Nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời trong các mạng điện cục bộ của tàu thuyền

Page 1 of 8 
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 
TRONG CÁC MẠNG ĐIỆN CỤC BỘ CỦA TÀU THUYỀN 
TS. Ngô Đức Minh 
Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên 
TÓM TẮT 
Nội dung bài báo nghiên cứu về đề tài bảo vệ tồn giữ môi trường xanh - sạch - đẹp trong vấn 
đề khai thác và sử dụng năng lượng tái tạo. Khi áp dụng với địa bàn tỉnh Quảng Ninh – Kỳ quan 
thiên nhiên được thế giới xếp hạng năm 2012, tác giả tập trung quan tâm đến vấn đề sử dụng hệ 
pin Mặt trời cấp điện cho những công trình nổi trên biển, có thể là những nhà nổi tại chỗ hay các 
du thuyền chuyển động. Phân tích các yếu tố làm ảnh hưởng đến bức xạ Mặt trời mà hệ pin nhận 
được bị thay đổi khác hẳn so với trường hợp hệ pin đặt tĩnh tại trên đất liền. Đề xuất giải pháp kỹ 
thuật phù hợp nhằm đảm bảo nhu cầu và chất lượng điện năng của công trình đồng thời đáp ứng 
các yêu cầu về môi trường và thẩm mỹ. Xây dựng một mô hình mạng điện cục bộ có cấu trúc 
PV-MPPT-DC/DC,AC(BESS) trong đó có thực hiện giải pháp tối ưu về năng lượng cấp ra của hệ 
pin Mặt trời khi cường độ BXMT nhận được luôn không ổn định kể cả khi mất đột ngột. Kết quả 
nghiên cứu được kiểm chứng thông qua các kết quả mô phỏng bằng Matlab/Simulink. 
Từ khóa: pin Mặt trời, PV-MPPT, PV-LOAD, PV-MPPT-DC/DC,AC(BESS) 
1. ĐẶT VẤN ĐỀ 
Nếu như, từ những năm 80 của thế kỷ 20 
người ta xem các quá trình sản xuất công 
nghiệp hay sự phát triển đô thị hóalà 
nguyên nhân tác động xấu đến môi trường thì 
gần đây, đặc biệt bước sang thế kỷ 21 các Nhà 
khoa học đã chỉ rõ: chính các quá trình sản 
xuất và truyền tải điện năng lại là tác nhân 
nguy hiểm hơn dẫn đến hủy hoại môi trường 
toàn cầu. Từ đó, ngành năng lượng đã có 
những thay đổi căn bản cả về tư tưởng và các 
giải pháp khoa học kỹ thuật, nhằm thu hút các 
nghiên cứu phát triển các nguồn năng lượng 
mới đi đôi các giải pháp khai thác sử dụng 
năng lượng tiết kiệm và hiệu quả 
Đối với những mạng điện cục bộ như 
mạng điện trên các hải đảo cô lập hay trên các 
nhà nổi, du thuyền..., năng lượng cần thiết để 
đáp ứng cho các phụ tải hiện nay đang sử 
dụng vẫn chủ yếu là từ máy phát điện chạy 
Hình 1. Du thuyền sử dụng pin mặt trời 
Page 2 of 8 
+ 
- 
V 
I RS 
Rsh 
Ish Id 
E 
Hình 2. Sơ đồ thay thế của PV 
Iph 
nhiên liệu hoá thạch (xăng, dầu diesel) gây ô 
nhiễm môi trường và tiềm ẩn nhiều rủi ro. 
Việc lựa chọn nguồn phát thay thế được định 
hướng khá phổ biến vào hệ pin Mặt trời 
(Photovoltaic – viết tắt là PV). Trong trường 
hợp này, nguồn phong điện không được lựa 
chọn áp dụng bởi những trở ngại của bộ phận 
turbine gió gây nên. Trong khi đó, các tấm PV 
có bản chất tĩnh nhưng cũng rất linh hoạt hoàn 
toàn có thể tạo dáng để làm tăng vẻ đẹp và 
cách điệu cho công trình nói riêng và toàn 
cảnh nói chung. Hình 1 là ví dụ một du thuyền 
có sử dụng PV [1]. 
Tuy nhiên, cái giá phải trả cho vẻ đẹp và 
sự gìn giữ cảnh quan môi trường này là nguồn 
PV có hai yếu điểm chính [2], [3], [4]: 
- PV chỉ có thể phát điện khi nhận được 
bức xạ từ Mặt trời đủ lớn. 
- PV thuộc dạng nguồn siêu mềm, đặc 
tính tải chịu ảnh hưởng của nhiều các tác động 
ngoại sinh như bức xạ Mặt trời (BXMT), 
nhiệt độ, tải... 
Trong phạm vi hẹp của đề tài này cả hai 
yếu điểm vừa nêu đều phải được khắc phục 
khi áp dụng với công trình nổi trên biển có 
những đặc điểm riêng biệt. Đó là: luôn chịu 
tác động của sóng biển làm thay đổi góc 
nghiêng của các tấm PV hay sự đổi hướng di 
chuyển của du thuyển cũng tương đương như 
thay đổi góc tới của tia BXMT, thậm chí có 
khoảng thời gian mất hoàn toàn BXMT. 
Như vậy, một số yếu tố cơ bản về PV cần 
được phân tích để có được giải pháp tốt nhất 
cho sự lựa chọn. 
2. NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ 
Nguồn phát điện quan trọng nhất trong 
hệ thống điện sử dụng năng lượng Mặt trời là 
các tấm pin Mặt trời được chế tạo từ chất bán 
dẫn (silicon). Một cách hiểu đơn giản là năng 
lượng của pin Mặt trời được chuyển đổi từ 
bức xạ của Mặt trời mà nó thu được [1, 2]. 
Một bộ nguồn điện pin Mặt trời được ghép 
với nhau thành các module và ghép các 
module thành các mảng pin Mặt trời. Một PV 
có được điện áp danh định V và dòng điện 
danh định Isc như mong muốn hoàn toàn thực 
hiện được nhờ thiết kế từ hai kiểu nối song 
song và nối nối tiếp các module. Các nghiên 
cứu về PV có thể thực hiện tương đương qua 
các đặc tính đã có của module pin Mặt trời. 
2.1. Những phân tích cơ bản về pin 
Mặt trời 
Những đặc tính cơ bản của PV được xây 
dựng xuất phát từ các phân tích sơ đồ thay thế 
của một module trên hình 2. 
và những mô tả toán học từ sơ đồ: 
shdph IIII --= (1) 
Trong đó: 
- Dòng điện qua điốt Id: 
Page 3 of 8 
ú
û
ù
ê
ë
é
-=
+
1
)(
nkT
IRVq
Sd
S
eII (2) 
với: 
IS là dòng quang điện bão hoà [A/mm2], 
q=1,6.10-19 C là điện tích của electron, 
k=1,38.10-23 [J/0K] là hằng số 
Boltzmann’s, n là hệ số số phụ thuộc vào mức 
độ hoàn thiện công nghệ chế tạo PV, T là 
nhiệt độ của lớp tiếp xúc p-n [0K], RS là điện 
trở trong của PV [W/m2] và thường có giá trị 
rất nhỏ. 
- Dòng điện rò Ish : 
sh
S
sh R
IRVI += (3) 
Rsh thường có giá trị rất lớn, vì vậy có thể 
bỏ qua trong các tính toán. 
- Dòng quang điện Iph : 
)(
1000 refTscph
TTCSII -+= (4) 
Isc là dòng điện ngắn mạch [A], CT là hệ 
số nhiệt độ của dòng quang điện [A/0K], 
Tref là nhiệt độ tiêu chuẩn, S là tổng 
lượng bức xạ thu được trên tấm PV ở thời 
điểm xét [W/m2]. 
Vì vậy dòng điện phát ra của PV khi coi 
dòng điện rò có giá trị rất nhỏ: 
ú
û
ù
ê
ë
é
--=
+
1
)(
nkT
IRVq
Sph
S
eIII (5) 
Công suất phát ra của PV là P = I.V. 
Nói cách khác, đặc tính công suất của PV 
được thể hiện thông qua biểu thức 6: 
S
ph RI
I
I
I
II
I
q
nkTP 2
00
0ln -÷÷
ø
ö
çç
è
æ
-
+
= , (6) 
từ đó, thu được đặc tính Vôn-Ampe (V-
A) của PV khi cấp nguồn cho tải qua biểu 
thức 7 
S
SS
ph IR
I
I
I
I
q
nkTV -÷÷
ø
ö
çç
è
æ
+-= 1ln (7) 
và biểu diễn dưới dạng đồ thị như hình 3. 
- VOC là hiệu điện thế đo được khi mạch 
ngoài pin Mặt trời hở mạch. Giá trị VOC được 
xác định từ biểu thức: 
SI
SIphI
q
nkT
ocV
+
= ln (8) 
- ISC là dòng điện ngắn mạch đo được 
trong pin Mặt trời khi V=0. Trong các điều 
kiện chiếu sáng thông thường, có thể coi Isc » 
Iph. 
- B là điểm vận hành ứng với yêu cầu của 
phụ tải (giao điểm của đường đặc tính tải và 
đặc tính V-A). Trên mỗi đường cong V-A, khi 
tải thay đổi thì điểm làm việc của hệ thống pin 
V 
I 
0 
Utải(I) B 
Hình 3. Đặc tính V-A của pin mặt trời 
ISC 
VO
Đường 
cong V-A 
Page 4 of 8 
Mặt trời-tải (PV-LOAD) sẽ dịch chuyển khỏi 
điểm B: sang trái khi tăng tải hoặc sang phải 
khi giảm tải. 
Mặt khác, từ (5) cho thấy V là một hàm 
theo biến dòng điện, tham số nhiệt độ T và 
cường độ BXMT. 
· Ảnh hưởng của nhiệt độ T: nhiệt độ 
càng tăng thì Iph và V càng tăng. Điều này 
thường xảy ra vào thời điểm Mặt trời ở thiên 
đỉnh, làm cho đường cong V-I dịch chuyển 
lên trên, có nghĩa là khi dòng tải chưa thay đổi 
thì điện áp đã thay đổi và công suất phát ra 
tăng. (phạm vi bài báo không bàn thêm về vấn 
đề này) 
· Ảnh hưởng của BXMT: 
Xét một PV đặt ngẫu nhiên trên mặt đất 
như hình 4. 
Theo [2], góc tới của BXMT đối với mặt 
phẳng PV được tính liên quan đến các góc 
hình học như phương trình (9): 
wgbd
wgbjd
wbjd
gbjd
bjdq
sin.sin.sin.cos
cos.cos.sin.sin.cos
cos.cos.cos.cos
cos.sin.cos.sin
cos.sin.sincos
+
+
+
-
=
 (9) 
Trong đó: 
 ÷
ø
ö
ç
è
æ +=
365
284360sin45,23 nd (10) 
với n là thứ tự ngày trong năm, w là góc 
giờ, j là góc vĩ độ...[2] 
Từ (9), nếu xét tương ứng cho một PV 
đặt trên du thuyền (tàu) cho thấy tại một thời 
điểm, qcos đại diện cho lượng BXMT của 
PV nhận được phụ thuộc vào góc nghiêng b 
và góc vĩ độ j đặc trưng cho ảnh hưởng của 
độ lắc dọc thân tàu, góc phương vị g đặc trưng 
chuyển động xoay hướng của tàu, góc giờ Mặt 
trời w đặc trưng cho độ lắc ngang của thân 
tàu. 
Như vậy, khi tàu đứng tại chỗ dưới tác 
động của sóng biển làm các góc b, j và w 
thay đổi có tính chất dao động, còn khi tàu 
chuyển động góc g phụ thuộc hướng tàu chạy, 
khi tàu quay vòng thì g có thể thay đổi đến 
3600, trong đó có khoảng thời gian mất hoàn 
toàn BXMT. 
Tóm lại, đối với PV gắn cố định trên du 
thuyền thì BXMT mà PV nhận được luôn bị 
thay đổi dẫn đến đặc tính V-I thay đổi trượt 
tương đối theo trục I. Hiện tượng này được 
mô phỏng bằng Matlab như hình 5. 
2.2. Nhận xét và đề xuất giải pháp 
b 
az 
qz 
gz 
g 
q 
Bắc 
Nam 
Pháp tuyến của 
mặt phẳng ngang Mặt 
trời 
Hình 4. Mô hình hình học tính toán BXMT 
Page 5 of 8 
Như vậy, điểm vận hành (B) của hệ PV-
LOAD không thể cố định. Để đảm bảo điện 
áp tiêu chuẩn thì điểm làm việc B phải di 
chuyển về phía giảm dòng điện khi BXMT 
nhận được giảm và ngược lại. Nghĩa là hệ 
thống cần phải có thêm một bộ điều chỉnh 
dòng điện theo sự thay đổi của BXMT (theo 
điện áp) – Giải pháp thứ nhất. 
Mặt khác, khi mất hoàn toàn BXMT thì 
hệ cần có nguồn thay thế, có thể là từ một kho 
trữ điện ắc quy – Giải pháp thứ hai. 
2.2.1. Giải pháp thứ nhất 
Để hệ pin Mặt trời luôn cấp ra một điện 
áp danh định khi tải thay đổi nhằm đáp ứng 
yêu cầu của của phụ tải hoàn toàn có thể thực 
hiện được một cách đơn giản nếu ta sử dụng 
bộ biến đổi có bộ điều chỉnh có phản hồi điện 
áp. Giả thiết, quy định điện áp thay đổi trong 
phạm vi (16-17,5)V, hình 6. 
Mặt khác, nếu yêu cầu cao hơn là dù 
BXMT thay đổi ở giá trị nào bộ nguồn PV 
vẫn đảm bảo cấp ra được công suất lớn nhất 
cho phép thì ta áp dụng bộ điều chỉnh dòng 
thông qua khối tự động chọn điểm làm việc 
cực đại (tên tiếng Anh là Maximum power 
tracking for photovoltaic power system, viết 
tắt là MPPT) [5, 6 ,7]. Cấu trúc hệ thống được 
mô tả trên hình 7. 
Vai trò của khối MPPT có thể được làm 
rõ thông qua các kết quả mô phỏng bằng 
Matlab-Simulink. Giả sử với cùng một kịch 
bản thay đổi cường độ BXMT tương đồng với 
hình 5 có số liệu như (11): 
[1*50 2*50 3*50 4*50 5*50 6*50 7*50 8*50] 
[0 400 850 950 400 800 600 400 0] (11) 
Kết quả mô phỏng thu được: 
Hình 5. Đặc tính V-A khi BXMT thay đổi do 
(b,j,g,w...) thay đổi 
Hình 6. Phạm vi dịch chuyển điểm làm việc 
B 
Hình 7. Cấu trúc hệ PV-MPPT-LOAD 
Page 6 of 8 
- đối với hệ thống có MPPT có kết quả 
chỉ ra trên hình 8, 
- đối với hệ không có MPPT có kết quả 
chỉ ra trên hình 9. 
So sánh hai kết quả cho thấy: năng lượng 
cấp ra của hệ thống có MPPT là 2,2 kWh. Còn 
đối với hệ thống không có MPPT, khảo sát 
với các giá trị dòng tải khác nhau cho thấy với 
I=2,5A thì hệ thống cấp ra dược năng lượng 
lớn nhất chỉ đạt 1,49 kWh, hiệu quả tăng thêm 
(47%). Hơn thế nữa, trên hình 9: ở thời điểm 
BXMT là 400W/m2, với dòng tải 2,5A cố định 
thì công suất PV bằng 0, không tồn tại điểm 
làm việc B – tương đương với hiện tượng mất 
nguồn. Trong khi đó trên hình 8: nhờ có 
MPPT mà PV vẫn cấp ra được lượng công 
suất tối thiểu khoảng 0,2 kW. 
 2.2.2. Giải pháp thứ hai 
Khi không có BXMT, PV sẽ mất hoàn 
toàn điện áp. Giải pháp thông dụng nhất vẫn 
là thay thế bằng nguồn ắc quy (Battery). Việc 
thiết kế một bộ nguồn ắc quy kết hợp với 
nguồn pin Mặt trời đáp ứng cho một mạng 
điện cục bộ được phân tích tương tự trong tài 
liệu [8]. Đóng góp tích cực của giải pháp thứ 
hai trong trường hợp này được thể hiện ở chỗ 
là đề xuất một cấu trúc hoàn chỉnh cho mạng 
điện cục bộ trên du thuyền như hình 10. 
Trong đó: 
- MPPT làm nhiệm vụ khai thác tối đa 
công suất của hệ PV kể cả khi BXMT thay 
đổi; 
- Bộ biến đổi DC/AC (hoặc DC/AC) có 
nhiệm vụ chuyển đổi thành điện xoay chiều và 
DC/DC điều chế các cấp điện áp một chiều 
phù hợp với các thiết bị dùng điện khác nhau 
(tải) trên du thuyền; 
0 50 100 150 200 250 300 350 400
0
100
200
300
400
500
Time E var, (Imppt)
V
pv
, P
ou
t, 
P
 id
ea
l, 
I (
2,
4A
)
P ideal
I mppt(x10)
V pv
P pv
P out
PV energy
Hình 9. các đặc tính của hệ PV khi không có 
MPPT, Iref = 2.5A , energyPV = 1.49 kWh 
0 50 100 150 200 250 300 350 400
0
100
200
300
400
500
Time E var, (Imppt)
V
pv
, P
ou
t, 
P
id
ea
l, 
Im
pp
t (
x1
0)
PV energy
P pv
I mppt(x10)
P ideal
P out
Hình 8. Các đặc tính của hệ PV khi có 
MPPT, energyPV = 2,2 kWh 
Hình 10. Cấu trúc hệ thống điện PV 
trên du thuyền. 
Page 7 of 8 
0.44 0.46 0.48 0.5 0.52 0.54 0.56
-1
0
1
2
3
4
x 104
Time (s)
a)
P
pv
, 
 P
be
ss
P load = P bess
P pv
P load = P pv
P bess=0
0.44 0.46 0.48 0.5 0.52 0.54 0.56
-50
0
50
Time (s)
b)
i p
v,
 i
 b
es
s
Hình 12. Hệ thống có BESS đóng vai trò 
nguồn dự phòng 
a) Biểu thị theo công suất 
b) Biểu thị theo dòng điện 
- Batteries có tác dụng như một kho trữ 
điện trung gian kết hợp với bộ DC/AC có điều 
khiển đóng vai trò của một thiết bị BESS 
(Battery Energy Storage System) làm nhiệm 
vụ cân bằng động và nguồn dự phòng, [8]. 
Mô phỏng hệ thống bằng Matlab-
Simulink thu được các kết quả trên hình 11. 
và hình 12a,b. 
- Hình 11. Chỉ rõ các quá trình năng 
lượng trong hệ thống: Uac, Iac là dòng và áp 
phía tải xoay chiều, Ppv, Ipv là công suất và 
dòng phát ra của PV, Pideal là công suất lý 
tưởng mà PV có thể phát được. 
- Hình 12. Cho thấy công năng của khối 
BESS. Tại thời điểm 0,5s , khi mất BXMT đột 
ngột (do thuyền xoay hướng hay bị che khuất) 
làm PV không có khả năng phát điện, lập tức 
BESS tác động đóng vai trò nguồn dự phòng 
với thời gian gián đoạn cực ngắn, khoảng 
20ms (1 chù kỳ tần số 50Hz) [8]. Tính năng 
này đã đảm bảo cho hệ nguồn có độ tin cậy 
cao, đáp ứng yêu cầu của những hộ phụ tải 
quan trọng nhất như: các thiết bị điện tử, các 
hệ điều khiển... hay những du thuyền cao cấp. 
3. KẾT LUẬN 
Kết quả nghiên cứu của bài báo đã đề 
xuất được một mô hình sử dụng hệ nguồn pin 
Mặt trời áp dụng cho du thuyền đáp ứng 
những đòi hỏi khắt khe: 
- về các tiêu chuẩn môi trường của một 
khu du lịch – Kỳ quan thế giới, 
- đảm bảo các tiêu chuẩn chất lượng điện 
năng cung cấp cho một hộ tiêu thụ loại cao 
cấp. 
Mô hình PV-MPPT-DC/DC,AC (BESS) 
có tiêu chí tiết kiệm điện năng, nâng cao hiệu 
quả khai thác năng lượng từ nguồn pin Mặt 
trời (ví dụ tăng thêm 47% trong trường hợp 
trên), điều này mang lại rất nhiều lợi ích. 
Thực tế, trong lịch sử nghiên cứu về pin Mặt 
trời các Nhà khoa học phải mất nhiều năm 
mới có được những công nghệ làm tăng hiệu 
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03
-20
0
20
40
60
Duty
P
id
ea
l 
P
pv
 U
ac
Ia
c 
 I
pv
Ipv Iac
Uac
Pideal, Ppv
Hình 11. Các quá trình năng lượng 
của hệ thống 
Page 8 of 8 
xuất của một bộ pin Mặt trời lên vài phần 
trăm. Hơn nữa, giải quyết được vấn đề tiết 
kiệm năng lượng là đồng nghĩa với không 
phải phát triển thêm công suất hay số lượng 
nguồn phát trong hệ thống. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Hình1. Ảnh minh họa. 
[2] Hoàng Dương Hùng, Năng lượng Mặt 
trời – Lý thuyết và ứng dụng, Nhà xuất 
bản KH&KT, 2007. 
[3] Đặng Đình Thống, Lê Danh Liên, Cơ sở 
năng lượng mới và tái tạo, Nhà xuất bản 
KH&KT, 2006. 
[4] Thân Ngọc Hoàn, Năng lượng điện Mặt 
trời và những phương pháp nâng cao chất 
lượng và hiệu suất, Tạp chí Khoa học 
Công nghệ Hàng hải, số 18, 2009. 
[5] Joe-Air Jiang, Tsong-Liang Huang, 
Ying-Tung Hsiao, Chia-Hong Chen, 
Maximum power tracking for 
photovoltaic power system, Tamkang 
Journal of Science and Engineering, Vol. 
8, No 2, pp. 147-153, 2005 
[6] T.Chaitanya, Ch.Saibabu, J.Surya 
Kumari, Modeling and Simulation of PV 
Array and its Performance Enhancement 
Using MPPT (P&O) Technique, 
T.Chaitanya et al, International Journal of 
Computer Science & Communication 
Networks, Vol 1,September-October 
2011. 
[7] Roberto Faranda, Sonia Leva, Energy 
comparison of MPPT techniques for PV 
Systems, Wseas Transactions on power 
systems, ISSN: 1790-5060, Issue 6, 
Volume 3, June 2008. \ 
[8] Ngô Đức Minh, Nguyên cứu ứng dụng hệ 
thống tích trữ năng lượng dùng ắc quy 
trong mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ, 
Luận án tiến sỹ Trường Đại học Bách 
Khoa Hà Nội, năm 2010. 
SUMMARY 
In this paper concerns with protecting and holding green – fresh - beautiful environment in 
exploiting and using renewable energy. When applying to Quang Ninh province – a nature 
wonder that was ranked in 2012, author focuses on using photovoltaic system to supply electric 
power for floating projects on the sea, perhaps they are fixed floating building or moving boat. 
Solar irradiance in this case, falls down photovoltaic system, differs from fixed photovoltaic 
system on land. Propose some technical solutions suitably to ensure demand, quality electric 
power and responding environment, aesthetic requirements at once. Build an isolated electric grid 
model that has structure as PV-MPPT-DC/DC, AC(BESS) and carries out optimal energy 
solution in photovoltaic system when irradiance intensity is always unstable including loss 
suddenly. Research results are represented by simulating in Matlab/Simulink. 
Keywords: Photovoltaic panel, PV-MPPT, PV-LOAD, PV-MPPT-DC/DC,AC(BESS).