Nghiên cứu và phát triển mô hình vật lý của pin mặt trời

12
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(63).2018
Nghiên cứu và phát triển mô hình vật lý của pin mặt trời
Research and development for the photovoltaic emulator
Lưu Thị Huế
1
, Vũ Hoàng Giang
1
, Phạm Đức Khẩn
2
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
Sự phát triển của công nghệ phát điện bằng năng 
lượng mặt trời đã trở nên khá phổ biến trên toàn 
thế giới thể hiện ở sự gia tăng về số lượng và 
công suất phát của các hệ thống điện mặt trời. 
Ở Việt Nam, các dự án nguồn điện sản xuất từ 
năng lượng tái tạo trong đó có năng lượng mặt 
trời được khuyến khích phát triển và đã được đề 
cập tới trong Quy hoạch điện VII (điều chỉnh) với 
mục tiêu đạt công suất khoảng 12000 MW vào 
năm 2030 [1]. 
Trong quá trình phát triển, công nghệ phát điện 
bằng năng lượng mặt trời gặp phải một số vấn 
đề kỹ thuật cần cải thiện bao gồm yêu cầu nâng 
cao hiệu suất của hệ thống, giảm thiểu giá thành 
đầu tư, giảm chi phí vận hành... Về nguyên lý hoạt 
động, công suất phát ra của nguồn điện mặt trời 
phụ thuộc vào cường độ bức xạ mặt trời tại nơi 
lắp đặt thường biến thiên và không ổn định theo 
thời gian. 
Để phục vụ cho nghiên cứu, khảo sát hệ thống pin 
mặt trời, nhiều bộ mô phỏng đã được xây dựng. 
Ưu điểm chính của các bộ mô phỏng là có thể 
thay thế các tấm pin mặt trời thực tế trong nghiên 
cứu học tập về lĩnh vực liên quan và vượt qua 
được hạn chế của hệ thống thí nghiệm với pin mặt 
trời thực bao gồm: 
- Giá trị cường độ bức xạ mặt trời không phải luôn 
sẵn có ở mọi thời điểm.
- Cường độ bức xạ mặt trời phụ thuộc nhiều vào 
điều kiện thời tiết.
Người phản biện: 1. PGS.TS. Trần Vệ Quốc
 2. TS. Nguyễn Trọng Các
LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HÓA
Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(63).2018 13
- Thí nghiệm ngoài trời gặp nhiều khó khăn và 
khó lặp lại thí nghiệm với cùng điều kiện khí hậu. 
- 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], 
SAS12010 Solar Array Simulator của Aplab 
[3], hay Chroma’s 62000H-S series Solar Array 
Simulator của Chroma [4]. Các bộ mô phỏng công 
nghiệp thường được trang bị bộ điều khiển lập 
trình cho phép mô phỏng được các đặc tính đầu 
ra vôn-ampe của pin mặt trời trong các điều kiện 
nhiệt độ, cường độ bức xạ mặt trời khác nhau. 
Nhược điểm chính của các bộ mô phỏng là có 
chi phí cao và đôi khi hạn chế về mở rộng ứng 
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 
được trong quá trình sử dụng, hơn nữa cần đáp 
ứng các yêu cầu về gọn nhẹ và chi phí thấp [5-10].
Với mục tiêu phát triển hệ thống thí nghiệm cho 
các môđun pin mặt trời, nghiên cứu này thực 
hiện tổng hợp và phân tích mô hình, mô phỏng 
đối tượng trên phần mềm và thực hiện một số thí 
nghiệm ở công suất thấp nhằm hướng đến việc 
xây dựng một mô hình vật lý có công suất phù hợp 
phục vụ cho nghiên cứu môđun pin mặt trời trong 
phòng thí nghiệm. 
Bài báo được bố cục như sau. Mục 2 tổng hợp mô 
hình tổng quát của pin mặt trời. Tiếp theo, mục 3 
giới thiệu kết quả mô phỏng pin mặt trời trên phần 
mềm Proteus. Quá trình xây dựng mô hình vật lý 
công suất bé và các thử nghiệm đặc tính liên quan 
được trình bày trong mục 4. Cuối cùng các kết 
luận và kiến nghị được đưa ra trong mục 5.
2.MÔ HÌNH CỦA PIN MẶT TRỜI
Mô hình nguyên lý cấu tạo của pin mặt trời như 
trên hình 1 [10].
Hình 1. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của pin mặt trời
Sơ đồ mạch điện của pin mặt trời được thể hiện 
trên hình 2 [8, 9].
Hình 2. Sơ đồ mạch tương đương của pin mặt trời
Trong đó thành phần chính của điện trở nối tiếp Rs 
là điện trở của vật liệu bán dẫn, điện trở tiếp xúc, 
và các điện trở khác trên đường truyền công suất. 
I 
V 
Chiều tăng 
của Rs 
I 
V 
Chiều giảm 
của Rp 
Hình 3. Sự ảnh hưởng của điện trở đến đặc tính 
vôn-ampe của pin mặt trời
Điện trở song song Rp là do sự không hoàn hảo 
của tiếp giáp p-n của pin và phần lân cận [8]. Sự 
dịch chuyển của đặc tính điển hình vôn-ampe (V-I) 
của PV theo các điện trở được thể hiện trên hình 3.
Quan hệ đặc tính V-I của PV tương ứng với mô 
hình tổng quát trên hình 1 được biểu diễn bởi 
phương trình sau:
( ) ( ) ( )/ 1 / (1)s Cq V IR kT Aph s s pI I I e V IR R+ = − − − +  ( )
trong đó: Iph là dòng quang điện; Is là dòng điện tối 
bão hòa của tế bào quang điện (ứng với khi tế bào 
quang điện được che tối, không nhận được photon); 
q là điện tích của một electron, q = 1,6.10-19 C; k là 
hằng số Boltzmann, k = 1,38.10-23 J/K; TC là nhiệt 
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 
(Ns) như sau:
14
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(63).2018
 (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 
vật lý sử dụng trong phòng thí nghiệm
3. MÔ PHỎNG PIN MẶT TRỜI TRÊN PHẦN 
MỀM PROTEUS
Trước khi xây dựng mô hình vật lý của pin mặt 
trời thì việc mô phỏng mô hình lựa chọn, và kiểm 
tra các đặc tính của nó là rất cần thiết. Đây là cơ 
sở để xây dựng mạch in, mạch thực cho mô hình. 
Trong bài báo này tác giả sử dụng phần mềm 
Protues để mô phỏng.
Phần mềm Proteus miễn phí được sử dụng làm 
công cụ mô phỏng trong nghiên cứu này. Đây là 
phần mềm dễ sử dụng, trực quan và rất thuận tiện 
trong thiết kế ban đầu để chế tạo mạch in cho các 
bộ mô phỏng.
Sơ đồ mô phỏng của pin mặt trời được thể hiện 
trên hình 4, trong đó:
Nguồn điện áp một chiều V18 kết hợp biến trở 
RV4 để mô phỏng nguồn dòng điện Iph và điện trở 
song song Rp trong mô hình trên hình 2. Mô tả chi 
tiết của sự thay thế này được nêu trong mục 4.1. 
Ngoài ra trong sơ đồ sử dụng điôt D1, điện trở 
R54 mô phỏng cho Rs, và các điện trở từ R1 đến 
R10 kết hợp với công tắc SW2 để thay đổi điểm 
làm việc V-I đầu ra của pin (dòng điện và điện áp 
được đo tương ứng bằng các khối ampe kế và 
vôn kế một chiều).
Hình 4. Sơ đồ mô phỏng pin mặt trời trên phần 
mềm Proteus
Hình 5. Các đường đặc tính V-I của pin mặt trời 
với các cường độ bức xạ khác nhau
Hình 5 thể hiện kết quả mô phỏng họ đặc tính của 
PV (từ IPV1 đến IPV2) tương ứng với cường độ 
bức xạ khác nhau.
Từ kết quả mô phỏng đặc tính của pin mặt trời 
bằng phần mềm Proteus như là một bước chuẩn 
bị để thiết kế mô hình vật lý của pin bằng thực 
nghiệm sẽ được trình bày trong mục 4.
4. MÔ HÌNH VẬT LÝ CỦA PIN MẶT TRỜI VÀ 
KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM
4.1. Giới thiệu mô hình vật lý
Dựa vào sơ đồ trong hình 2, mô hình vật lý của 
pin mặt trời được xây dựng trên cơ sở kết hợp 
nguồn Iph và một điôt mắc song song. Thành phần 
chính của dòng điện đầu ra là dòng quang điện, 
trong khi đó dòng qua điôt có giá trị nhỏ và có thể 
tạo ra nhờ đặc tính vốn có của điôt. Trong thực 
tế, để tạo ra nguồn dòng điện thường gặp nhiều 
khó khăn hơn (do yêu cầu phải kết hợp nhiều linh 
kiện điện tử công suất) so với nguồn điện áp phổ 
biến (có thể sẵn có hoặc tạo ra được bằng một số 
linh kiện đơn giản). Mặt khác trên cơ sở lý thuyết 
mạch điện, nguồn dòng điện Iph mắc song song 
với điện trở Rp có thể thay thế tương đương bằng 
một nguồn áp Eph nối nối tiếp với điện trở Rp: Eph 
= Rp.Iph, như đã được minh họa trong mô phỏng 
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 6. Sơ đồ nguyên lý mạch thí nghiệm
LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HÓA
Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(63).2018 15
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 
ra thay đổi trong hai trường hợp: Eph = 24 V và 
Eph = 18 V. 
4.2. Kết quả thí nghiệm 
Sơ đồ mạch thí nghiệm trên hình 7 được xây dựng 
dựa vào sơ đồ nguyên lý ở hình 6.
Hình 7. Sơ đồ mạch thí nghiệm
Tiến hành điều chỉnh điểm làm việc của pin bằng 
thay đổi điện trở R2 với các tham số trong bảng 
3 sẽ thu được kết quả là các đường đặc tính V-I, 
P-V của một bộ pin như hình 8.
Hình 8. Kết quả thí nghiệm đặc tính I-V (trái) và 
P-V (phải)
Hình 9. Đặc tính xấp xỉ của pin mặt trời
Có thể nhận thấy từ kết quả thực nghiệm hình 
9 và kết quả mô phỏng hình 5 giống nhau các 
đặc tính tạo ra có dạng của đặc tính pin mặt trời 
thường gặp.
Áp dụng thuật toán tìm đường cong dựa vào dữ 
liệu cho trước (“fitting curve”) của Matlab có thể 
xác định được phương trình đặc tính có dạng: 
(3)
Thông số thu được trong hai thí nghiệm như sau:
Eph = 24 V: A = 5,887; Is = 0,0006416 A;
Eph = 18 V: A = 5,991; Is = 0,0005547 A.
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 
điện áp của nguồn có thể điều khiển được. Mạch 
tăng áp có sơ đồ như hình 9 đáp ứng được yêu 
cầu trên. 
TL494
R1
R2
Ct
143
16
7
5
6
4
8
1
152
13
12
11
10
912V
-
+
R4
R5
+
+
+
-
D2
D1 D3
D4
C2
C3
C4
Q1
Q2
Rt
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 
được thời gian đóng cắt của Q1 và Q2, vì vậy điện 
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.
Để thay đổi điện áp đầu ra Vout bằng điều khiển độ 
rộng của xung PWM kích mở cho Q1 và Q2, chỉ 
cần thay đổi điện áp đặt vào chân 3.
Hơn nữa việc đóng cắt liên tục hai van bán dẫn Q1 
và Q2, vì vậy luôn xuất hiện dòng điện liên tục trên 
tải, do đó nguồn cho hiệu suất cao. Hình 10 là kết 
quả thử nghiệm mạch tăng áp. 
16
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(63).2018
Hình 11. Mạch tăng áp
Hình 11 minh họa giá trị đo của mạch tăng áp sử 
dụng mạch có điều khiển bằng điều biên độ rộng 
xung dùng TL494 của hãng Texas Instruments, [4] 
để nâng điện áp từ 12 V lên khoảng 380 V. Ngoài 
ra các bộ biến đổi tăng áp DC-DC cũng có thể 
được sử dụng để nâng điện áp nguồn nhưng đòi 
hỏi thiết kế mạch và bộ điều khiển tương ứng. 
Hình 12 và hình 13 là minh chứng sơ đồ và kết 
quả mô phỏng của một pin mặt trời công nghiệp 
có các thông số xem trong bảng 2 với nguồn vào 
Vout được lấy từ đầu ra của bộ tăng áp.
Hình 12. Sơ đồ mô phỏng pin mặt trời
 Hình 13. Đường đặc tính của pin mặt trời
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. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. 
[2]. Hoàng Dương Hùng (2014). Năng lượng mặt trời 
lý thuyết và ứng dụng. Nhà xuất bản ĐH Bách 
khoa Đà Nẵng.
[3]. H. Abidi, A.B.B. Abdelghani and D. & Montesinos-
Miracle (2012). MPPT algorithm and photovoltaic 
array emulator using DC/DC converters. In 16th 
IEEE Mediterranean Electrotechnical Conference.
[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 
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.
[10]. https://computergotx.com.