Xem mẫu
- NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
Nghiên cứu và phát triển mô hình vật lý của pin mặt trời
Research and development for the photovoltaic emulator
1 1 2
Lưu Thị Huế , Vũ Hoàng Giang , Phạm Đức Khẩn
Email: phamduckhan@gmail.com
1
Trường Đại học Điện lực Hà Nội
2
Trường Đại học Sao Đỏ
Ngày nhận bài: 4/9/2018
Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 26/12/2018
Ngày chấp nhận đăng: 27/12/2018
Tóm tắt
Nghiên cứu khảo sát hoạt động của hệ thống năng lượng mặt trời đòi hỏi việc thực hiện nhiều thí
nghiệm khác nhau liên quan đến đặc tính của pin mặt trời trong các điều kiện môi trường khác nhau.
Hơn nữa, thí nghiệm ngoài trời khó khăn và chi phí cho hệ thống thí nghiệm thường lớn. Bài báo giới
thiệu kết quả nghiên cứu phát triển mô hình vật lý của pin mặt trời bằng cách kết hợp một cách hợp lý
các phần tử nguồn điện áp phụ thuộc, điôt và các điện trở. Mô hình tổng quát của pin mặt trời được mô
phỏng trên phần mềm Proteus để đánh giá sơ bộ về đặc tính của một pin mặt trời công nghiệp. Sau đó,
được thực hiện thí nghiệm với công suất bé. Kết quả thí nghiệm đã xác nhận tính khả thi, từ đó đề xuất
phát triển bộ mô phỏng vật lý với công suất lớn hơn nhằm phục vụ cho việc khảo sát hoạt động của các
môđun pin mặt trời công suất lớn.
Từ khóa: Bộ mô phỏng; cường độ bức xạ mặt trời; đặc tính của pin mặt trời; mô phỏng; phần
mềm Proteus.
Abstract
Investigation of photovoltaic (PV) system requires the implementation of various tests related to the PV
characteristic in the conditions that input factors including insolation and operating temperature vary.
Additionally, the difficulty of conducting outdoor tests and high-cost investment are usually the challenge
of installing the system. The paper introduces the development PV emulator by appropriately combining
dependent voltage source, diode and resistors. Generized model of PV is simulated in Proteus software
in order to obtain the characteristic of an industrial PV. Following that, the experiment with low-rated
emulator is carried out. Experiment results confirm the feasibility, and indicate the issues that need to be
solved for constructing larger emulator.
Keywords: Emulator; insolation; PV characteristic; simulation; proteus software.
1. GIỚI THIỆU CHUNG đầu tư, giảm chi phí vận hành... Về nguyên lý hoạt
Sự phát triển của công nghệ phát điện bằng năng động, công suất phát ra của nguồn điện mặt trời
lượng mặt trời đã trở nên khá phổ biến trên toàn phụ thuộc vào cường độ bức xạ mặt trời tại nơi
thế giới thể hiện ở sự gia tăng về số lượng và lắp đặt thường biến thiên và không ổn định theo
công suất phát của các hệ thống điện mặt trời. thời gian.
Ở Việt Nam, các dự án nguồn điện sản xuất từ
Để phục vụ cho nghiên cứu, khảo sát hệ thống pin
năng lượng tái tạo trong đó có năng lượng mặt
trời được khuyến khích phát triển và đã được đề mặt trời, nhiều bộ mô phỏng đã được xây dựng.
cập tới trong Quy hoạch điện VII (điều chỉnh) với Ưu điểm chính của các bộ mô phỏng là có thể
mục tiêu đạt công suất khoảng 12000 MW vào thay thế các tấm pin mặt trời thực tế trong nghiên
năm 2030 [1]. cứu học tập về lĩnh vực liên quan và vượt qua
Trong quá trình phát triển, công nghệ phát điện được hạn chế của hệ thống thí nghiệm với pin mặt
bằng năng lượng mặt trời gặp phải một số vấn trời thực bao gồm:
đề kỹ thuật cần cải thiện bao gồm yêu cầu nâng - Giá trị cường độ bức xạ mặt trời không phải luôn
cao hiệu suất của hệ thống, giảm thiểu giá thành
sẵn có ở mọi thời điểm.
Người phản biện: 1. PGS.TS. Trần Vệ Quốc - Cường độ bức xạ mặt trời phụ thuộc nhiều vào
2. TS. Nguyễn Trọng Các điều kiện thời tiết.
12 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(63).2018
- LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HÓA
- Thí nghiệm ngoài trời gặp nhiều khó khăn và Sơ đồ mạch điện của pin mặt trời được thể hiện
khó lặp lại thí nghiệm với cùng điều kiện khí hậu. trên hình 2 [8, 9].
- Chi phí trang bị và lắp đặt hệ thống pin mặt
trời thực.
Thực tế các bộ mô phỏng đã được thương
mại hóa thành sản phẩm hoàn chỉnh của nhiều
hãng trên thế giới như: N8937APV Photovoltaic
Array Simulator của Keysight technologies [2],
Hình 2. Sơ đồ mạch tương đương của pin mặt trời
SAS12010 Solar Array Simulator của Aplab
[3], hay Chroma’s 62000H-S series Solar Array
Trong đó thành phần chính của điện trở nối tiếp Rs
Simulator của Chroma [4]. Các bộ mô phỏng công
nghiệp thường được trang bị bộ điều khiển lập là điện trở của vật liệu bán dẫn, điện trở tiếp xúc,
trình cho phép mô phỏng được các đặc tính đầu và các điện trở khác trên đường truyền công suất.
ra vôn-ampe của pin mặt trời trong các điều kiện
nhiệt độ, cường độ bức xạ mặt trời khác nhau. I I
Nhược điểm chính của các bộ mô phỏng là có Chiều tăng Chiều giảm
chi phí cao và đôi khi hạn chế về mở rộng ứng của Rs của Rp
dụng. Vì vậy trong lĩnh vực nghiên cứu, sự phát
triển các bộ mô phỏng trong phòng thí nghiệm đã
thu hút được sự chú ý của nhiều nhà nghiên cứu.
Yêu cầu của các bộ mô phỏng là có thể điều chỉnh V V
được trong quá trình sử dụng, hơn nữa cần đáp
ứng các yêu cầu về gọn nhẹ và chi phí thấp [5-10]. Hình 3. Sự ảnh hưởng của điện trở đến đặc tính
Với mục tiêu phát triển hệ thống thí nghiệm cho vôn-ampe của pin mặt trời
các môđun pin mặt trời, nghiên cứu này thực
hiện tổng hợp và phân tích mô hình, mô phỏng Điện trở song song Rp là do sự không hoàn hảo
đối tượng trên phần mềm và thực hiện một số thí của tiếp giáp p-n của pin và phần lân cận [8]. Sự
nghiệm ở công suất thấp nhằm hướng đến việc dịch chuyển của đặc tính điển hình vôn-ampe (V-I)
xây dựng một mô hình vật lý có công suất phù hợp của PV theo các điện trở được thể hiện trên hình 3.
phục vụ cho nghiên cứu môđun pin mặt trời trong
Quan hệ đặc tính V-I của PV tương ứng với mô
phòng thí nghiệm.
hình tổng quát trên hình 1 được biểu diễn bởi
Bài báo được bố cục như sau. Mục 2 tổng hợp mô phương trình sau:
hình tổng quát của pin mặt trời. Tiếp theo, mục 3
I = I ph − I s e (
q V + IRs ) / ( kTC A )
giới thiệu kết quả mô phỏng pin mặt trời trên phần − 1 − (V + IRs ) / R p (1)
(1)
mềm Proteus. Quá trình xây dựng mô hình vật lý
công suất bé và các thử nghiệm đặc tính liên quan trong đó: Iph là dòng quang điện; Is là dòng điện tối
được trình bày trong mục 4. Cuối cùng các kết
bão hòa của tế bào quang điện (ứng với khi tế bào
luận và kiến nghị được đưa ra trong mục 5.
quang điện được che tối, không nhận được photon);
2.MÔ HÌNH CỦA PIN MẶT TRỜI q là điện tích của một electron, q = 1,6.10-19 C; k là
Mô hình nguyên lý cấu tạo của pin mặt trời như hằng số Boltzmann, k = 1,38.10-23 J/K; TC là nhiệt
trên hình 1 [10]. độ làm việc của PV; A là hằng số lý tưởng; Rp là
điện trở song song; Rs là điện trở nối tiếp trong sơ
đồ tương đương của PV. Biểu thức xác định dòng
điện quang điện và dòng điện bão hòa của tế bào
quang điện được giới thiệu chi tiết trong nhiều tài
liệu tham khảo, ví dụ xem [6, 7].
Trong ứng dụng thực tế, các pin mặt trời thường
được nối song song, nối tiếp để tạo thành môđun
hay dàn pin mặt trời để nâng cao công suất và đáp
ứng yêu cầu về giá trị của điện áp và dòng điện.
Khi đó mô hình của pin mặt trời có thể được thiết
lập có dạng tương tự phương trình (1) với hiệu
chỉnh số pin mặt trời nối song song (Np) và nối tiếp
Hình 1. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của pin mặt trời (Ns) như sau:
Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(63).2018 13
- NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
(2)
Mô hình của pin mặt trời ở hình 1 được lựa chọn
trong nghiên cứu vì có đặc điểm đơn giản nhưng
vẫn thể hiện được đặc tính I-V và P-V của pin mặt
trời. Thực tế cho thấy rất nhiều nghiên cứu đến
thời điểm hiện tại dựa vào mô hình này làm mô
hình cơ sở [7]. Nội dung tiếp theo của bài báo giới
thiệu trình tự thực hiện tiến tới xây dựng mô hình Hình 5. Các đường đặc tính V-I của pin mặt trời
vật lý sử dụng trong phòng thí nghiệm với các cường độ bức xạ khác nhau
3. MÔ PHỎNG PIN MẶT TRỜI TRÊN PHẦN Hình 5 thể hiện kết quả mô phỏng họ đặc tính của
MỀM PROTEUS PV (từ IPV1 đến IPV2) tương ứng với cường độ
bức xạ khác nhau.
Trước khi xây dựng mô hình vật lý của pin mặt
trời thì việc mô phỏng mô hình lựa chọn, và kiểm Từ kết quả mô phỏng đặc tính của pin mặt trời
tra các đặc tính của nó là rất cần thiết. Đây là cơ bằng phần mềm Proteus như là một bước chuẩn
sở để xây dựng mạch in, mạch thực cho mô hình. bị để thiết kế mô hình vật lý của pin bằng thực
Trong bài báo này tác giả sử dụng phần mềm nghiệm sẽ được trình bày trong mục 4.
Protues để mô phỏng. 4. MÔ HÌNH VẬT LÝ CỦA PIN MẶT TRỜI VÀ
Phần mềm Proteus miễn phí được sử dụng làm KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM
công cụ mô phỏng trong nghiên cứu này. Đây là 4.1. Giới thiệu mô hình vật lý
phần mềm dễ sử dụng, trực quan và rất thuận tiện
trong thiết kế ban đầu để chế tạo mạch in cho các Dựa vào sơ đồ trong hình 2, mô hình vật lý của
bộ mô phỏng. pin mặt trời được xây dựng trên cơ sở kết hợp
nguồn Iph và một điôt mắc song song. Thành phần
Sơ đồ mô phỏng của pin mặt trời được thể hiện
chính của dòng điện đầu ra là dòng quang điện,
trên hình 4, trong đó:
trong khi đó dòng qua điôt có giá trị nhỏ và có thể
Nguồn điện áp một chiều V18 kết hợp biến trở tạo ra nhờ đặc tính vốn có của điôt. Trong thực
RV4 để mô phỏng nguồn dòng điện Iph và điện trở tế, để tạo ra nguồn dòng điện thường gặp nhiều
song song Rp trong mô hình trên hình 2. Mô tả chi khó khăn hơn (do yêu cầu phải kết hợp nhiều linh
tiết của sự thay thế này được nêu trong mục 4.1. kiện điện tử công suất) so với nguồn điện áp phổ
biến (có thể sẵn có hoặc tạo ra được bằng một số
Ngoài ra trong sơ đồ sử dụng điôt D1, điện trở
linh kiện đơn giản). Mặt khác trên cơ sở lý thuyết
R54 mô phỏng cho Rs, và các điện trở từ R1 đến
mạch điện, nguồn dòng điện Iph mắc song song
R10 kết hợp với công tắc SW2 để thay đổi điểm
với điện trở Rp có thể thay thế tương đương bằng
làm việc V-I đầu ra của pin (dòng điện và điện áp
một nguồn áp Eph nối nối tiếp với điện trở Rp: Eph
được đo tương ứng bằng các khối ampe kế và
= Rp.Iph, như đã được minh họa trong mô phỏng
vôn kế một chiều).
ở mục 3.
Để xác nhận đặc tính của mô hình, thí nghiệm
được tiến hành với sơ đồ nối mạch đơn giản như
trên hình 6.
Hình 4. Sơ đồ mô phỏng pin mặt trời trên phần
mềm Proteus Hình 6. Sơ đồ nguyên lý mạch thí nghiệm
14 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(63).2018
- LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HÓA
trong đó: Rp = 217 W, Rs = 0,22 W, R1 =1027 W,
E = 12 V, R2 được thay đổi để tạo ra điện áp đầu (3)
ra thay đổi trong hai trường hợp: Eph = 24 V và Thông số thu được trong hai thí nghiệm như sau:
Eph = 18 V.
Eph = 24 V: A = 5,887; Is = 0,0006416 A;
4.2. Kết quả thí nghiệm
Eph = 18 V: A = 5,991; Is = 0,0005547 A.
Sơ đồ mạch thí nghiệm trên hình 7 được xây dựng
dựa vào sơ đồ nguyên lý ở hình 6. 4.3. Đề xuất nâng cao công suất của mô hình
Thí nghiệm ở mục 4.1 được tiến hành với công
suất bé trên cơ sở các linh kiện hiện có và điện
áp nguồn hạn chế. Mô hình mạch thu được có thể
dùng để mô phỏng cho một pin mặt trời điển hình.
Để nâng cao công suất của mô hình và đáp ứng
các yêu cầu trong thí nghiệm, bên cạnh việc sử
dụng các biến trở có công suất phù hợp, cần nâng
cao công suất của nguồn điện áp một chiều và
Hình 7. Sơ đồ mạch thí nghiệm điện áp của nguồn có thể điều khiển được. Mạch
tăng áp có sơ đồ như hình 9 đáp ứng được yêu
Tiến hành điều chỉnh điểm làm việc của pin bằng cầu trên.
thay đổi điện trở R2 với các tham số trong bảng
3 sẽ thu được kết quả là các đường đặc tính V-I, 1 16
R1
P-V của một bộ pin như hình 8. 2 15 Q1
R4
D1 D3 + C3
3 14
R2
4 TL494 13 R5
Ct 5 12 +
C4
D4
Rt 6 11 D2
Q2
7 10
- 8 9
12V C2 +
+
-
Hình 10. Sơ đồ nguyên lý mạch tăng áp
Trong sơ đồ hình 10, TL494 làm chức năng tạo
xung đóng cắt có thời gian chết để điều khiển
các van Q1 và Q2 đóng cắt. Do có thể điều khiển
Hình 8. Kết quả thí nghiệm đặc tính I-V (trái) và được thời gian đóng cắt của Q1 và Q2, vì vậy điện
P-V (phải) áp đầu ra được tăng lên và điều khiển được.
Công thức tính cho nguồn:
(4)
Vout điện áp đầu ra; Vin điện áp đầu vào; n2 cuộn
dây thứ cấp của máy biến áp xung; n1 cuộn dây sơ
cấp của máy biến áp xung; f tần số đóng cắt; TonQ1
thời gian mở van Q1; Ton,Q2 thời gian mở van Q2.
Hình 9. Đặc tính xấp xỉ của pin mặt trời
Để thay đổi điện áp đầu ra Vout bằng điều khiển độ
Có thể nhận thấy từ kết quả thực nghiệm hình rộng của xung PWM kích mở cho Q1 và Q2, chỉ
9 và kết quả mô phỏng hình 5 giống nhau các cần thay đổi điện áp đặt vào chân 3.
đặc tính tạo ra có dạng của đặc tính pin mặt trời
thường gặp. Hơn nữa việc đóng cắt liên tục hai van bán dẫn Q1
Áp dụng thuật toán tìm đường cong dựa vào dữ và Q2, vì vậy luôn xuất hiện dòng điện liên tục trên
liệu cho trước (“fitting curve”) của Matlab có thể tải, do đó nguồn cho hiệu suất cao. Hình 10 là kết
xác định được phương trình đặc tính có dạng: quả thử nghiệm mạch tăng áp.
Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(63).2018 15
- NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
5. KẾT LUẬN
Như vậy, bộ mô phỏng của pin mặt trời đã đáp
ứng được yêu cầu: tạo ra các đường đặc tính
giống với các đường đặc tính của các loại pin
thường gặp ở điều kiện môi trường bất kỳ. Mô
hình đơn giản dễ thực hiện, chi phí thấp. Trên cơ
sở thực hiện mô hình ở công suất thấp và kết quả
mô phỏng trên phần mềm ở công suất cao. Chính
là cơ sở để xây dựng mô hình với công suất cao
hơn phù hợp với môđun pin mặt trời công nghiệp.
Hình 11. Mạch tăng áp
Hình 11 minh họa giá trị đo của mạch tăng áp sử TÀI LIỆU THAM KHẢO
dụng mạch có điều khiển bằng điều biên độ rộng
[1]. http://www.evn.com.vn.
xung dùng TL494 của hãng Texas Instruments, [4]
để nâng điện áp từ 12 V lên khoảng 380 V. Ngoài [2]. Hoàng Dương Hùng (2014). Năng lượng mặt trời
ra các bộ biến đổi tăng áp DC-DC cũng có thể lý thuyết và ứng dụng. Nhà xuất bản ĐH Bách
được sử dụng để nâng điện áp nguồn nhưng đòi khoa Đà Nẵng.
hỏi thiết kế mạch và bộ điều khiển tương ứng.
[3]. H. Abidi, A.B.B. Abdelghani and D. & Montesinos-
Hình 12 và hình 13 là minh chứng sơ đồ và kết Miracle (2012). MPPT algorithm and photovoltaic
quả mô phỏng của một pin mặt trời công nghiệp array emulator using DC/DC converters. In 16th
có các thông số xem trong bảng 2 với nguồn vào
IEEE Mediterranean Electrotechnical Conference.
Vout được lấy từ đầu ra của bộ tăng áp.
[4]. R.G. Wandhare and V. & Agarwal (2011). A low cost,
light weight and accurate photovoltaic emulator. In
37th IEEE Photovoltaic Specialists Conference.
[5]. F.J. Viglus and M.M. & Casaro (2016). Photovoltaic
array emulation using a three-phase DC-DC
converter with galvanic isolation. In 12th IEEE
International Conference on Industry Applications.
[6]. Ö. Özden, Y. Duru, S. Zengin and M. &
Boztepe (2016). Design and implementation of
programmable PV simulator. In International
Symposium on Fundamentals of Electrical
Engineering.
[7]. E. Golubovic, A. Sabanovic and B.C. &
Üstündağ (2015). Internet of things inspired
photovoltaic emulator design for smart grid
Hình 12. Sơ đồ mô phỏng pin mặt trời applications. In 3rd International Istanbul Smart
Grid Congress and Fair.
[8]. J. Gonzalez-Llorente, A. Rambal-Vecino, L.A.
Garcia-Rodriguez, J.C. Balda and E.I. & Ortiz-
Rivera (2016). Simple and efficient low power
photovoltaic emulator for evaluation of power
conditioning systems. In IEEE Applied Power
Electronics Conference and Exposition.
[9]. H.-L. Tsai, C.-S. Tu and Y.-J. Su (2008).
Development of generalized photovoltaic model
using MATLAB/SIMULINK. In Proceedings of the
world congress on Engineering and computer
science.
Hình 13. Đường đặc tính của pin mặt trời [10]. https://computergotx.com.
16 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(63).2018
nguon tai.lieu . vn
