Nâng cao hiệu suất pin năng lượng mặt trời kết hợp với hệ thống bơm nước tưới

am, nhu cầu cung cấp nước tưới 
 tiêu cho nông nghiệp ngày càng gặp khó khăn khi các hệ 
 thống tưới tiêu cho vùng sâu vùng xa ở đồng bằng sông Bộ
 Cửu Long không còn đủ khả năng tự chảy [1]. Vì vậy, để điều khiển
 đảm bảo nước cho khu vực này cần có một hệ thống tưới 
 tiêu có chi phí thấp và hiệu quả. Tuy nhiên, việc kéo điện để 
 lập các trạm bơm và hệ thống dẫn nước ở vùng này cần có Hình 1. Sơ đồ khối hệ thống 
 chi phí khá lớn. Việc xây dựng các trạm bơm lưu động, công 2.1. Mô hình Pin mặt trời 
 suất nhỏ tỏ ra phù hợp với nhu cầu và kinh phí của người Một module pin mặt trời gồm nhiều tế bào quang điện 
 dân địa phương. Các hệ thống pin quang điện (PV) độc lập, được ghép nối tiếp và song song với nhau. Mô hình toán 
10 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ● Số 55.2019 
P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 SCIENCE - TECHNOLOGY 
của một tế bào quang điện thường sử dụng là mô hình 1 không dẫn, biến đổi nguồn dòng Iph thành 1 nguồn áp ta có 
diode như hình 2. Nguồn phát là một nguồn dòng mắc sơ đồ như hình 4 với: 
song song ngược với diode và 2 điện trở mắc nối tiếp và 
 EIR ph. sh (3) 
song song đại diện cho tổn hao của tấm pin. Áp dụng định 
luật Kirchhoff ta có công thức cho 1 cell như sau: RRRin sh s (4) 
 IIIIpv ph d Rsh (1) Công suất tiêu thụ trên tải được tính bằng công thức: 
 Từ (1) ta tổng quát thành công thức cho 1 module pin E2 2 RL
 PL UI.().. RL E 2 (5) 
mặt trời: Rin RL ()Rs RL
 Ipv N.I P ph P.E[1P(E 1 2 E ref ) P(T 2 TC T ref ) Điều kiện cần để công suất trên tải đạt cực đại là đạo 
 V (2) hàm P bằng 0: 
 N .I .[exp( ) 1] L
 P rs A.N .V
 ST 2 Rs RL
 P'L 0 E .3 0 R in RL (6) 
 Trong đó, Np và Ns lần lượt là số tấm pin mắc nối tiếp và ()Rs RL
song song với nhau, I là dòng điện tạo ra bởi hiệu ứng 
 ph Công thức trên là điều kiện để đạt được công suất cực 
quang điện phụ thuộc vào cường độ bức xạ, q là điện tích 
 đại trên tấm pin với R là nội trở của pin PV ứng với bức xạ 
của 1 electron (1,02.10-19C), A là hệ số lý tưởng của diode và s
 và nhiệt độ tại thời điểm t. Tuy nhiên, trong tthực tế điều 
T là nhiệt độ của môi trường (oC). 
 kiện môi trường (bức xạ và nhiệt độ) biến thiên liên tục 
 theo thời gian. Nói cách khác, nội trở Rin không phải là hằng 
 số. Ý nghĩa của bài toán dò điểm công suất cực đại (MPPT) 
 là biến đổi tổng trở tải sao cho điện trở biến đổi được có giá 
 trị bằng với Rin tại thời điểm đang xét. Hiện nay, phương 
 pháp phổ biến nhất là biến đổi điện áp. 
 2.3. Sử dụng bộ biến đổi điện áp DC 
 Hình 2. Mô hình tế bào quang điện 
 Khi đặt bộ biến đổi điện áp DC - DC làm mạch trung 
 gian giữa nguồn pin mặt trời và tải, ta có thể quy đổi toàn 
 bộ mạch điện phía sau tấm pin thành một điện trở tương 
 đương RL’ với công suất vào và công suất ngõ ra của mạch 
 DC - DC là hằng số. Việc tính toán biến đổi điện trở tương 
 đương của hệ thống tương tự như trong các máy biến áp. 
 Ta có sơ đồ khối của hệ thống như hình 5, điện áp đặt trên 
 tấm pin U1, dòng điện đi từ tấm pin vào bộ biến đổi I1, điện 
 áp và dòng điện trên tải U2, I2. 
 Hình 3. Điểm hoạt động của hệ PV 
 Để đơn giản, việc mô hình hóa một hệ thống PV thường 
sử dụng với tải trở. Hình 3 biểu diễn quan hệ giữa tải và 
một đặc tuyến điển hình của một tấm pin PV. Điểm làm Hình 5. Sơ đồ khối bộ biến đổi điện áp nối pin mặt trời 
việc của hệ thống chính là giao điểm giữa đường I - V của Điện trở tương đương của tải nhìn từ tấm pin: 
tấm pin và đường đặc tính của tải (I = U/R). 
 U U/ k U 1 RL
 '. 1 2 2 
2.2. Dò điểm cực đại của Pin mặt trời RL 2 2 (7) 
 I1 k. I 2 I 2 k k
 Như vậy, khi thay đổi tỉ số điện áp k, điện trở tương 
 đương nối với pin PV cũng đồng thời thay đổi. Ta có thể 
 điều chỉnh công suất trên tải bằng cách thay đổi hệ số k. 
 Đối với một mạch tăng áp cơ bản như hình 6, hệ số k 
 được điều chỉnh bằng cách thay đổi thời gian dẫn của khóa 
 điện trong một chu kỳ. Quan hệ điện áp được tính theo 
 Hình 4. Sơ đồ tương đương pin mặt trời nối tải 
 công thức: 
 Áp dụng các phép biến đổi tương đương Thevenin - 
 U 1
Norton, mô hình tương đương được chia làm hai trường k 2 (8) 
 UD1 1 
hợp. Trường hợp 1, điện áp trên Rsh lớn hơn điện áp phân 
cực thuận của diode, diode dẫn, Ipv = 0. Ngược lại, diode Với D là hệ số chu kỳ của khóa điện (%). 
 No. 55.2019 ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 11
 KHOA H ỌC CÔNG NGHỆ P - ISSN 1859 - 3585 E - ISSN 2615 - 961 9 
 2.4. Thay đổi tải 3. PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO HIỆU SUẤT PIN MẶT TRỜI 
 Nhờ các bộ biến đổi điện áp MPPT, hệ thống có thể thu KẾT HỢP VỚI BƠM NƯỚC 
 được công suất cực đại trong thời gian ngắn. Tuy nhiên, Start
 việc chỉ sử dụng thuần các bộ biến đổi điện áp có nhược 
 điểm lớn là điện áp trên tải thay đổi rất mạnh, trong khi các 
 Đo V(k), I(k)
 thiết bị dân dụng công suất nhỏ thường có tầm điện áp P(k) = V(k).I(k)
 hoạt động rất bé, chính tầm điện áp này tạo ra một rào giới 
 hạn về mặt công suất không để thiết bị hư hỏng do quá áp.   − ( − 1)
 ∆ = . 100
 ()
   − ( − 1)
 ∆ = . 100
 ()
 ∆ ≥ 2  < 8
 ∆ ∆
 ∆
 D =  − . D =  − .
 ∆ ∆ D =  −  .
 xl = 0 ∆
 xl = xl + 1
 Hình 6. Đồ thị P - V khi thay đổi tải 
 Để điện áp nằm trong phạm vi cho phép mà vẫn có 
 được công suất lớn nhất, phương pháp chia phụ tải thành End 
 nhiều tải nhỏ có thể được sử dụng. Trong nghiên cứu này, Hình 7. Sơ đồ giải thuật dò điểm cực đại kết hợp điêù khiên̉ số động cơ 
 do tính phức tạp các tác động của quá trình quá độ khi khởi 
 động động cơ không được xét đến. 
 Giả sử hệ thống đang chạy với n động cơ, gọi U(n) là 
 điện áp trên tải với số động cơ đang hoạt động là n. Ta có 
 điều kiện để bật thêm động cơ là khi điện áp tải lớn hơn giá 
 trị cho phép: 
 U(n) > 1,1Uđm 
 Điều kiện để cắt giảm số động cơ là khi thiếu áp: 
 U(n) < 0,6Uđm 
 Tuy nhiên, muốn đạt hiệu suất tối đa càn thỏa mãn điều 
 kiện điện áp động cơ không phải là điện áp lớn nhất trong 
 phạm vi cho phép. Hay nói cách khác, khi n giảm đi 1 thì 
 động cơ vẫn không bị quá áp U(n - 1) < 1,1Uđm. Giả sử đặc tính 
 của mỗi động cơ là tuyễn tính và như nhau, ta được: 
 n n
 U U U 1, 1U
 ()n 1 n n dm
 n 1 n 1 (9) 
 n 1
 U ., 1 1U
 nn dm
 Hệ thống cần phải cắt giảm tải khi thỏa mãn một trong 
 hai điều kiện trên. 
 Ngoài ra, trong các ứng dụng điều khiển động cơ, khi Hình 8. Thuật toán điều khiển số lượng bơm 
 cường độ bức xạ xuống thấp, điện áp đặt vào 2 đầu cực của Bài báo đề xuất một lưu đồ giải thuật cho mô hình bơm 
 động cơ cũng giảm theo do không có đủ công suất từ nước bằng năng lượng mặt trời có bọ dò điểm công suấ 
 nguồn mặt trời. Như vậy, khi đó momen sinh ra bị giảm cực đại kết hợp với điều khiển số động cơ chạy theo công 
 đáng kể. Với các hệ thống năng lượng mặt trờ nhỏ không suất đầu vào như sau: Gọi n là số động cơ đang chạy, 
 sử dụng acquy, nếu chỉ sử dụng một động cơ có khả năng U(k - 1), I(k - 1) là điện áp và dòng điện tại lần đo thứ (k - 1), 
 sẽ không khởi động được. Điều này dẫn đến hiệu suất của U(k) và I(k) là điện áp và dòng điện tại lần đo thứ k. Đầu 
 hệ thống thấp hơn tính toán do chỉ hoạt động ở mức bức tiên, bộ điều khiển tiến hành dò MPPT bằng giải thuật P&O 
 xạ trung bình trở lên. Do vậy, mô hình bài báo đề xuất lựa thích nghi (hình 7) với độ rộng xung D được điều khiển tỉ lệ 
 chọn kết hợp hai phương án trên vừa sử dụng mạch biến với đạo hàm của P theo V. k1 và k2 lần lượt là các hệ số tỉ lệ 
 đổi điện áp vừa có thể linh hoạt thay đổi số động cơ. điều chỉnh sự thay đổi của D trong trường hợp nằm xa 
12 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ● Số 55.2019 
P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 SCIENCE - TECHNOLOGY 
điểm cực trị (xl < 8) và gần cực trị (xl = 8). Trong quá trình dò 
MPPT, từ đặc tuyến thay đổi tải ta có các kịch bản sau: 
 Quá áp: khi điện áp lớn hơn 1,1Uđm, hệ thống cho 
đóng thêm một động cơ nữa. 
 Thấp áp: sau khi có điểm cực đại, điện áp động cơ nhỏ 
hơn 0,6Uđm, khóa điện cho ngắt một động cơ. 
 Điện áp trong phạm vi cho phép: U = (0,6 - 1,1)Uđm, (b) Dòng điện trên mỗi tải 
kiểm tra điều kiện số động cơ đang chạy trong phạm vi 
điện áp cho phép là ít nhất, nếu chưa thỏa điều kiện thì 
giảm một động cơ. 
 Từ kịch bản trên, ta có lưu đồ điều khiển số bơm như 
hình 8. 
4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 
 Mô hình bài toán cụ thể đòi hỏi phải thiết kế một hệ (c) Điện áp ngõ ra 
thống bơm nước đáp ứng được các yêu cầu như sau: Bể 
 Hình 9. Kết quả mô phỏng tăng từ 1 tải lên 2 tải 
chứa có thể tích là 15m3, chiều cao cột áp là 5m, cần bơm 
đầy bể trong 10 giơ.̀ Với yêu cầu như trên, hệ thống có: Kết quả mô phỏng 2: Tăng công suất đỉnh thay đổi từ 
 Lưu lượng nước: Q = 2,78.10-4m3/s; 15W lên 45W 
 Công suất bơm: Pbơm = 17W 
 Công suất động cơ: Pđ/c = 21,3W 
 Công suất tấm pin Ppv-p = 60W 
 Đối với các tấm pin mặt trờ ngày nay, mức bức xạ tối 
thiểu để có thể thu được công suất là 200W/m2, vì từ mức 
bức xạ này, nội trở tấm pin mới bắt đầu thay đổi tuyến tính. 
Như vậy, thiết kế lựa chọn phương án sử dụng 3 động cơ 
để đảm bảo hiệu suất chuyển đổi năng lượng thu được là (a) Pthực tế so với P lí thuyết 
lớn nhất. 
 Với thiết kế và lý thuyết phía trên, một mạch mô phỏng 
đã được thực thi bằng phần mềm PSIM. Phương án điều 
khiển đề xuất nằm trong hình 9. 
 Các thông số sử dụng trong mạch mô phỏng: 
 Công suất đỉnh của pin mặt trời tại 1000W/m2: 60Wp 
 Điện áp tại điểm cực đại: 17,6V 
 Dòng điện tại điểm cực đại: 3,4A (b) Dòng điện trên mỗi tải 
 Nhiệt độ trên tấm pin: T = 25oC 
 Điện áp định mức động cơ: 48V 
 Công suất định mức mỗi động cơ: 22W 
 Giới hạn điện áp tối đa trên động cơ: 53V 
 Các hình từ 9 đến 12 biểu thị kết quả mô phỏng dựa 
trên 4 thí nghiệm thay đổi cường độ bức xạ ứng với số tải 
ưu từ 1 tải lên 2 tải, từ 1 tải lên 3 tải và ngược lại. Các kết (c) Điện áp ngõ ra 
quả thu được bao gồm công suất thu được so với công suất 
cực đại, dòng điện trên mỗi tải vè điện áp ra. Hình 10. Kết quả mô phỏng tăng từ 1 tải lên 3 tải 
 Kết quả mô phỏng 1: Tăng công suất đỉnh từ 15W lên Kết quả mô phỏng 3: Giảm công suất đỉnh trên tấm pin 
30W (từ 1 tải lên 2 tải): từ 45W xuống 30W (từ 3 động cơ cắt giảm đi 1 động cơ). 
 (a) Pthực tế so với P lí thuyết (a) Pthực tế so với P lí thuyết 
 No. 55.2019 ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 13
 KHOA H ỌC CÔNG NGHỆ P - ISSN 1859 - 3585 E - ISSN 2615 - 961 9 
 - So với những biến động nhỏ, độ chính xác khi dò lại 
 điểm công suất cực đại cao hơn và mức độ dao động công 
 suất đầu vào thấp hơn. 
 - Thời gian giải thuật dò ra điểm cực đại khi bức xạ giảm 
 xuống nhanh hơn 10% so với khi bức xạ tăng lên do điểm 
 làm việc của tấm pin di chuyển về bên trái điểm cực đại là 
 vùng có độ dốc của P theo V thấp hơn nên nằm gần điểm 
 (b) Dòng điện trên mỗi tải cực đại mới hơn so với khi tăng cường độ bức xạ. 
 - Quá trình điều khiển ngắt động cơ ra khỏi mạch diễn 
 ra chậm hơn so với khi đóng động cơ vào do sự khác nhau 
 về điều kiện đóng/ngắt: để ngắt động cơ cần phải chờ hệ 
 thống dò ra điểm cực đại còn điều kiện đóng thì không. 
 Kết quả thực nghiệm: 
 Bằng các thí nghiệm tương tự trên, một mô hình thi 
 (c) Điện áp ngõ ra công thực nghiệm đã được kiểm chứng (hình 13). Mô hình 
 Hình 11. Kết quả mô phỏng tăng từ 1 tải lên 3 tải sử dụng vi xử lý Arduino Uno R3, công suất của tấm pin 
 thực nghiệm là 60Wp và lần lượt thực nghiệm thay đổi ở 3 
 Kết quả mô phỏng 4: cho bức xạ giảm mạnh (công suất 
 mức cường độ bức xạ: 200W/m2, 600W/m2 và 900W/m2. 
 đỉnh giảm từ 45W xuống 15W). 
 Điểm làm việc của tấm pin tại bức xạ 900W/m2 được ghi lại 
 nhờ bộ mô phỏng pin mặt trời Chroma Simulation Array là 
 điểm màu đỏ trong hình 14. Theo hình 14, công suất thu 
 được là 53,9W so với công suất cực đại lý thuyết là 54W. Số 
 động cơ chạy trong trường hợp này là 3 động cơ. 
 (a) Pthực tế so với P lí thuyết 
 Hình 13. Mô hình thi công thực nghiệm 
 (b) Dòng điện trên mỗi tải 
 (c) Điện áp ngõ ra 
 Hình 14. Kết quả đo được và ghi lại trên máy tính 
 Hình 12. Kết quả mô phỏng tăng từ 1 tải lên 3 tải 
 Các kết quả của thí nghiệm thực hiện với mô hình trong 
 Qua các thí nghiệm trên, ta có thể rút ra các nhận xét 
 hình 14 được đo và ghi lại các thông số điện ở đầu vào và 
 sau: 
 đầu ra của bộ chuyển đổi điện áp. Trên thực tế, thời gian ổn 
 - Ở tất cả các thí nghiệm mô phỏng, hệ số khuếch đại định của bộ biến đổi chậm hơn so với khi mô phỏng do 
 điện áp ban đầu là giống nhau nhưng công suất cực đại lý phải giới hạn của mạch đo lường. Ngoài ra, các thông số 
 thuyết là khác nhau dẫn đến điểm hội tụ sau đó với mỗi còn lại cho thấy tương đồng với các tính toán lý thuyết và 
 mức công suất là khác nhau. Tuy nhiên, thời gian để dò ra kết quả mô phỏng. 
 điểm công suất cực đại của hệ thống gần như bằng nhau 
 5. KẾT LUẬN 
 với tất cả các trường hợp (0,03s). Đây là một điểm cải tiến 
 so với giải thuật P&O truyền thống có thời gian hội tụ phụ Phương pháp đề xuất đã nâng cao được hiệu suất công 
 thuộc vào khoảng cách giữa điểm làm việc ban đầu và suất của pin mặt trời khi có sự thay đổi bức xạ nhiệt thông 
 điểm làm việc cực đại. qua việc tìm điểm cực đại kết hợp với việc lựa chọn số 
14 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ● Số 55.2019 
P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 SCIENCE - TECHNOLOGY 
lượng bơm phù hợp với điểm cực đại tương ứng. Kết quả 
mô phỏng và thực nghiệm trong các trường hợp thay đổi 
bức xạ cho thấy phương pháp đề xuất đã giảm được phạm 
vi dao động điện áp trong khi vẫn lấy được công suất cực 
đại nâng cao hiệu suất của hệ thống bơm PV. 
 Vi điều khiển Arduino sử dụng trong mô hình có ưu 
điểm dễ sử dụng nhưng lại không phù hợp cho những hệ 
thống phức tạp. Do đó để mở rộng hệ thống đề xuất cần sử 
dụng vi điều khiển phù hợp hơn. 
 TÀI LIỆU THAM KHẢO 
 [1]. Nguyễn Tiến Thải, Nguyễn Tuấn Anh, Lê Chí Nguyện, 2012. Nghiên cứu 
xác định mô hình bơm hợp lý cho vùng Đồng bằng sông Cửu Long. Tạp chí Khoa học 
kỹ thuật Thủy lợi và Môi trường, S. 36. 
 [2]. B. Nayak, A. Mohapatra, and K. B. Mohanty, 2017. Selection criteria of dc-
dc converter and control variable for MPPT of PV system utilized in heating and 
cooking applications. Cogent Eng., vol. 4, no. 1, pp. 1–16, 2017. 
 [3]. Sumanth Pala, S. P. Singh Praveen, 2012. Design, Modeling and 
Implementation of Bi-directional Buck and Boost Converter. IEEE 5th India 
International Conference on Power Electronics (IICPE). 
 [4]. O. Bingol, A. Altinta, and Y. Oner, 2006. Microcontroller based solar- 
tracking system and its implementation. Journal of Engineering Sciences, vol. 12, 
pp. 243–248, 2006. 
 [5]. R. U. Rahman, D. I. Ahmed, M. A. Fahmi, T. Tasnuva, M. F. Khan, 2009. 
Performance Enhancement of PV solar system by Diffused Reflection. Intl. Conf. on 
the Developments in Renewable Energy Technology, pp. 96-99, December, 2009. 
 AUTHORS INFORMATION 
 1 2 1
 Luong Xuan Truong , Nguyen Tung Linh , Truong Viet Anh 
 1
 Ho Chi Minh City University of Technology and Education 
 2
 Electric Power University 
 No. 55.2019 ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 15