Nghiên ứu thuật toán tìm điểm công suất cực đại (mppt) cho hệ thống điện mặt trời kết nối lưới

- So sánh, phân tích ưu, nhược điểm các thuật toán tìm điểm công suất cực đại đối với hệ thống điện mặt trời kết nối lưới.. Đối tượng và phạm vi nghiên cứuViệc hòa lưới điện mặt trời, đặ

-

NGUYỄN HỒNG VIỆT

NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN TÌM ĐIỂM CÔNG

SUẤT CỰC ĐẠI (MPPT) CHO HỆ THỐNG ĐIỆN

MẶT TRỜI KẾT NỐI LƯỚI

L UẬN VĂN THẠC SỸ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS NGUYỄN HOÀNG VIỆT

Hà Nội – 2018

Tôi xin cam đoan luận văn thạc s v i nỹ ớ ội dung đề tài là “Nghiên cứ u thuât

do gi ng viên ả TS Nguyễn Hoàng Việt hướng d n là nghiên c u c a riêng ẫ ứ ủ tôi Tất cảcác tài liệu tham khảo đều có ngu n g c và xu t xứ ràng ồ ố ấ rõ

Hà Nội, ngày 25 tháng 3 năm 2018

Nguyễn Hồng Vi t ệ

LỜI CAM ĐOAN 1

MỤC LỤC 2

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC BẢNG BIỂU 6

DANH MỤC HÌNH VẼ 7

MỞ ĐẦU 9

1 Lý do lựa chọn đề tài 9

2 Một số mục tiêu nghiên cứu chính của luận văn 10

3 Kết quả nghiên cứu hệ thống điện mặt trời ở nước ta hiện nay 10

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 10

5 Phương pháp luận 10

6 Những đóng góp mới của luận văn 11

7 Kết cấu của luận văn 11

CHƯƠNG I TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VÀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI 13

I.1 Sự phát triển và ứng dụng công nghệ năng lượng mặt trời 13

I.1.1 Giới thi u các công ngh ệ ệ năng lượng m t trời 13 ặ I.1.2 Chính sách Năng lượng m t tr i 17 ặ ờ I.2 Công nghệ điện mặt trời 19 I.2.1 Cấ ạu t o và nguyên lý ho t đ ng 21 ạ ộ

I.2.3 Các đặc trưng của Pin m t tr i 24 ặ ờI.2.4 Tấm pin m t tr i và các cách ghép n i module m t tr i 27 ặ ờ ố ặ ờI.3 Các hình thức hoạt động của hệ thống điện năng lượng mặt trời 29 I.3.1 Hệ ống điện năng lượ th ng m t tr i 30 ặ ờI.3.2 Hệ ống điện năng lượ th ng m t tr i k t nặ ờ ế ối lưới 30

CHƯƠNG II

MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI KẾT NỐI LƯỚI VÀ CÁC YẾU

TỐ ẢNH HƯỞNG 33 II.1 Hệ thống điện mặt trời kết nối lưới (Gird - Connected PV system) 33 II.1.1 Cấu trúc h thệ ống điện m t tr i nặ ờ ối lưới không d ữ 33 ựtrII.1.2 Cấu trúc h thệ ống điện m t tr i nặ ờ ối lưới có d ữ 34 ựtrII.1.3 Phân tích cấu hình h th ng ệ ố năng lượng m t trời 35 ặII.1.4 Mộ ố phương pháp kết s t nối lưới của h ống điệệth n mặt trời 36 II.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống điện năng lượng mặt trời 39 II.2.1 Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng 40 II.2.2 Ảnh hưởng c a nhi t đ 41 ủ ệ ộII.2.3 Nhận xét chung 42 II.3 Một số ứng dụng cơ bản của hệ thống điện năng lượng mặt trời 43

CHƯƠNG III

TÌM HIỂU MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP, THUẬT TOÁN TÌM ĐIỂM CÔNG

III.1 Giới thiệu 45 III.2 Vai trò của bộ tìm điểm công suất cực đại (MPPT) 48

II.2.2 Khi không có bộ MPPT 51

III.3 Phương pháp Nhiễu loạn và Quan sát (P&O) tìm MPP 54

III.4 Phương pháp Điện dẫn gia tăng (INC) tìm MPP 56

CHƯƠNG IV SO SÁNH KỸ THUẬT MỘT SÔ THUẬT TOÁN TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CHO HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI KẾT NỐI LƯỚI 59

IV.1 Mô hình hóa hệ thống trong Matlab 59

IV.2 Kịch bản nghiên cứu 62

IV.3 Sử dụng thuật toán P&O 64

IV.4 Sử dụng thuật toán INC 69

IV.5 Sử dụng thuật toán INC cải tiến 74

KẾT LUẬN 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

PHỤ LỤC MÔ HÌNH MÔ PHỎNG CÁC THUẬT TOÁN TRONG MATLAB SIMULINK 80

DANH M C CÁC CH Ụ ỮVIẾ T TẮT

DANH M C BỤ ẢNG BI UỂ

Bảng I.1 Tốc độ tăng trưởng trung bình (%) công suất phát điện NLTT giai đoạn 2008-2013 và năm 2013 (nguồn REN21-2014) 16 Bảng III.1 Lưu đồ thuật toán phương pháp nhiễu loạn và quan sát 55 Bảng III.2 Lưu đồ thuật toán phương pháp điện dẫn gia tăng 57

DANH M C Ụ HÌNH V Ẽ

Hình I.1 Sơ đồ khối các công nghệ NLMT 14

Hình I.2 Công suất phát điện mặt trời (PMT) hàng nămtrong giai đoạn 2004 -2013 trên toàn cầu 16

Hình I.3 Đầu tư (tỷ USD) và công suất điện PMT xây dựng thêm hàng năm (GW) trên toàn cầu giai đoạn 2004-2013 17

Hình I.4 Thị phần công suất lắp đặt thiết bị nước nóng NLMT của 10 nước dẫn đầu Thế giới 18

Hình I.5 Hình ảnh tấm pin mặt trời 19

Hình I.6 Chất bán dẫn P-N 22

Hình I.7 Sơ đồ cấu ấu trúc chuyển tiếp p n, thành phần quan trọng nhất của điốt -bán dẫn Tiền đề chế tạo thành công pin năng lượng Mặt Trời hoàn thiện 24

Hình I.8 Sơ đồ thay thế pin mặt trời 25

Hình I.9 Đường đặc trưng sáng của Pin mặt trời 26

Hình I.10 Mô hình 1 Cell, Module và Array pin mặt trời 27

Hình I.11 Sơ đồ hệ thống điện năng lượng mặt trời hoạt động độc lập 30

Hình I.12 Sơ đồ hệ thống điện năng lượng mặt trời kết nối lưới 31

Hình II.1 Cấu trúc chung hệ thống điện mặt trời nối lưới không dự trữ 33

Hình II.2 Cấu trúc chung hệ thống điện mặt trời nối lưới không dự trữ 35

Hình II.3 Cấu trúc chung hệ thống điện mặt trời nối lưới không dự trữ 39

Hình II.4 Đặc tính Von – Apme với ảnh hưởng của cường độ sáng 40

Hình II.5 Đặc tính Von – Apme với ảnh hưởng của nhiệt độ chiếu sáng 42

Hình III.1 Đồ thị đặc tính P-V của tấm pin mặt trời phụ thuộc cường độ chiếu sáng khi nhiệt độ không đổi 45

Hình III.2 Đồ thị đặc tính I-V của tấm pin mặt trời 46

Hình III.3 Điểm làm việc công suất cực đại MPP của pin mặt trời 46

Hình III.4 Nguyên lý tìm điểm công suất cực đại MPP của pin mặt trời 48

Hình III.5 Hệ thống điện mặt trời 100kW kết nối lưới (mô hình trung bình) 49

Hình III.6 Kết quả khi có MPPT và giá trị điều khiển ban đầu D=0,5 50

Hình III.7 Kết quả khi không có MPPT và giá trị điều khiển D=0,4 51

Hình III.8 Kết quả khi không có MPPT và giá trị điều khiển D=0,5 52

Hình III.9 Kết quả khi không có MPPT và giá trị điều khiển D=0,6 53

Hình IV.1 Mô hình hệ thống điện khảo sát 60

Hình IV.2 Lựa chọn loại pin và cách kết nối (dãy nối tiếp và song song) 61

Hình IV.3 Mô hình dàn pin mặt trời cùng thông số đo 61

Hình IV.4 Kịch bản thay đổi điều kiện môi trường chậm 63

Hình IV.5 Kịch bản thay đổi điều kiện môi trường nhanh 63

Hình IV.6 Kết quả vận hành P&O khi môi trường thay đổi chậm 67

Hình IV.7 Kết quả vận hành P&O khi môi trường thay đổi nhanh 68

Hình IV.8 Kết quả vận hành INC khi môi trường thay đổi chậm 72

Hình IV.9 Kết quả vận hành INC khi môi trường thay đổi nhanh 73

Hình IV.10 Thuật toán INC cải tiến trong Matlab/Simulink 74

Hình IV.11 Kết quả vận hành INC cải tiến khi môi trường thay đổi chậm 75

Hình IV.12 Kết quả vận hành INC cải tiến khi môi trường thay đổi nhanh 76

M Ở ĐẦU

Trong thời đại hiện nay, điện năng chủ yếu được biến đổi và khai thác từ các nguồn nhiên liệu hóa thạch như: than đá, dầu mỏ và các sản phẩm thu được từ lọc dầu hoặc các nguồn năng lượng khác bao gồm thủy năng và năng lượng nguyên tử Tuy nhiên, do sự cạn kiệt của tài nguyên thiên nhiên và sự nâng cao nhận thức trong vấn

đề bảo vệ môi trường, việc sản xuất điện năng từ các nguồn năng lượng tái tạo ngày càng được quan tâm và là lựa chọn cho sự phát triển lâu dài, bền vững của mỗi quốc gia Điện mặt trời là một trong những nguồn năng lượng được đánh giá có tiềm năng lớn và có khả năng ứng dụng cao bởi rất nhiều ưu điểm

- Lắp đặt tại những địa điểm vùng sâu, miền núi xa xôi hẻo lánh mà những nơi

đó lưới điện phân phối chưa được xây dựng

- Thuận tiện cho việc lắp đặt ở trung tâm phụ tải để tiết kiệm chi phí truyền tải

- Tận dụng được nguồn năng lượng vô tận từ ánh sáng mặt trời, đặc biệt là vào thời gian những ngày nắng nóng

- Nhỏ gọn, cấu trúc tĩnh, ít gây ra tiếng ồn như và chi phí bảo dưỡng thấp hơn khi so sánh với các nguồn năng lượng khác

- Không phát thải các khí gây ô nhiễm môi trường như CO2, SO2 phù hợp với

xu thế bảo vệ Trái đất từ những tác động của biến đổi khí hậu

Từ những ưu điểm trên, điện năng lượng mặt trời đã và đang được ứng dụng

và phát triển một cách nhanh chóng Nếu như trước đây điện năng lượng mặt trời chỉ được khai thác với quy mô công suất nhỏ dưới dạng pin mặt trời thì những năm trở lại đây nhờ sự cải tiến về công nghệ chế tạo pin mặt trời kết hợp với sự phát triển của các thiết bị điện tử công suất, nhiều hệ thống điện mặt trời công suất lớn đã được tạo

ra và có khả năng kết nối lưới đạt hiệu quả cao

2 Một số mục tiêu nghiên cứu chính của luận văn

Trong luận văn này, mục đích chính của đề tài gồm:

- Tìm hiểu về nguồn gốc, lịch sử và sự phát triển của pin mặt trời

- Nghiên cứu hệ thống điện mặt trời kết nối lưới

- So sánh, phân tích ưu, nhược điểm các thuật toán tìm điểm công suất cực đại đối với hệ thống điện mặt trời kết nối lưới

Tuy việc ứng năng lượng mặt trời để sản xuất điện năng chưa được phổ biến rộng rãi trong thực tế sản xuất và dân sinh nhưng đã bước đầu đã có những hệ thống điện năng lượng mặt trời công suất được lắp đặt Câu hỏi được đặt ra là làm như thế nào để xác định được thời điểm công suất thu được là lớn nhất và qua đó sử dụng phụ

tải nhiều nhất Để đáp ứng nhu cầu đó luận văn sẽ tiến hành: “Nghiên cứu thuât toán

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Việc hòa lưới điện mặt trời, đặc biệt là khi công suất điện mặt trời lớn có thể gây ra những ảnh hưởng đến lưới điện do các nguyên nhân: Thay đổi trào lưu công suất, gây hiện tượng sóng hài, ảnh hưởng đến chất lượng điện áp, ổn định điện áp, ổn định góc,…

Trong phạm vi luận văn thạc sỹ, ta sẽ nghiên cứu đặc tính của điện năng lượng mặt trời và sự phụ thuộc của chúng vào điều kiện môi trường từ đó có thể khai thác hiệu quả nguồn điện này Đồng thời, ta cũng phân tích các phương pháp tìm điểm công suất cực đại của hệ thống điện mặt trời kết nối lưới

5 Phương pháp luận

Trong luận văn này, các phương pháp nghiên cứu chính bao gồm:

- Phương pháp tổng hợp lý thuyết và mô hình hóa hệ thống: Thông qua việc phân tích các cấu trúc cơ bản, nguyên lý hoạt động của pin mặt trời (PMT), các bộ

biến đổi năng lượng trong thực tế ta sẽ tiến hành xây dựng mô hình của một hệ thống điện mặt trời kết nối lưới mô phỏng bằng phần mềm Matlab Simulink

- Phương pháp so sánh, đối chiếu và tổng hợp đánh giá: sau khi xây dựng được

mô hình hệ thống điện mặt trời kết nối lưới, ta sẽ áp dụng lần lượt các thuật toán tìm điểm công suất cực đại khác nhau để có được sự lựa chọn tối ưu Từ đó, đưa ra những khuyến cáo về việc áp dụng bộ điều khiển phù hợp nhất trong thực tiễn sử dụng

6 Những đóng góp mới của luận văn

Việc nghiên cứu thuật toán tìm điểm công suất cực đại không phải là một đề tài mới lạ Trước đây đã có một số kết quả nghiên cứu được công bố và ứng dụng trong sản xuất ra các hệ thống điện mặt trời sử dụng bộ điều khiển cho phép xác định điểm công suất cực đại của hệ thống Tuy nhiên, vẫn còn nhiều ý kiến chưa đồng nhất

về sự lựa chọn tốt nhất Vì vậy, luận văn này được ra đời và sẽ góp phần làm sáng tỏ những sự khác biệt đó

Với mục đích như trên, kết cấu của luận văn được chia thành 04 chương:Chương 1: Tổng quan các nghiên cứu và sự phát triển của hệ thống điện mặt trời

Chương 2: Mô hình hê thống điện mặt trời kết nối lưới và các yếu tố ảnh hưởng

Chương 3: Tìm hiểu một số phương pháp, thuật toán tìm điểm công suất cực đại cho hê thống điện mặt trời

Chương 4: Phân tích, so sánh kỹ thuât một số thuật toán tìm điểm công suất cực đại cho hệ thống điện mặt trời kết nối lưới khi điều kiện môi trường thay đổi Luận văn được học viên hoàn thành dưới sự hướng dẫn tận tình, tỉ mỉ của thầy

giáo TS Nguyễn Hoàng Việt cùng sự góp ý của thầy cô trong bộ môn Hệ thống điện,

trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Em xin chân thành cảm ơn thầy TS Nguyễn Hoàng Việt cùng các thầy cô trong bộ môn đã giúp em hoàn thành tốt luận văn này.

Hà Nội, ngày 25 tháng 3 năm 2018

Nguyễn Hồng Vi t ệ

CHƯƠNG I

T NG QUAN CÁC NGHIÊN C U VÀ S PHÁT TRI N CỔ Ứ Ự Ể ỦA H Ệ

THỐNG ĐIỆN M T TR I Ặ Ờ

I.1 Sự phát triển và ứng dụng công nghệ năng lượng mặt trời

I.1.1 Giới thi u các công ngh ệ ệ năng lượng m t tr iặ ờ

a) Khái niệm về năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời (NLMT) được phát ra từ mặt trời là nguồn năng lượng sạch, có đặc tính “tái tạo”và có trữ lượng khổng lồ Nó còn là nguồn gốc của các nguồn năng lượng sạch và tái tạo khác như: năng lượng gió, năng lượng sinh khối, thuỷ năng và năng lượng đại dương

Ngoài ra, NLMT còn phân bố rộng khắp trên mặt đất Mọi quốc gia trên thế giới đều có thể khai thác, ứng dụng nguồn tài nguyên NLTT này

Bên cạnh các ưu việt nói trên, NLMT cũng có một số nhược điểm, gây khó khăn cho việc khai thác ứng dụng Đó là: (1) Không ổn định mà thay đổi liên tục theo thời gian và phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ môi trường, cường độ chiếu sáng; (2) Mật

độ NL thấp Mật độ NLMT trên mặt đất có giá trị cực đại chỉ khoảng 1000W/m2 Vì vậy để có thể thu NL với công suất lớn cần rất nhiều diện tích để lắp đặt các hệ thống thu năng lượng mặt trời Ngoài ra, hệ số công suất của các hệ thống NLMT khá thấp

do thời gian có nắng hàng ngày không cao

b) Các công nghệ Năng lượng mặt trời phổ biến trên Thế giới

Hiện nay, công nghệ NLMT được phân chia thành 3 loại: (1) Công nghệ quang điện (Solar Photovoltaic, PV); (2) Công nghệ NLMT hội tụ (Concentrating Solar Thermal Power, CSP) hay công nghệ nhiệt điện mặt trời; (3) Công nghệ nhiệt mặt trời nhiệt độ thấp hay còn gọi là công nghệ nhiệt mặt trời (Solar thermal heating and cooling)

đun pin mặt trời (PMT), nó biến đổi trực tiếp NLMT thành điện năng (dòng một

chiều, DC) Nhờ các bộ biến đổi điện (Inverter) dòng điện DC được chuyển thành dòng xoay chiều, AC Dàn PMT gồm nhiều mô đun PMT ghép nối lại, có thể có công suất từ vài chục oát (W) đến vài chục me-ga-oat (MW) Hiệu suất chuyển đổi của hệ nguồn PMT khá thấp, trong khoảng từ 12% đến 15% đối với các hệ thương mại Tuy nhiên, bù lại, hệ nguồn này có cấu trúc đơn giản, hoạt động tin cậy và lâu dài, công việc vận hành và bảo trì bảo dưỡng cũng đơn giản và chi phí rất thấp

Hình I.1 Sơ đồ khối các công nghệ NLMT

hội tụ (như máng gương parabon, bộ hội tụ Fresnel, tháp hội tụ sử dụng các gương phẳng…) Quá trình chuyển đổi NL thực hiện qua 2 bước Đầu tiên, NLMT được hội

tụ để tạo ra nguồn NL có mật độ và nhiệt độ rất cao Sau đó nguồn NL này làm hóa hơi nước ở áp suất và nhiệt độ cao để cấp cho tuốc bin của máy phát điện để sản xuất điện Ở một số nhà máy CSP ở các nước Trung Đông và Tây Ban Nha người ta còn kết hợp để sản xuất điện và nước sạch từ nước biển nhờ ngưng tụ hơi nước Thực tế cho thấy công nghệ này có hiệu suất chuyển đổi khá cao, khoảng 25%, nhưng nó chỉ

có hiệu quả ở các khu vực có mật độ NLMT cao hơn 5,5 kWh/m2/.ngày và công suất nhà máy không nhỏ hơn 5 MW

chuyển đổi thành nguồn NL nhiệt có nhiệt độ thấp (dưới 2000C) dựa trên hiệu ứng

nhà kính Công nghệ này hiện nay chủ yếu được ứng dụng dể sản xuất nước nóng

(cho sinh hoạt, cho các dây chuyền sản xuất công nghiệp…) Các bộ thu và chuyển đổi NLMT trong công nghệ này là các thiết bị nước nóng NLMT (TBNNMT) hay còn gọi là Collector nhiệt mặt trời

c) Tình hình phát triển và ứng dụng các công nghệ năng lượng mặt trời trên

Thế giới

Trong các năm gần đây, các công nghệ NLTT, trong đó có các công nghệ NLMT có tốc độ tăng trưởng cao và liên tục Lý do của xu hướng trên là: (1) Công nghệ ngày càng hoàn thiện, dẫn đến giá NLTT càng ngày càng giảm sâu; (2) Vấn đề

an ninh năng lượng NLTT là nguồn năng lượng (NL) địa phương nên không phụ thuộc vào nguồn nhập khẩu, và do đó không phụ thuộc vào các biến đổi chính trị và các tác động khác; (3) Các nguồn NL hóa thạch đã dần cạn kiệt, trong lúc nhu cầu

NL không ngừng tăng; (4) Ô nhiễm môi trường do khai thác sử dụng NL hóa thạch

đã đến mức báo động, dẫn đến các hiện tượng biến đổi khí hậu trên toàn cầu Việc cắt giảm phát thải, sử dụng các nguồn NL sạch - các nguồn NLTT, vì vậy trở nên cấp bách và càng ngày càng có tính nghĩa vụ đối với các quốc gia

Đến 2013, NLTT đã chiếm tỷ lệ 22,1% trong tổng sản xuất điện năng trên toàn cầu Nếu kể thêm cả sản xuất nhiệt thì tỷ lệ NLTT trong tổng sản xuất NL trên toàn cầu còn có tỷ lệ cao hơn nhiều Đặc biệt, trong các năm gần đây, giai đoạn 2008-

2013, tốc độ tăng trưởng NLTT nói chung và NLMT nói riêng đạt giá trị khá cao (bảng 1) Trừ 2 nguồn thủy điện và địa nhiệt có tốc độ dưới 4%/năm thì các nguồn NLTT khác có tốc độ tăng trưởng trên 10%/năm Ấn tượng nhất là tốc độ tăng trưởng của các công nghệ NLMT: điện PMT tăng 55%; nhiệt điện mặt trời (CSP) - 48% và nhiệt mặt trời (chủ yếu để đun nước nóng) 14%/năm.-

Giao thông vận tải (Nhiên liệu sinh học, %)Địa

nhiệt

Thủy điện

Điện MT (PV)

Nhiệt điện MT NL gió

Nhiệt Mặt trời

SX ethanol

SX biodiesel 2008-

Bảng I.1 Tốc độ tăng trưởng trung bình (%) công suất phát điện NLTT giai đoạn

2008-2013 và năm 2013 (nguồn REN21-2014)

Tổng công suất PMT đã lắp đặt giai đoạn 2004 2013 trên thế giới (hình 2) Đến năm 2013, tổng công suất PMT toàn cầu đạt đến 139 GW Nói riêng, công suất PMT lắp đặt của một sô nước và vùng lãnh thổ dẫn đầu như sau:

-Hình I.2 Công suất phát điện mặt trời (PMT) hàng nămtrong giai đoạn 2004-2013

trên toàn cầuMột trong các nguyên nhân về sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ PMT là

do giá PMT liên tục giảm sâu Trên hình 3, đầu tư vào các hệ nguồn điện PMT trên I.toàn cầu tăng liên tục từ 2004 đến 2011, trong đó giai đoạn 2009 2011 tăng rất nhanh -

Năm 2009, tổng đầu tư chỉ hơn 40 tỷ USD, đến năm 2011 đã tăng lên 120 tỷ USD, tăng 3 lần chỉ trong 2 năm

Hình I.3 Đầu tư (tỷ USD) và công suất điện PMT xây dựng thêm hàng năm

(GW) trên toàn cầu giai đoạn 2004-2013

Để NLTT và NLMT có thể phát triển tốt cần phải có các chính sách NLTT thích hợp, phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên, xã hội và kinh tế mỗi nước, cũng như vào từng giai đoạn lịch sử cụ thể Theo nghiên cứu của REN21 2014 thì đến năm -

2013 đã có 144 nước trên thế giới (khoảng 70% số nước) trong đó có có nhiều nước thuộc nhóm thu nhập thấp) đã ban hành, thực hiện chính sách hoặc các mục tiêu về NLTT

Hình I.4 Thị phần công suất lắp đặt thiết bị nước nóng NLMT của 10 nước dẫn đầu

Thế giới

NLTT nói chung và NLMT nói riêng trên phạm vi toàn cầu phát triển liên tục với tốc độ ngày càng cao Đặc biệt, trong những năm gần đây, các công nghệ NLMT chiếm ưu thế, trong đó, công nghệ điện PMT đạt tốc độ tăng trưởng cao nhất, 55%/năm, công nghệ nhiệt mặt trời nhiệt độ thấp có tốc độ tăng trưởng trung bình 18,8%/năm Các công nghệ NLMT đã phát triển vượt qua các công nghệ NLTT khác như điện gió, sinh khối và thủy điện

Các nguyên nhân chính đối với sự phát triển mạnh của các công nghệ NLMT gồm: (1) NLMT là nguồn NL sạch, vô tận và phân bố khá đều khắp trên toàn cầu; (2) Giá các thiết bị công nghệ NLMT (như mô đun PMT, TBNNMT…) giảm rất nhanh; (3) Các yêu cầu về an ninh năng lượng; (4) Các yêu cầu cấp bách về bảo vệ môi trường

Sự phát triển công nghệ NLMT đã tạo ra một ngành công nghiệp mới gọi

là công nghiệp NLMT, tạo ra hàng triệu công ăn việc làm (năm 2013 tạo ra gần 6,5 triệu), góp phần phát triển kinh tế, xã hội, bảo vệ môi trường và tăng cường an ninh năng lượng ở nhiều quốc gia trên thế giới

Một nguyên nhân quan trọng khác của sự phát triển mạnh mẽ của NLMT nói riêng và NLTT nói chung là sự quan tâm của các chính phủ trong việc xây dựng, ban hành và thực hiện các chính sách phù hợp Đến 2013, đã có 70% các nước trên thế giới có chính sách NLTT và NLMT

Đến nay điện PMT, nhiệt MT và nhiệt điện CSP đã có thể cạnh tranh với các nguồn NL truyền thống khác Nhiều khu vực, vùng lãnh thổ trên thế giới đặt mục tiêu đến năm 2020 sử dụng 100% NLTT

Việt Nam được đánh giá là có nguồn tài nguyên NLMT vào loại tốt trên thế giới Nguồn NL sạch và tiềm năng lớn này hoàn toàn có thể tham gia đóng góp vào cân bằng NL quốc gia Cho đến nay, các hoạt động nghiên cứu khai thác, ứng dụng NLMT còn rất hạn chế, trình độ thấp, qui mô nhỏ lẻ, manh mún và tự phát Lý do cơ bản cho sự trì trễ đó là do chúng ta chưa có chính sách về NLTT nói chung và NLMT nói riêng

I.2 Công nghệ điện mặt trời

Năng lượng bức xạ Mặt trời có thể coi như vô tận, vậy làm thế nào để thu được nguồn năng lượng này Pin năng lượng Mặt trời hay pin mặt trời hay pin quang điện

(Solar panel): bao gồm nhiều tế bào quang điện (solar cells) - là phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các cảm biến ánh sáng là điốt quang, thực hiện biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện

Hình I.5 Hình ảnh tấm pin mặt trời

Với nhu cầu bùng nổ theo sự giảm giá thành đầu tư cho 1kW điện, hầu hết các nhà máy thủy điện, nhà máy nhiệt điện không thể đáp ứng đủ nhu cầu phát triển phụ tải điện, trong khi các nhà máy điện nguyên tử đã tạm dừng triển khai do lo ngại về yếu tố n toàn vận hành, tác động tiêu cực tới mơi trường và trên hết là nguồn vốn ađầu tư quá lớn Trong xã hội hiện nay, giá điện là yếu tố chủ đạo để Nhà nước kêu gọi xã hội hóa đầu tư và giảm gánh nặng cho chi phí đầu tư công Trong khi giá điện ngày càng giảm thì việc chủ động được nguồn cung cấp điện độc lập sẽ góp phần giảm tình trạng quá tải và góp phần hạ giá điện hơn nữa Điều này khá quan trọng để chúng ta xem xét để đầu tư hệ thống điện năng lượng mặt trời vì hiện tại với khí hậu bất ổn, điện lưới của chúng ta không cấp đủ cho nhu cầu sử dụng nên buộc phải điều tiết cắt điện luân phiên, mà ai trong chúng ta cũng biết

Một điều đặc biệt quan trong là khi sử dụng điện từ nguồn năng lượng mặt trời này là chúng ta đã một góp phần lớn vào việc giảm hiệu ứng khí thải nhà kính, sự nóng dần lên của Trái đất Về điểm này, tôi xin được giải thích thêm như sau: Nguồn điện hiện tại chúng ta đang sử dụng chủ yếu được sản xuất từ những nguồn chính như sau: thủy điện (đây cũng là nguồn năng lượng sạch, nhưng thay đổi dòng chảy các con sông, tàn phá môi trường), nhiệt điện chạy bằng khí thiên nhiên (có thảy khí CO2 nhưng khá ít), nhiệt điện chạy bằng dầu DO, FO (thay khí CO2 khá nhiều, nhưng rất

ít nhà máy còn sử dụng), nhiệt điện chạy bằng than (thảy rất nhiều CO2, gây ô nhiễm nghiêm trọng cho bầu khí quyển của chúng ta)

Điều cuối cùng chúng tôi muốn đề cập đến là khả năng mở rộng Hầu hết các nhà máy sản xuất, các phương tiện vận chuyển, đang sử dụng nguyên liệu hóa thạch (khi đốt cháy sẽ sinh ra khí CO2) đều có thể chuyển sang sử dụng điện Nên ví dụ như bạn đầu tư cho ngôi nhà của mình hệ thống điện sử dụng năng lượng mặt trời, khi bạn có nhu cầu mua xe chạy bằng điện (một xu hướng tất yếu trong tương lai gần) bạn có thể mở rộng hệ thống để cấp điện cho xe điện này và các dụng cụ thiết yếu khác như ti vi, tủ lạnh, điện thoại,…

Với những ưu điểm nổi bật vượt trội như trên và chi phí hợp lý như hiện nay thì đã đến lúc chúng ta nên xem xét đầu tư cho gia đình mình một hệ thống điện sử dụng nguồn năng lượng mặt trời

o và nguyên lý ho

Vật liệu bán dẫn cơ bản và được sử dụng rộng rãi nhất trong tế bào quang điện

là silic đơn tinh thể Silicon được biết đến là một chất bán dẫn "Chất bán dẫn là vật liệu trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện Với tính chất như vậy, silicon là một thành phần quan trọng trong cấu tạo của pin năng lượng mặt trời Silicon tuy có mức dẫn điện hạn chế nhưng nó có cấu trúc tinh thể rất phù hợp cho việc tạo ra chất bán dẫn Nguyên tử silicon cần 4 electron để trung hòa điện tích nhưng lớp vỏ bên ngoài một nguyên tử silicon chỉ có một nửa số electron cần thiết nên nó sẽ bám chặt với các nguyên tử khác để tìm cách trung hòa điện tích

Để tăng độ dẫn điện của silicon, các nhà khoa học đã “tạp chất hóa” nó bằng cách kết hợp nó với các vật liệu khác Quá trình này được gọi là “doping” và silicon pha tạp với các tạp chất tạo ra nhiều electron tự do và lỗ trống Một chất bán dẫn silicon có hai phần, mỗi phần được pha tạp với một loại vật liệu khác Phần đầu tiên được pha với phốt pho, phốt pho cần 5 electron để trung hòa điện tích và có đủ 5 electron trong vỏ của nó Khi kết hợp với silicon, một electron sẽ bị dư ra Electron đặc trưng cho điện tích âm nên phần này sẽ được gọi là silicon loại N (điện cực N)

Để tạo ra silicon loại P (điện cực P), các nhà khoa học kết hợp silicon với boron Boron chỉ cần 3 electron để trung hòa điện tích và khi kết hợp với silicon sẽ tạo ra những lỗ trống cần được lấp đầy bởi electron

Ánh sáng mặt trời bao gồm các hạt rất nhỏ gọi là photon được tỏa ra từ mặt trời Khi va chạm với các nguyên tử silicon của pin năng lượng mặt trời, những hạt photon truyền năng lượng của chúng tới các electron rời rạc, kích thích làm cho electron đang liên kết với nguyên tử bị bật ra khỏi nguyên tử, đồng thời ở nguyên tử xuất hiện chỗ trống vì thiếu electron Khi hai loại bán dẫn này được đặt cạnh nhau trong một pin năng lượng mặt trời, electron dẫn chính của loại n sẽ nhảy qua để lấp

đầy những khoảng trống của loại p Điều này có nghĩa là silicon loại n tích điện dương

và silicon loại p được tích điện âm, tạo ra một điện trường trên pin mặt trời

I.2.2 L ch s phát triị ử ể n của năng lượng điện mặ t trời

- Thế kỷ thứ 3 trước công nguyên: Archimedes đã sử dụng những tấm gương

để phản chiếu bức xạ mặt trời và để bảo vệ Syracuse từ cuộc xâm lược của người La

Mã

- Thế kỷ thứ 14: định luật năng lượng mặt trời đầu tiên được giới thiệu tại Ý

- Năm 1888: Ed Weston nhận được bằng sáng chế cho pin năng lượng mặt trời

- Năm 1904: W Hallwachs phát hiện ra sự nhạy cảm ánh sáng trong cặp đồng

và ôxít đồng A Einstein xuất bản nghiên cứu lý thuyết tiên phong của ông về hiệu ứng quang điện (ông nhận giải Nobel năm 1921 cho công trình này)

- Năm 1953: D Trivich công bố những tính toán lý thuyết đầu tiên về hiệu xuất chuyển đổi của quang phổ đối với các vật liệu có bandgap khác nhau G Pearson tại phòng thí nghiệm Bell bắt đầu nghiên cứu pin năng lượng mặt trời bằng Li-doped Silicon.D Chapin; C Fuller và G Pearson Silicon thực hiện một pin năng lượng mặt trời rộng 2 cm2 với hiệu xuất 4% (công bố trên trang bìa NY Times )

- Năm 1960: Hoffmann Electronics tăng hiệu xuất pin quang điện đến 14%, chủ yếu được sử dụng cho vệ tinh và các ứng dụng không gian

- Năm 1963: Sharp ở Nhật Bản đã lắp đặt các mạng pin lớn nhất thế giới cho các ứng dụng trên mặt đất, với công xuất 242 W

- Năm 1970: Zh.I Alferov, V.M Andreev và một đội ở Viện Ioffe, St Petersburg ra mắt pin năng lượng mặt trời đầu tiên với GaAs heterostructure

- Năm 1981: Viện Năng lượng Mặt trời Fraunhofer ISE ở Freiburg, Đức thành lập bởi Goetzberger A.R Hezel giới thiệu Plasma Silicon Nitride (PECVD) như lớp phản chiếu và lớp thụ động, mà hiện nay được áp dụng cho hầu như tất cả pin năng lượng mặt trời thương mại bằng Silicon

- Năm 1982: sản xuất điện quang trên toàn thế giới đạt giá trị 10 MW ột nhà Mmáy quang điện 1-MW được xây dựng bởi ARCO Solar với 100 trackers lưỡng trục –với c Si module đi vào sử dụng tại California.-

- Năm 1983: sản xuất pin mặt trời trên toàn thế giới vượt mức 20 MW, và doanh số bán vượt mức 250 trieu USD

- Năm 1985: M Green tại Đại học New South Wales, Australia, phá vỡ rào cản về hiệu xuất 20% cho pin năng lượng mặt trời c Si dưới một nắng trong phòng -thí nghiệm

- Năm 1991: M Graetzel phát minh ra pin mặt trời dye-sensitized electrochemical Hiệu xuất > 10% thu được trong vòng 5 năm sau khi phát hiện

- Năm 2000: Đức giới thiệu luật EEG mới (luật feed in), trong 2008, luật này được dịch sang hơn 40 ngôn ngữ Đức trở thành thị trường quang điện lớn nhất trên thế giới

Năm 2007: Hemlock thông báo mở rộng với qui mô lớn về sản xuất poly-Si lên đến 3.600 tấn/năm tại MI, Mỹ, và sẽ bắt đầu sản xuất vào năm 2010 Việc đầu tư

là khoảng 1 tỷ USD , Hemlock là nhà sản xuất poly-Si lớn nhất trên toàn thế giới

- Năm 2008: Q-Cells vượt qua Sharp để trở thành nhà sản xuất PV lớn nhất thế giới

Hình I.7 Sơ đồ cấu ấu trúc chuyển tiếp p n, thành phần quan trọng nhất của điốt

-bán dẫn Tiền đề chế tạo thành công pin năng lượng Mặt Trời hoàn thiệnI.2.3 Các đặc trưng của Pin mặ t trờ i

Khi được chiếu sáng, nếu ta nối các bán dẫn p và n của một tiếp xúc p n bằng một dây dẫn thì PMT phát ra một dòng quang điện IL.Vì vậy trước hết Pin mặt trời

-có thể xem tương đương như một “nguồn dòng”

Sơ đồ thay thế tương đương của một PMT được thể hiện trên hình 1.2 Trong đó:

Rs: Điện trở nối tiếp; Rsh: Điện trở shunt

R s

Hình I.8 Sơ đồ thay thế pin mặt trời

Mạch điện tương đương của pin mặt trời gồm một nguồn dòng IL mắc song song với một điốt Điện trở Rsh biểu thị cho dòng rò ở pin, điện trở mắc nối tiếp Rs

là điện trở tiếp xúc giữa các dây nối điện và điện trở của lớp bán dẫn (pin MT lý tưởng

sẽ không có thành phần Rsh và Rs) Tuy nhiên, nếu nó được nối tiếp với một nguồn cấp bên ngoài (điện áp lớn) thì nó sẽ tạo ra dòng Id còn gọi là dòng Điốt hay dòng tối Điốt trong mạch quyết định đặc tính I - V của tế bào quang điện

Ảnh hưởng của điện trở trong các tế bào pin mặt trời làm giảm hiệu suất của các tế bào pin mặt trời bằng các tiêu hao năng lượng trên điện trở

Điện trở nối tiếp trong một tế bào pin mặt trời có 3 nguyên nhân:

- Sự chuyển động của dòng điện qua các vùng E và B của các tế bào pin mặt trời

- Điện trở tiếp xúc giữa tiếp xúc kim loại và silic

- Điện trởcủatiếp xúc của kim loại phía trên và sau

Tác động chính của điện trở nối tiếp làm giảm hệ số đầy (fill factor FF).Điện trở shunt bao gồm các đặc điểm sau:

Tổn thất điện năng đáng kể gây ra bởi 1 điện trở shunt (Rsh) thường là do lỗi sản xuất

Tác động của điện trở Rsh là đặc biệt nghiêm trọng ở mức độ ánh sáng thấp,

vì sẽ có ít dòng pin quang điện hình thành

Phương trình toán học của pin mặt trời

Từ sơ đồ tương đương ở trên, ta có phương trình đặc trưng sáng Von - Ampe của pin Mặt trời như biểu thức (1.1):

IL: Là dòng quang điện (dòng ngắn mạch khi không có R và Rsh), (A/m2);

Id: Là dòng qua điốt (A/m2);

I.2.4 T m pin mấ ặ t trời và các cách ghép nối module mặ t trờ i

pin

Tấm năng lượng mặt trời được tạo thành từ nhiều pin mặt trời có thể mắc nối tiếp hoặc song song với nhau Qua những tấm pin mặt trời, năng lượng mặt trời được chuyển hóa thành điện năng Mỗi pin mặt trời cung cấp một lượng nhỏ năng lượng, nhưng nhiều pin được đặt trải trên một diện tích lớn tạo nên nguồn năng lượng lớn hơn đủ để các thiết bị điện sử dụng Công suất và điện áp của hệ thống tùy thuộc vào cách ghép nối các tấm pin lại với nhau Để đạt được hiệu suất tốt nhất, những tấm năng lượng phải luôn được phơi nắng và hướng trực đến mặt trời

Hình I.10 Mô hình tấm pin mặt trời độc lập và ghép nối các tấm pin mặt trời Hiệu suất biến đổi thành điện năng từ pin mặt trời ở các vùng miền vào các giờ trong ngày là khác nhau, do bức xạ mặt trời trên bề mặt trái đất không đồng đều Các tham số ảnh hưởng đến chế độ làm việc và hiệu suất của pin mặt trời bao gồm:

RCác tham số “chủ quan”: Điện trở nội (điện trở nối tiếp) s; Điện trở shunt Rsh; Dòng bão hòa Is

Các tham số “khách quan”: Cường độ bức xạ Mặt Trời E;Nhiệt độ của pinCác module pin mặt trời đều có công suất và hiệu điện thế xác định từ nhà sản xuất Để tạo ra công suất và điện thế theo yêu cầu thì phải ghép nối nhiều tấm module

đó lại với nhau Có hai cách ghép cơ bản:

- Ghép nối tiếp các tấm module lại sẽ cho điện áp ra lớn hơn

- Ghép song song các tấm module lại sẽ cho dòng điện ra lớn hơn

a) Phương pháp ghép nối tiếp:

- Giả sử các module giống hệt nhau, có các đường đặc tính Von Ampe như nhau, các thông số dòng ngắn mạch Isc và điện áp hở mạch Voc bằng nhau và cường

độ sáng chiếu lên các tấm là như nhau thì khi mặc nối tiếp các module ta sẽ có:

I = I1 = I2 = … = Ii

V = V1 + V2 + + Vi

P = V1 x I1 V+ 2 x I2 + + Vi x Ii Trong đó:

V, I, P: Điện thế, dòng điện và công suất của hệ

Vi, Ii, Pi: Điện thế, dòng điện, công suất của module thứ i trong hệ

b) Phương pháp ghép song song:

Giả sử các module giống hệt nhau, có các đường đặc tính Vôn Ampe như - nhau, các thông số dòng ngắn mạch Isc và điện áp hở mạch Voc bằng nhau và cường độ sáng chiếu lên cáctấm lànhư nhau khi thì mắcsong song các module

ta sẽcó:

I = I1 + I2 + … + Ii

V = V1 = V2 = = Vi

P = V1 x I1 V+ 2 x I2 + + Vi x Ii

V, I, P: Điện thế, dòng điện và công suất của hệ;

Vi, Ii, Pi: Điện thế, dòng điện, công suất của module thứ i trong hệ.Lưu ý: Khi kết nối các module với nhau cần chọn các tấm pin có cùng các thông số đặc trưng cho một dàn pin mặt trời để tránh hiện tượng điểm nóng

Đây là hiện tượng tấm pin yếu hơn (tức là pin kém chất lượng hơn so với các pin khác trong dàn hoặc khi nó bị che nắng trong khi các pin khác trong dàn vẫn được chiếu sáng) sẽ hấp thụ hoàn toàn công suất điện do các tấm pin khỏe hơn phát

ra và làm cho công suất điện mạch ngoài bằng 0 Phần năng lượng điện tấm pin yếu nhận được từ tấm pin khỏe hơn sẽ biến thành nhiệt, làm nóng tấm pin này lên và có thể dẫn tới hư hỏng Hiện tượng điểm nóng này chỉ xảy ra trên các pin yếu hơn các pin khác trong h ệ dẫn tới hỏng hóc hay làm giảm hiệu suất

I.3 Các hình thức hoạt động của hệ thống điện năng lượng mặt trời

Thông thường hệ thống điện năng lượng mặt trời có hai hình thức hoạt động khác nhau:

- H ệthống điện năng lượng mặt trời hoạ ộng đột đ c lập: Phù h p v i nh ng ợ ớ ữvùng h i ả đả đồo, i núi xa xôi khó có thể kéo đượ lướ điệc i n qu c gia n ố đế

- H ệthống điện năng lượng m t tr i k t nặ ờ ế ối lưới: H ệthống này đang được khuy n khích s d ng B i vì nó cho phép t duy trì hoế ử ụ ở ự ạ ột đ ng c a tủ ải bằng nguồn năng lượng d trữ và đồự ng thời cũng có thể bơm phần năng lượng dư thừa vào lưới điện Còn trong những điều ki n th i ti t x u, không có nệ ờ ế ấ ắng hay mây mưa, hệthống điện m t trặ ời không sinh ra đủ năng lượng để đáp ứng cho ph t i thì h s ụ ả ệ ẽđược cung cấp điệ ừ ớn t lư i

H ng m p

I.3.1 ệ thống điện năng lượ ặ t trời độc lậ

Hình I.11 Sơ đồ hệ thống điện năng lượng mặt trời hoạt động độc lập

Sử dụng hiệu quả cho các khu vực hoàn toàn không có điện lưới, phải sử dụng máy phát như hải đảo, miền núi và vùng sâu vùng xa

Hệ PV làm việc độc lập gồm có 2 thành phần chính là:

- Thành phần lưu giữ nănglượng

- Có bộ ến đổi bả bi n d n ẫ

I.3.2 Hệ thống điện năng ợ lư ặ t trời kết nố i lư ớ

Đây là hệ PV được kết nối với lưới điện Hệ thống này cho phép tự duy trì hoạt động của tải bằng nguồn năng lượng dự trữ và đồng thời cũng có thể bơm phần năng lượng dư thừa vào lưới điện Còn trong những điều kiện thời tiết xấu, không

có nắng hay mây mưa, hệ thống điện mặt trời không sinh ra đủ năng lượng để đáp ứng cho phụ tải thì hệ sẽ lấy điện từ lưới Do đó hệ PV này có thể cần hoặc không cần ắc quy để dự trữ năng lượng Bộ biến đổi trong hệ này không chỉ giúp ổn định nguồn năng lượng tạo bởi nguồn pin mặt trời mà còn phải đảm bảo nguồn điện năng

ra khỏi hệ quang điện phải đồng bộ với lưới

Hình I.12 Sơ đồ hệ thống điện năng lượng mặt trời kết nối lưới

H PV làm vi c k t nệ ệ ế ối lưới có c u trúc ph c tấ ứ ạp hơn hệ PV làm việc độc

l p vi c c n có thi t b ng b giậ ở ệ ầ ế ị để đồ ộ ữa điện áp góc pha giữa PV và lưới, đồng

th i cờ ần có các thi t b b o v ế ị ả ệPV

H ệ quang điện làm việc độ ậc l p c n phầ ải có khâu lưu giữ điện năng đểcó thể ph c v cho t i trong nh ng th i gian thi u n ng, ánh sáng y u hay vào ban ụ ụ ả ữ ờ ế ắ ếđêm Có nhiều phương pháp lưu trữ năng lượng trong h PV, ph bi n nh t v n là ệ ổ ế ấ ẫ

s d ng ử ụ ắc quy để lưu trữ năng lượng c quy c n ph i có m t b Ắ ầ ả ộ ộ điều khi n n p ể ạ

để ả b o v ệ và đảm b o cho tu i th c a c quy ả ổ ọ ủ ắ

Các b biộ ến đổi trong h PV làm việ ệc độc l p bao g m: B biậ ồ ộ ến đổi DC/DC, DC/AC, b ộ điều khi n tìm công su t cể ấ ực đại MPPT và b ộ điều khi n m ch n p cho ể ạ ạ

ắc quy

B ộ DC/DC được dùng làm ổn định nguồn điện m t chi u lộ ề ấy từ pin m t trặ ời

để cung c p cho t i 1 chi u và c quy ấ ả ề ắ

B ộ điều khiển MPPT (Maximum power point tracking): Dùng để tìm được điểm có công su t cấ ực đại tương ứng điện áp đầu ra cung c p cho b ấ ộDC/DC

B DC/AC có nhi m v chuyộ ệ ụ ển đổi ngu n 1 chi u sang xoay chi u (110 ồ ề ề

ho c 220 VAC, t n s 50Hz hoặ ầ ố ặc 60Hz) đểphục vụ cho các thi t b xoay chi u ế ị ề

Ắc quy để lưu trữ năng lượng đề phòng khi th i ti t thi u n ng ho c tr i v ờ ế ế ắ ặ ờ ềban đêm

Hệ thống điện mặt trời kết nối lưới rất đa dạng, nhưng nó đều có cấu trúcchung như hình II.1

Hình II.1 Cấu trúc chung hệ thống điện mặt trời nối lưới không dự trữ

Trong đó bộ biến đổi điện tử công suất là khâu liên lạc giữa tấm pin mặt trời (PMT) và lưới Muốn điều khiển PMT làm việc phát công suất vào lưới thì cần phải có một bộ biến đổi điện tử công suất với một thuật toán hợp lý Có thể nói

bộ biến đổi điện tử công suất ở đây giữ vai trò rất quan trọng Những yêu cầu cần có của một bộ biến đổi này là:

+ Điều khiển và duy trì PMT làm việc ở điểm công suất cực đại trong thời gian tối đa khi xuất hiện sự biến động của thời tiết

+ Tạo đầu ra điện áp xoay chiều trùng pha với điện áp lưới

+ Đạt hiệu suất biến đổi cao, gần 100%

+ Dự trữ năng lượng để cân bằng chênh lệch giữa Ppv và pac(t)

+ Trọng lượng, kích thước nhỏ và giá thành thấp

+ Dễ dàng sửa chữa, thay thế, thuận lợi cho việc lắp đặt

+ Độ tin cậy cao

+ Giá cả hợp lý, phải chăng

H ệthống điện năng lượng m t trặ ời hoà lưới có d ự trữ phù h p v i nh ng ợ ớ ữkhu v c hay x y ra mự ả ất điện Phù h p v i h ợ ớ ộ gia đình, văn phòng, xí nghiệp, trường

học, bệnh vi n nh ệ ỏ

H ệthống này tương tự ệ thố h ng nối lưới được thi t k thêm m t h ế ế ộ ệ thống

d H ựtrữ ệthống cung c p cho tấ ải ưu tiên để khi mất điện lướ ẫn dùng đượi v c Các tải ưu tiên thường có công su t nh ấ ỏ như đèn, quạt, router mạng, camera an ninh,…

H ệthống k t h p gi a h ế ợ ữ ệthống hòa lưới giúp ti t kiế ệm điện và h ệthống

độ ập để luôn có 1 lượng điệc l n d tr cho các thi t b quan tr ng khi m t đi n ự ữ ế ị ọ ấ ệ

Hình II.2 Cấu trúc chung hệ thống điện mặt trời nối lưới không dự trữNguyên lý hoạ ột đ ng:

Khi khởi động, Ắc quy được ưu tiên nạp đầ ừy t pin m t tr i H ặ ờ ệthống s ẽluôn ki m tra tình tr ng ể ạ ắc quy để đả m b o ả ắc quy luôn đầy điện Khi ắc quy đầy

h ệthống s chuyẽ ển qua hòa lưới, giúp giảm lượng điện tiêu thụ Khi hòa lướ ửi s

d ng t t c các t i (tụ ấ ả ả ải ưu tiên và tải thông thường).Khi mất điện b chuy n m ch ộ ể ạ( ATS ) s chuyẽ ển qua ưu dùng tải ưu tiên từ lượng điện được dự trữ trong ắ c quy Khi đó toàn bộ ệ h pin mặ ời đượt tr c chuy n qua s c cho ể ạ ắc quy Khi có điện tr l i ở ạthì h ệthống s chuyẽ ển qua hòa lưới bình thường Th i gian chuy n m ch ch t ờ ể ạ ỉ ừ10-12ms

II.1.3 Phân tích c u hình h ấ ệ thống năng lượng mặ t trời

Thông thường năng lượng từ pin mặt trời được tích trữ lại trong bình nạp ắc quy rồi sử dụng năng lượng trong bình nạp đó để nối lưới và sinh hoạt Ưu điểm của phương pháp này là điện áp bình nạp cố định, dẫn đến bộ chuyển đổi ra điện áp sử dụng khá đơn giản Tuy nhiên, nó có nhược điểm là gây tổn hao lớn khi chuyển đổi năng lượng phải qua 2 khâu từ pin xuống bình nạp rồi từ bình nạp lên điện áp sử - dụng, đồng thời phải tốn thêm thiết bị tích trữ năng lượng như ắc quy với giá thành tương đối cao Bởi vậy, vấn đề đặt ra là tại sao chúng ta không dùng chính lưới điện

để làm nguồn “tích trữ năng lượng”? Như vậy, trong lúc chúng ta sử dụng năng lượng từ lưới điện thì chúng ta cũng có thể gửi năng lượng lên trên lưới điện Tuy nhiên, PIN mặt trời là một nguồn năng lượng luôn biến đổi tùy thuộc vào bức xạ nhận được từ mặt trời, dẫn đến việc chuyển đổi năng lượng gặp nhiều khó khăn, yêu cầu bộ chuyển đổi phải có đáp ứng nhanh

Khi đưa được năng lượng tái tạo từ pin mặt trời lên lưới điện cần đáp ứng các điều kiện để hòa lưới một hệ thống điện sau đây:

- Cùng biên độ điện áp

- Cùng tần số

- Cùng góc pha

- Đối với lưới 3 pha thì phải đúng thứ tự pha

Lưới điện dân dụng của Việt Nam là 220VAC sin tại tần số 50Hz

Như vậy yêu cầu đặt ra của bộ chuyển đổi là tạo được điện áp hoặc dòng điện hình sin với yêu cầu: Biên độ điện áp >= 308V vàTần số 50Hz

II.1.4 ộ t số phương pháp kết nố i lư ớ ủ ệ thống điệ ặ t trờ

a) Phương pháp 1

Trong mô hình này điện áp từ pin mặt trời được biến đổi trực tiếp thành điện

áp xoay chiều có tần số 50Hz sau đó đưa qua biến áp để hòa vào lưới điện

Ưu điểm:

- Dễ dàng thực hiện

- Giá thành rẻ

- Chấp nhận những sai lệch nhỏ của lưới điện.

Nhược điểm:

- Tổn hao trên máy biến áp lớn >= 20% do đó hiệu suất không được cao

- Mô hình cồng kềnh, nặng

b) Phương pháp 2

Trong mô hình này điện áp từ pin mặt trời được biến đổi trực tiếp thành điện

áp xoay chiều tần số 50Hz có điện áp bằng điện áp lưới nhưng là bán chu kỳ, tức chỉ có một chu kỳ dương Để có được toàn kỳ ta cần một bộ khóa đảo chiều trước khi hòa lưới

Ưu điểm:

- Hiệu suất đạt được cao (khoảng 95% - 98%)

- Thích hợp với những mô hình pin năng lượng mặt trời công suất nhỏ (vài KW), điện áp thấp

Nhược điểm:

- Khó khăn khi thực hiện bộ DC/AC

- Cần nhiều khóa đóng cắt dẫn đến tổn hao đóng cắt và truyền dẫn tăng c) Phương pháp 3

Trong mô hình này điện áp từ pin mặt trời được biến đổi thành điện áp DC cao để đưa vào bộ chuyển đổi DC/AC rồi đưa lên lưới điện.

Ưu điểm:

- Hiệu suất đạt được cao (khoảng 95%-98%)

- Thích hợp với những mô hình pin năng lượng mặt trời công suất tương đốilớn

Nhược điểm:

- Khó khăn khi thiết kế bộ DC/DC

- Cần nhiều khóa đóng cắt dẫn đến tổn hao đóng cắt và truyền dẫn tăng.d) Phương pháp 4

Trong mô hình này điện áp từ pin năng lượng mặt trời được đưa trực tiếp lênlưới điện thông qua bộ chuyển đổi DC/AC bằng không cần qua bộ chuyển đổi DC/DC