Lưu đồ thuật toán INC
− Nếu điểm hoạt động nằm phía bên trái điểm MPP thì chúng ta phải di chuyển nó sang bên phải bằng cách tăng điện áp của PMT
− Nếu điểm hoạt động nằm bên phải điểm MPP thì chúng ta lại phải di chuyển nó sang bên trái tức là phải giảm điện áp PMT
− Khi điều kiện ∆I/∆V = -I/V được thỏa mãn (chính là các điểm MPP) thì thuật toán này sẽ bỏ qua việc điều chỉnh điện áp
Một trong những kiểm tra quan trọng của thuật toán này là xác định điều kiện môi trường Nếu điểm hoạt động duy trì tại điểm MPP (với điều kiện ΔV= 0) và bức xạ không thay đổi (ΔI = 0), thì không cần điều chỉnh điện áp hoạt động Khi bức xạ tăng (ΔI > 0), điện áp MPP sẽ giảm, do đó thuật toán INC cần tăng điện áp hoạt động để theo dõi điểm MPP Ngược lại, khi bức xạ giảm (ΔI < 0), điện áp MPP sẽ cao hơn, yêu cầu giảm điện áp hoạt động để tiếp tục theo dõi điểm MPP Cuối chu kỳ, thuật toán sẽ cập nhật lịch sử bằng cách lưu trữ các giá trị điện áp và dòng điện hiện tại, sử dụng chúng làm giá trị tham chiếu cho chu kỳ tiếp theo.
Thuật toán MPPT trong điều kiện bị bóng che một phần
3.3.1 Vận hành của các tấm pin trong trường hợp bị bóng che
Do điện áp và công suất thấp, các tế bào quang điện (PV) thường được kết nối thành chuỗi, tạo thành các mô đun PV, là thành phần cơ bản của hệ thống điện mặt trời Các mô đun PV này có thể được kết nối tiếp hoặc song song để nâng cao điện áp và công suất của toàn bộ hệ thống, hình thành nên một mảng PV.
Bóng một phần xảy ra khi các ô PV trong mô-đun hoặc trong mảng PV không nhận được mức chiếu xạ đồng nhất, dẫn đến tình trạng hoạt động không đồng đều Khi các ô PV được kết nối nối tiếp, sự khác biệt về mức chiếu xạ có thể gây ra tổn thất hiệu suất, vì các ô nhận được chiếu xạ thấp hơn sẽ tạo ra dòng điện yếu hơn Nếu dòng điện của bộ tạo công suất PV cao hơn dòng của ô bị giảm mức chiếu xạ, điều này có thể ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất tổng thể của hệ thống PV.
Khi các ô PV bị phân cực ngược do ảnh hưởng từ các ô khác trong kết nối nối tiếp, ô bị giảm mức chiếu xạ sẽ hoạt động như một phụ tải, làm tiêu tán một phần năng lượng được tạo ra bởi các ô khác Điều này dẫn đến tổn thất điện năng và có thể gây ra sự nóng lên tại các "điểm nóng" trong tế bào bị bóng che, từ đó có khả năng làm hỏng tế bào PV.
Trong điều kiện bóng một phần, các đặc tính của hệ thống PV trở nên phức tạp với sự xuất hiện của nhiều đỉnh trên đường cong P-V, làm cho việc theo dõi điểm công suất tối đa (MPP) trở nên khó khăn hơn do sự hiện diện của các đỉnh địa phương và toàn cầu Các thuật toán MPPT thông thường hoạt động hiệu quả trong việc phát hiện MPP của mảng PV khi có ánh sáng chiếu đều, nhưng dưới bóng che một phần, chúng có thể chỉ đạt được MPP cục bộ thay vì MPP toàn cục, dẫn đến việc sử dụng không hiệu quả mảng PV.
3.3.2 Các nghiên cứu về MPPT trong điều kiện bóng che một phần
Noguchi [25] đã đề xuất một thuật toán mới để theo dõi điểm công suất tối đa (MPP) trong điều kiện bóng mờ một phần Kỹ thuật này sử dụng một mạch bổ sung để quét đường cong PV và tạo ra "xung dòng ngắn" nhằm xác định dòng hoạt động tối ưu, từ đó đạt được công suất đầu ra tối đa Dòng điện hoạt động tối ưu tỷ lệ chính xác với "xung dòng ngắn" trong các điều kiện chiếu xạ và nhiệt độ khác nhau, với tham số "r" đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.
Ahmed và Miyatake đã phát triển một thuật toán tìm kiếm Fibonacci cải tiến nhằm tạo ra một hệ thống điều khiển đơn giản để theo dõi điểm công suất tối đa thực trong điều kiện cách ly không đồng nhất Trong đó, biến x đại diện cho điện áp (hoặc dòng điện) của mảng PV, và hàm f(x) thể hiện công suất đầu ra Thuật toán còn bao gồm một chức năng khởi tạo để thiết lập điều kiện tìm kiếm khi phát hiện sự thay đổi đột ngột hoặc một phần cách ly, từ đó thực hiện tìm kiếm rộng nhằm đạt được công suất tối đa thực sự.
Nguyen và Low [27] đã giới thiệu một thuật toán MPPT mới nhằm theo dõi đỉnh toàn cầu của mô-đun năng lượng mặt trời bị che bóng một phần Thuật toán này thực hiện việc tìm kiếm đỉnh toàn cầu trên đường cong P-V bằng phương pháp hình chữ nhật chia hai chế độ Khi xác định được đỉnh toàn cầu, phương thức kích hoạt P & O được sử dụng để duy trì điểm vận hành tại vị trí tối ưu này.
Mishima và Ohqueri đã phát triển một hệ thống điều khiển công suất đầu ra cho mảng PV, giúp cải thiện hiệu quả và đơn giản hóa việc bù công suất so với việc điều khiển từng mô đun riêng lẻ Hệ thống này sử dụng điện áp phân cực cho chuỗi PV bị bóng che để tối ưu hóa công suất tại cùng một điện áp hoạt động Tuy nhiên, nếu nhiều chuỗi PV gặp bóng che với mức độ khác nhau, cần điều chỉnh điện áp phân cực riêng cho từng chuỗi, làm cho phương pháp này không khả thi trong trường hợp bóng che phức tạp Miyatake đã đề xuất một thuật toán tìm kiếm kết hợp với chuỗi Fibonacci để xác định MPP toàn cầu cho mảng PV bị bóng che, nhưng phương pháp này không đảm bảo theo dõi MPP toàn cầu trong mọi điều kiện Để khắc phục, Kobayashi đã giới thiệu quy trình kiểm soát MPPT hai giai đoạn, trong đó giai đoạn đầu tiên xác định đường tải dựa trên điện áp mạch hở và dòng điện ngắn mạch, nhưng nếu MPP toàn cầu nằm bên trái đường tải, điểm vận hành có thể không đạt được đỉnh toàn cầu.
Swathy và Archana đã phát triển một thuật toán độ dẫn tăng dần cải tiến nhằm theo dõi đỉnh MPP toàn cầu, kết hợp giữa thuật toán độ dẫn tăng dần và kỹ thuật tối ưu hóa bầy đàn (PSO) PSO được khởi tạo bằng cách xác định vị trí hạt dựa trên tỉ số điều chế D của bộ biến đổi tăng áp Các giá trị điện áp và dòng điện được đo trực tiếp, từ đó công suất được tính toán dựa trên các giá trị này Sử dụng giá trị công suất, các giá trị liên quan được xác định.
Pbest và Gbest được cập nhật bằng cách so sánh công suất mới với công suất trước đó Dựa trên các giá trị này, tỉ số điều chế cũng được điều chỉnh Khi đạt đến số lần lặp tối đa, thuật toán sẽ dừng lại và giải pháp Gbest sẽ trở thành đầu ra cuối cùng.
Các số ngẫu nhiên trong thuật toán PSO thông thường có thể làm giảm hiệu quả tìm kiếm, đặc biệt khi giá trị thấp của số ngẫu nhiên được nhân với thông tin hiện tại của biến điều khiển như điện áp, dòng điện hoặc chu kỳ nhiệm vụ, dẫn đến chỉ một thay đổi nhỏ trong vận tốc của phương trình PSO Sự nhiễu loạn nhỏ này có thể không đủ để đưa điểm vận hành đến gần giá trị mong muốn, khiến các lần lặp tiếp theo cần phải thực hiện mà không đảm bảo rằng số ngẫu nhiên trong các lần lặp này sẽ theo dõi MPP toàn cầu Để khắc phục vấn đề này, Ishaque và Salam đã đề xuất
Kỹ thuật tối ưu hóa bầy đàn xác định (DPSO) đã được đề xuất nhằm nâng cao khả năng theo dõi điểm công suất tối đa (MPP) cho các hệ thống năng lượng mặt trời (PV) trong điều kiện bóng râm một phần Phương pháp này loại bỏ yếu tố ngẫu nhiên trong hệ số gia tốc của phương trình vận tốc PSO thông thường, đồng thời giới hạn sự thay đổi tối đa về vận tốc ở một giá trị cụ thể dựa trên các đặc tính của hệ thống PV trong điều kiện bóng che.
Shankar and Mukherjee proposed a Hybrid Particle Swarm Optimization Algorithm (HPSO) that combines Continuous Genetic Algorithm (CGA) and Particle Swarm Optimization (PSO) techniques to effectively track the global peak of partially shaded photovoltaic (PV) arrays.
Karatepe đã đề xuất một chiến lược bù công suất nhằm khắc phục vấn đề che bóng một phần và cải thiện hiệu suất công suất Hệ thống này sử dụng một bộ chopper cho mỗi chuỗi ngược với mô đun PV Các mô-đun bị bóng che sẽ bị vô hiệu hóa thông qua việc chuyển tiếp phân cực một diode bỏ qua tương ứng với mức độ bóng che Điện áp phân cực cho mỗi mô-đun PV bị bóng che được xác định dựa trên số lượng mô-đun cần phải hủy kích hoạt.
Trong mỗi chuỗi, có 37 mô-đun, và đặc biệt, số lượng mô-đun bóng mờ bị vô hiệu hóa được xác định bằng cách theo dõi và so sánh điện áp hoạt động của từng mô-đun PV.
Phương pháp điều khiển MPPT được đề xuất
3.4.1 Phân tích các đường cong đặc trưng trong điều kiện PSC
Các tấm pin mặt trời thường được sản xuất đồng nhất về kích thước và thông số từ các nhà sản xuất Khi nhận cùng một nguồn bức xạ mặt trời, các thông số dòng điện và điện áp của các tấm này sẽ giống nhau, như thể hiện trong Hình 3.13a Do đó, trong điều kiện môi trường bên ngoài đồng nhất, thuật toán MPPT thông thường có thể hoạt động hiệu quả.
Để đạt được điểm công suất cực đại một cách nhanh chóng và chính xác, điện áp trên các tấm pin cần được đồng bộ hóa, di chuyển theo mô tả trong Hình 3.14(a).
Hình 3.14 Sơ đồ dòng điện trong các tấm pin mặt trời
Một số tấm pin mặt trời có thể nhận được cường độ bức xạ mặt trời thấp hơn do bụi bám bề mặt và mây che, dẫn đến sự khác biệt về đặc tính dòng điện và điện áp so với các tấm pin khác Sự khác biệt này được thể hiện rõ trong phân tích trạng thái làm việc của các tấm pin, như minh họa trong các hình 3.14 và 3.15.
Khi xảy ra hiện tượng bóng che, với hai nguồn bức xạ mặt trời khác nhau chiếu lên các tấm pin, các thuật toán MPPT thông thường sẽ tìm kiếm điểm cực đại trên cùng một đường cong công suất Trong tình huống này, có hai trường hợp có thể xảy ra.
Khi điểm làm việc hiện tại có điện áp nhỏ hơn giá trị V1, thuật toán MPPT sẽ điều chỉnh điểm làm việc về điện áp V mppt 1 Trong tình huống này, dòng điện chạy qua tấm pin mặt trời PV4 thấp hơn các tấm pin khác, dẫn đến việc diode mắc song song với PV4 được kích dẫn và dẫn phần dòng điện chênh lệch Hệ thống điện áp trên tấm pin PV4 sẽ có giá trị âm, tương đương với điện áp phân cực thuận của diode, trong khi điện áp trên các tấm pin còn lại sẽ bằng nhau và khác 0 Điều này tạo ra hai mức điện áp khác nhau trong hệ thống, với các tấm pin có cùng mức bức xạ mặt trời có giá trị điện áp bằng nhau.
Trong trường hợp điểm làm việc hiện tại có điện áp lớn hơn giá trị V1, dòng điện chạy trong các tấm pin mặt trời sẽ bằng nhau và các diode sẽ bị ngắt dẫn Điện áp trên tấm pin PV4 sẽ cao hơn 0 nhưng thấp hơn các tấm pin khác do cường độ bức xạ mặt trời chiếu vào nó thấp hơn Các tấm pin còn lại sẽ có điện áp bằng nhau và lớn hơn điện áp của tấm pin PV4 Do đó, điện áp trên các tấm pin được chia thành hai mức khác nhau, với các tấm pin có cùng mức bức xạ mặt trời có giá trị điện áp bằng nhau Các mức điện áp này không âm và phụ thuộc vào cường độ bức xạ mặt trời.
− Các tấm pin có cùng mức bức xạ mặt trời thì có cùng giá trị điện áp ngõ ra
Điện áp của các tấm pin mặt trời được phân chia thành nhiều nhóm dựa trên các mức bức xạ khác nhau mà chúng nhận được Mỗi mức bức xạ tương ứng với một nhóm điện áp riêng biệt.
Trong quá trình bị bóng che, điểm công suất cực đại bên phải thể hiện sự phân chia rõ ràng nhất, nhờ vào việc tại điểm này, tất cả các yếu tố đều được tối ưu hóa.
Khi 40 tấm pin hoạt động, điện áp trên mỗi tấm đều khác 0 Hơn nữa, với nhiều mức bức xạ mặt trời khác nhau, sẽ có tương ứng nhiều nhóm điện áp trên toàn bộ hệ thống tấm pin.
Hình 3.15 Sự thay đổi thông số dòng áp trên các tấm pin theo điện áp làm việc
3.4.2 Phương pháp bộ điều khiển MPPT cải tiến
Hình 3.16 minh họa lưu đồ của thuật toán MPPT cải tiến nhằm theo dõi GMPP trong điều kiện bóng che một phần Thuật toán bắt đầu với giá trị điện áp tham chiếu (V ref) được thiết lập ở mức 85% điện áp hở mạch V oc Trong điều kiện bức xạ mặt trời đồng nhất, chỉ có một đỉnh trong đường cong P-V, cho phép các phương pháp MPPT truyền thống như P & O hoạt động hiệu quả Khi bóng che xảy ra, thuật toán vẫn duy trì hoạt động tại GMPP bằng cách liên tục thực hiện phương pháp P & O Khi tìm thấy một MPP, thông tin về công suất và điện áp của dãy PV sẽ được lưu trữ để sử dụng sau này.
Khi điện áp của mô đun PV vượt quá một điện áp khác tại cùng một điểm (V i > V j), điều này cho thấy đã xảy ra hiện tượng bóng che một phần (khối 5) Sự sai số tuyệt đối giữa các điện áp này là yếu tố quan trọng cần xem xét.
Khi điện áp vượt quá một hằng số đã được xác định trước, nhằm loại bỏ sự xáo trộn của mẫu và những khác biệt nhỏ do thay đổi nhẹ, "Chương trình chính" sẽ được kích hoạt.
Chương trình con theo GMPP cho khối 6 xác định GMPP thực sự và chuyển quyền kiểm soát sang chương trình chính, đồng thời duy trì hoạt động tại GMPP mới.
3.4.3 Giải thuật xác định điểm GMPP được đề xuất
Khi xảy ra hiện tượng bóng che, nếu điểm MPP mới thu được qua thuật toán P&O có điện áp của bất kỳ tấm pin nào bằng 0, thì điểm MPP này sẽ nằm bên trái trong hai điểm MPP của đường cong đặc tuyến P-V Mạch giải thuật MPPT có nhiệm vụ tìm giá trị công suất của điểm MPP còn lại và so sánh với giá trị thu được để xác định điểm GMPP.
Giải thuật GMPP được đề xuất trong Hình 3.17 có nguyên tắc hoạt động như trình bày ở trên Giải thuật này được thực hiện qua các bước như sau:
Để xác định vị trí điểm MPP sau khi xảy ra hiện tượng bóng che, cần áp dụng thuật toán P&O truyền thống Việc này được thực hiện bằng cách kiểm tra sự xuất hiện của bóng che bên trái hoặc bên phải của đường cong đặc tuyến P-V, đồng thời xác định xem có tấm pin mặt trời nào có điện áp hai đầu bằng hay không.
Khi số mức bức xạ mặt trời nhiều hơn hai
Hình 3.18 Sơ đồ các tấm pin PV được chiều nhiều bức xạ khác nhau
Khi các tấm pin năng lượng mặt trời (PV) nhận được các mức bức xạ mặt trời khác nhau, chúng sẽ tạo thành các nhóm pin với điện áp khác nhau Ví dụ, trong Hình 3.18, bốn tấm pin PV được chiếu sáng bởi bốn mức bức xạ khác nhau.
Các mức bức xạ này sẽ tạo ra các mức dòng điện và điện áp khác nhau tương ứng với các điện áp làm việc khác nhau
Hình 3.19 Dạng sóng điện áp và dòng điện khi có bốn bức xạ khác nhau
Hình 3.19 minh họa các thông số điện áp trên các tấm pin mặt trời tại ngõ ra, dựa trên điện áp làm việc của hệ thống pin như thể hiện trong Hình 3.18 Các phân tích tương tự cũng áp dụng cho hai mức bức xạ khác nhau Điểm MPP cuối cùng bên phải, với mức điện áp V mppt ', cho thấy rằng các tấm pin mặt trời sẽ có các mức điện áp khác nhau và khác không Điều này có nghĩa là số nhóm điện áp trên các tấm pin tương ứng với số lượng bức xạ khác nhau chiếu lên hệ thống pin, từ đó cần xác định số điểm MPP tương ứng.
Trong trường hợp có hơn hai mức bức xạ khác nhau chiếu vào các tấm pin mặt trời, lưu đồ xác định điểm GMPP sẽ được điều chỉnh như trong Hình 3.20 Lưu đồ này được xây dựng dựa trên các bước thực hiện cụ thể.
Kiểm tra xem vị trí MPP hiện tại có phải là vị trí cuối cùng bên phải hay không Nếu vẫn còn tấm pin nào có giá trị điện áp nhỏ hơn không, cần thực hiện các bước tiếp theo.
Khi tấm pin bị ngắn mạch, điểm MPP hiện tại không phải là điểm MPP bên phải (khối 1) Do đó, việc phân chia các tấm pin thành các mức điện áp khác nhau có thể không chính xác, vì nhiều tấm pin khác nhau cũng có thể gặp tình trạng ngắn mạch như thể hiện trong Hình 3.19.
Nếu chưa phải là điểm MPP nằm tận cùng bên trái thì phải đưa điểm hoạt động của hệ thống pin về làm việc tại điểm này
Nếu điểm MPP hiện nằm bên phải thì khi đó sẽ bỏ qua bước xác định MPP nằm bên trái
Bước 2 trong quy trình tối ưu hóa điểm công suất tối đa (MPPT) yêu cầu đưa điểm hoạt động về điểm MPP nằm tận cùng bên phải của đường cong đặc tuyến Điều này cần thực hiện khi điểm MPP thu được không phải là điểm tận cùng bên phải sau hiện tượng bóng che Để xác định điểm này, điện áp tham chiếu được chọn là V ref = 0.85 * V oc Sau khi áp dụng giải thuật MPPT P&O thông thường, điểm MPP sẽ được xác định chính xác Kết quả là, sau bước 2, điểm làm việc của hệ thống pin sẽ được điều chỉnh về điểm MPP tận cùng bên phải.
Bước 3 là xác định số lượng các loại bức xạ và số lượng tấm pin tương ứng với từng loại Điện áp đo được tại hai đầu các tấm pin sẽ được gửi về bộ điều khiển và phân thành q mức khác nhau, từ thấp đến cao, được ký hiệu là G1, G2, , Gq Tương ứng với mỗi nhóm bức xạ này, sẽ tính toán số lượng tấm pin trong từng nhóm với các giá trị M1, M2, , Mq tương ứng với các mức điện áp G1, G2, , Gq.
Bước 4: Xác định giá trị điện áp và công suất tương ứng với q đỉnh MPP Trong bước này, cần dựa vào số lượng các mức bức xạ mặt trời q đã xác định ở bước trước để thực hiện việc tính toán chính xác.
Trong quá trình xác định các điểm công suất tối đa (MPP), sẽ có một số đỉnh công suất cực đại tương ứng Các điểm MPP được xác định theo thứ tự từ phải sang trái, bắt đầu từ khối 7, với giá trị điện áp tham chiếu V ref được thực hiện.
Công thức 48 được sử dụng để xác định giá trị tham chiếu trong đường cong chứa đỉnh MPP cần tìm, cụ thể là 1 NM 1 /N * V oc (khối 8) Sau khi xác định giá trị này, thuật toán P&O sẽ được áp dụng để tiến về điểm MPP (khối 9 và 10) Quá trình này sẽ tiếp tục cho đến khi tất cả các đỉnh MPP còn lại được tìm thấy bằng cách tăng giá trị biến j lên.
1 j q thì bước lặp này kết thúc (khối 11)
6 Divides all PV modules into q groups (G1
