Nghiên cứu xây dựng thuật toán khai thác tối đa công suất và duy trì trạng thái ổn định của hệ thống điện mặt trời nối lưới

Trang 1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP DƢƠNG VĂN PHƢƠNGNGHIÊN CỨU XÂY DỰNG THUẬT TỐN KHAI THÁC TỐI ĐA CƠNG SUẤT VÀ DUY TRÌ TRẠNG THÁI ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN M

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

DƯƠNG VĂN PHƯƠNG

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG THUẬT TOÁN KHAI THÁC TỐI ĐA

CÔNG SUẤT VÀ DUY TRÌ TRẠNG THÁI ỔN ĐỊNH

CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN

Giáo viên hướng dẫn

TS LÊ THỊ HUYỀN LINH

THÁI NGUYÊN, NĂM 2023

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

Người hướng dẫn: TS Lê Thị Huyền Linh

Họ và tên học viên: Dương Văn Phương

Cơ sở đào tạo: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái

TS Lê Thị Huyền Linh

HỌC VIÊN

Dương Văn Phương

i

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN iv

LỜI CẢM ƠN v

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC BẢNG viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ix

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 2

Ý nghĩa khoa học 2

Ý nghĩa thực tiễn 2

3 Mục tiêu nghiên cứu 2

4 Đối tượng nghiên cứu 3

5 Phương pháp nghiên cứu 3

6 Tên đề tài 3

“Nghiên cứu xây dựng thuật toán khai thác tối đa công suất và duy trì trạng thái ổn định của hệ thống điện mặt trời nối lưới‟‟ 3

7 Bố cục luận văn 3

CHƯƠNG 1 4

TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 4

1.1 Nguồn năng lượng mặt trời 4

1.2 Hệ thống điện năng lượng mặt trời 5

1.2.1 Hệ thống Điện mặt trời hòa lưới 6

1.2.1.1 Nguyên lý hoạt động điện mặt trời hòa lưới 6

1.2.1.2 Các cách thức mắc nối hệ thống điện mặt trời hòa lưới 7

1.2.1.3 Các bước thực hiện để tính chọn lắp đặt hệ thống điện mặt trời hòa lưới 13

1.2.2 Hệ thống điện năng lượng mặt trời làm việc độc lập 16

1.2.3 Hệ thống điện mặt trời có dự trữ (loại hỗn hợp) 19

1.3 Phương pháp khai thác năng lượng mặt trời 22

1.4 Phân tích các ưu nhược điểm khi sử dụng năng lượng mặt trời 22

1.4.1 Ưu điểm của năng lượng mặt trời 23

1.4.2 Nhược điểm của năng lượng mặt trời 23

1.5 Hướng nghiên cứu cho việc sử dụng Năng lượng mặt trời 24

1.6 Kết luận chương 1 26

CHƯƠNG 2 Nghiên cứu tìm hiểu cấu trúc hệ thống năng lượng mặt trời 29

2.1 Cấu trúc của hệ thống điện mặt trời nối lưới 27

2.1.1 Sơ đồ khối hệ thống 27

2.1.2 Điều khiển trong hệ thống điện mặt trời nối lưới 27

2.1.3 Mô hình toán và đặc tính làm việc của pin mặt trời 28

2.2 Nguyên lý của hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới 30

2.2.1 Pin mặt trời (PV-Photovoltaic) 31

2.2.2 Bộ đóng cắt mềm 33

2.2.3 Bộ biến đổi DC/DC hay bộ Boost Converter 33

2.2.4 Bộ nghịch lưu DC/AC 37

2.2.5 Bộ lọc phía lưới 38

2.2.6 Thiết bị điều khiển 39

2.3 Lý thuyết về hòa hệ thống điện mặt trời với lưới 40

2.3.1 Các điều kiện hòa đồng bộ 41

2.3.1.1 Điều kiện về tần số 41

2.3.1.2 Điều kiện về điện áp 41

2.3.1.3 Điều kiện về pha 41

2.3.2 Đồng vị pha trong hai hệ thống lưới 42

2.3.3 Điều khiển bộ biến đổi DC-DC 42

2.3.3.1 Mạch vòng điều khiển điện áp 42

2.3.3.2 Mạch vòng điều khiển dòng điện 43

2.3.4 Nghịch lưu nối lưới (Inverter) 43

2.3.5 Các phép chuyển đổi 44

2.3.5.1 Chuyển đổi hệ thống ba pha sang 2 pha 44

2.3.5.2 Chuyển đổi hệ thống một pha sang hai pha 46

2.3.6 Điều chế độ rộng xung (PWM - Pulse Width Modulation) 48

2.3.6.1 Điều chế độ rộng xung dựa trên sóng mang (CB-PWM) 48

2.3.6.2 Điều chế véc tơ không gian (SVM) 49

2.3.7 Điều khiển chuyển đổi DC-AC 50

2.3.7.1 Bộ điều khiển PI 51

2.3.7.2 Bộ điều khiển cộng hưởng tỉ lệ (PR - Proportional Resonant) 52

2.3.7.3 Bộ điều khiển phản hồi trạng thái 52

2.4 Kết luận chương 2 53

iii

CHƯƠNG 3 Ứng dụng thuật toán khai thác tối đa công suất và duy trì trạng thái ổn

định của hệ thống điện mặt trời nối lưới 58

3.1 Mở đầu 54

3.2 Thuật toán dò điểm làm việc cực đại của modul pin mặt trời (PV) 54

3.2.1 Cơ sở của thuật toán 54

3.2.2 Thuật toán điện áp không đổi (CV - Constant Voltage) 56

3.2.3 Thuật toán xáo trộn và quan sát (P&O - Perturb and Observe) 56

3.2.4 Thuật toán độ dẫn gia tăng (INC - Inremental Conductance) 59

3.2.5 Thuật toán điện dung ký sinh (PC – Parasitic Capacitance) 61

3.3 Xây dựng và thử nghiệm hệ thống điện mặt trời nối lưới 3 pha 62

3.3.1 Sơ đồ Nguyên lý hệ thống 62

a) Mạch lực 62

b) Mạch điều khiển 64

c) Thuật toán điều chế véc tơ không gian (SVM) 64

3.3.2 Sơ đồ phỏng 72

3.2.3 Kết quả mô phỏng 73

3.4 Kết luận chương 3 74

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Dương Văn Phương

Học viên lớp cao học khóa 24 - Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Hiện đang công tác tại: Điện lực Yên Phong – Công ty Điện Lực Bắc Ninh Tôi xin cam đoan:

Bản luận văn: “Nghiên cứu xây dựng thuật toán khai thác tối đa công suất và duy trì trạng thái ổn định của hệ thống điện mặt trời nối lưới’’ do cô

giáo TS Lê Thị Huyền Linh hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng Các số liệu, kết quả trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Nếu sai tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Bắc Ninh, Ngày 01 tháng 6 năm 2023

Tác giả luận văn

Dương Văn Phương

v

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian nghiên cứu, được sự động viên, giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của cô giáo TS Lê Thị Huyền Linh, luận văn với đề tài: “Nghiên cứu

xây dựng thuật toán khai thác tối đa công suất và duy trì trạng thái ổn định của

hệ thống điện mặt trời nối lưới’’ đã hoàn thành Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn

sâu sắc đến:

Giáo viên hướng dẫn TS Lê Thị Huyền Linh đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ

tác giả hoàn thành luận văn này

Các học viên lớp cao học Kỹ thuật điện K24, các đồng nghiệp công tác tại công ty điện lực Bắc Ninh và gia đình người thân đã luôn quan tâm, tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ về công việc và thời gian để tôi hoàn thành được luận văn này

Bắc Ninh, Ngày 01 tháng 6 năm 2023

Tác giả luận văn

Dương Văn Phương

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

6 DC-DC Bộ biến đổi một chiều- một chiểu

7 DC-AC Bộ biến đổi một chiều- xoay chiều

11 CB- PWM Carrier Based Pulse With

17 IN Cường độ bức xạ mặt trời (w/m2)

18 UPV, IPV Điện áp và dòng điện của dàn pin mặt trời

21 q Điện tích của điện tử; q= 1,6.10-19 (C)

23 TC Nhiệt độ làm việc của tế bào quang điện (0K)

24 ID, UD Dòng điện (A), điện áp trên diode (V)

25 ISC (Short circuit current): Dòng điện ngắn mạch của PV

26 UOC Điện áp hở mạch của Pin mặt trời

vii

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1 1: Biến thiên điện áp và số lượng panel mặt trời 11

Bảng 1 2: Các bước tính chọn lắp đặt hệ thống điện mặt trời hòa lưới 16

Bảng 3 1: Thông số lưới điện 62

Bảng 3 2: Thông số Mạch DC-DC 63

Bảng 3 3: Thông số khối nghịch lưu 64

Bảng 3 4: Xác định số sector 67

Bảng 3 5: Thời gian hoạt động của vector cơ bản cho các sector khác nhau 70 Bảng 3 6: Tính toán thời gian chuyển mạch 71

ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1 1 Cách thức vận hành của hệ thống năng lượng mặt trời hòa lưới 6

Hình 1 2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống năng lượng mặt trời hòa lưới 7

Hình 1 3 Minh họa việc sử dụng điện NLMT 16

Hình 1 4 Sơ đồ khối tổng quát của một hệ nguồn điện một chiều 17

Hình 1 5 Hệ thống điện mặt trời có dự trữ 19

Hình 1 6 Cấu tạo tấm pin năng lượng mặt trời 20

Hình 1 7 Bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời 21

Hình 2 1 Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời nối lưới 27

Hình 2 2 Mạch tương đương của module PV 28

Hình 2 3 Quan hệ I(U) và P(U) của PV 29

Hình 2 4 a,b,c,d: Các họ đặc tính của PV 30

Hình 2 5 Hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới 31

Hình 2 6 Sơ đồ tương đương của Pin mặt trời 32

Hình 2 7 Bộ đóng cắt mềm 33

Hình 2 8 Bộ Boost Converter đóng cắt bằng MOSFET 34

Hình 2 9 Lý tưởng đóng cắt cho mạch tăng áp 34

Hình 2 10 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển cho bộ Boost Converter 37

Hình 2 11 Sơ đồ mạch động lực bộ nghịch lưu DC/AC 38

Hình 2 12 Bộ lọc phía lưới 38

Hình 2 13 Sơ đồ nguyên lý điều khiển toàn hệ thống 40

Hình 2 14 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển điện áp 43

Hình 2 15 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng điện 43

Hình 2 16 Chuyển đổi từ hệ tọa độ abc sang hệ tọa độ αβ 45

Hình 2 17 Chuyển đổi từ hệ qui chiếu αβ sang hệ qui chiếu dq 46

Hình 2 18 Cấu trúc của SOGI 47

Hình 2 19 Điều chế độ rộng xung dựa trên song mang hình sin 49

Hình 2 20 Biểu diễn véc tơ không gian của điện áp ra 49

Hình 3 1 Quan hệ I(U) và P(U) của P 54

Hình 3 2 Đặc tính V-A của tải và của pin mặt trời 55

Hình 3 3 Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời nối lưới sử dụng MPP 55

Hình 3 4 Lưu đồ thuật toán P&Q 56

Hình 3 5.: Sơ đồ mô phỏng thuật toán P&O 57 Hình 3 6.: Đáp ứng dòng điện, điện áp và công suất của PV theo thuật toán

P&O 58

Hình 3 7 Đáp ứng công suất của tấm pin và công suất tham chiếu 58

Hình 3 8: Lưu đồ thuật toán INC 59

Hình 3 9: Sơ đồ mô phỏng thuật toán P&O 60

Hình 3 10: Đáp ứng dòng điện, điện áp và công suất của PV theo thuật toán P&O 61

Hình 3 11: Đáp ứng công suất của tấm pin và công suất tham chiếu 61

Hình 3 12 Sơ đồ mạch lực hệ thống điện mặt trời nối lưới 63

Hình 3 13 Sơ đồ nguyên lý bộ tạo xung cho mạch Boost 64

Hình 3 14 Sơ đồ khối bộ tạo xung 64

Hình 3 15.: Vectơ tham chiếu như một tổng hình học của các vectơ không gian 65

Hình 3 16 Sơ đồ khối để tạo xung SVM 66

Hình 3 17 Các sector 66

Hình 3 18 Thời gian chuyển đổi cho mỗi sector 70

Hình 3 19 Chuyển đổi tín hiệu logic cho Sector-I 71

Hình 3 20 Điện áp cực để điều chế véc tơ không gian 72

Hình 3 21 Sơ đồ mô phỏng hệ thống điện mặt trời nối lưới 72

Hình 3 22 Sự thay đổi bức xạ mặt trời theo thời gian 73

Hình 3 23 Đường cong công suất của tấm pin và ngõ ra Inverter 73

Hình 3 24 đường cong công suất lưới cungcấp cho tải 73

Hình 3 25 Đường cong điện áp và dòng điện 3 pha Inverter 74

Hình 3 26 Đường cong điện áp và dòng điện 1 pha Inverter 74

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay các nguồn năng lượng truyền thống như: dầu mỏ, khí đốt tự nhiên

và than đá đang ngày một cạn kiệt, chỉ có thể đáp ứng nhu cầu năng lượng của chúng

ta thêm 50-70 năm nữa Ngoài ra, những nguồn năng lượng này còn là nguyên nhân chính gây ra sự ô nhiễm môi trường ảnh hưởng nghiêm trọng đến đời sống con người Trong khi các nguồn năng lượng điện truyền thống đang cạn kiệt, nguồn cung không

ổn định thì việc khai thác nguồn năng lượng mặt trời không chỉ góp phần cung ứng kịp nhu cầu năng lượng của xã hội mà còn giúp tiết kiện điện năng và giảm thiểu ô nhiễm môi trường

Năng lượng mặt trời (NLMT) là một trong các nguồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất mà thiên nhiên ban tặng cho hành tinh chúng ta Đồng thời nó là nguồn gốc của các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió, năng lượng sinh khối, năng lượng các dòng sông…, năng lượng mặt trời có thể nói là vô tận

Việt Nam có vị trí địa lý nằm trong khu vực cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao, nên việc khai thác nguồn năng lượng mặt trời đang được các nhà khoa học trong nước quan tâm NLMT có những ưu điểm như: sạch, chi phí nhiên liệu và bảo dưỡng thấp, an toàn cho người sử dụng… Đồng thời, phát triển ngành công nghiệp sản xuất pin mặt trời sẽ góp phần thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch, giảm phát khí thải nhà kính, bảo vệ môi trường Vì thế, đây được coi là nguồn năng lượng quý giá, có thể thay thế những dạng năng lượng cũ đang ngày càng cạn kiệt Gần đây số lượng các hệ thống phát năng lượng mặt trời tăng nhanh dẫn tới hình thành sự cung cấp điện dịch vụ mới và đạt tiêu chuẩn ứng với nguồn năng lượng sạch Đặc biệt, việc chuyển điện năng

từ nguồn NLMT vào nguồn điện lưới sẽ làm giảm chỉ số tiêu thụ điện từ lưới cho mỗi đơn vị sử dụng Công nghệ này cho ta khả năng khai thác hiệu quả tài nguyên đóng góp trực tiếp vào các nguồn cung cấp phân bố trên diện rộng dựa trên mạng lưới điện quốc gia Chính vì vậy, vấn đề điều khiển các hệ thống phát năng lượng mặt trời đang được chú ý để đáp ứng yêu cầu hòa đồng bộ vào lưới điện Đề tài đưa ra phương án:

“Nghiên cứu xây dựng thuật toán khai thác tối đa công suất và duy trì trạng thái

ổn định của hệ thống điện mặt trời nối lưới” Việc nghiên cứu thuật toán khai thác

công suất tối đa của hệ thống điện mặt trời nối lưới sẽ đảm bảo thu được năng lượng tối đa từ pin mặt trời; đảm bảo điều kiện hòa đồng bộ hệ thống với lưới điện khi điện

áp lưới cũng như giá trị của tải thay đổi, đưa lại hiệu quả kinh tế rõ rệt cho công nghiệp nước ta

Trong những năm gần đây đã có nhiều nghiên cứu, ứng dụng nhằm sản xuất và tích trữ năng lượng mặt trời, tuy nhiên, việc sử dụng nguồn năng lượng này, chủ yếu vẫn chỉ dừng lại ở mức cục bộ (tức là khai thác và sử dụng tại chỗ), năng lượng dư thừa chưa hòa được lên lưới điện quốc gia (bán trở lại cho lưới điện thông qua đồng hồ

đo để giảm thiểu hóa đơn tiền điện)

Vì vậy, việc nghiên cứu thuật toán xác định và duy trì điểm làm việc cực đại của hệ thống điện mặt trời nối lưới đang là một vấn đề cấp thiết

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Ý nghĩa khoa học

Khi có ánh sáng mặt trời sẽ tạo ra năng lượng một chiều (DC), Nguồn năng lượng một chiều này được chuyển đổi thành điện năng xoay chiều (AC) bởi bộ nghịch lưu Bộ điều khiển có chức năng truyền năng lượng này đến phụ tải chính để cung cấp điện cho các thiết bị điện trong gia đình Đồng thời điện năng dư thừa được bán trở lại lưới điện qua đồng hồ đo để giảm thiểu hóa đơn tiền điện

Ý nghĩa thực tiễn

Việc nghiên cứu thuật toán khai thác công suất tối đa của hệ thống điện mặt trời nối lưới thành công sẽ đảm bảo thu được năng lượng tối đa từ pin mặt trời; đảm bảo điều kiện hòa đồng bộ hệ thống với lưới điện khi điện áp lưới cũng như giá trị của tải thay đổi Đem lại hiệu quả to lớn trong việc khai thác và sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng sạch

Quá trình nghiên cứu sẽ góp phần tăng nguồn tư liệu phục vụ cho công tác học tập và giảng dạy tại cơ quan nơi học viên công tác

3 Mục tiêu nghiên cứu

Đề tài này đặt mục tiêu chính là “Nghiên cứu xây dựng thuật toán khai thác

tối đa công suất và duy trì trạng thái ổn định của hệ thống điện mặt trời nối lưới”

Các mục tiêu cụ thể:

 Tổng quan về năng lượng mặt trời

 Nghiên cứu tìm hiểu cấu trúc hệ thống năng lượng mặt trời

+ Cấu trúc của hệ thống điện mặt trời nối lưới

+ Vấn đề hòa lưới của hệ thống

3

 Thuật toán khai thác công suất tối đa của hệ thống điện mặt trời nối lưới

 Viết chương trình và mô phỏng thực nghiệm

4 Đối tượng nghiên cứu

- Nghiên cứu nguồn NLMT: Phương pháp sản xuất, sử dụng và hòa lưới

- Nghiên cứu thuật toán khai thác tối đa công suất và duy trì trạng thái ổn định của hệ thống điện mặt trời nối lưới

5 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết

- Phân tích đánh giá và hệ thống hóa các công trình nghiên cứu được công bố thuộc lĩnh vực liên quan: bài báo, tạp chí, sách chuyên ngành…

Nghiên cứu thực tiễn

- Nghiên cứu thuật toán khai thác công suất điểm làm việc cực đại của hệ thống điện mặt trời nối lưới

6 Tên đề tài

“Nghiên cứu xây dựng thuật toán khai thác tối đa công suất và duy trì trạng thái ổn định của hệ thống điện mặt trời nối lưới’’

7 Bố cục luận văn

Luận văn thực hiện theo bố cục nội dung như sau:

 Chương 1: Tổng quan về năng lượng mặt trời

 Chương 2: Nghiên cứu tìm hiểu cấu trúc hệ thống năng lượng mặt trời

Chương 3: Ứng dụng thuật toán khai thác tối đa công suất và duy trì trạng thái

ổn định của hệ thống điện mặt trời nối lưới

Kết luận và kiến nghị

Tài liệu tham khảo

Phụ lục

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

1.1 Nguồn năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời (thuật ngữ Tiếng Anh là Solar Energy) là một trong các nguồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất mà thiên nhiên ban tặng cho hành tinh chúng

ta NLMT có thể coi là nguồn năng lượng đầu tiên trên thế giới và được con người tận dụng trước cả khi học cách tạo ra lửa NLMT được hiểu là năng lượng bức xạ và nhiệt xuất phát từ mặt trời

NLMT và các tài nguyên thứ cấp của nó như sức gió, sức sóng, sức nước,… tạo nên hầu hết năng lượng tái tạo trên trái đất Con người và các sinh vật trên trái đất sẽ không thể tồn tại nếu không có mặt trời và nguồn NLMT Mặt trời tạo ra nhiệt và ánh sáng Con người và vạn vật cần cả nhiệt và ánh sáng để tồn tại và phát triển Chính vì thế, nếu hỏi NLMT có tác dụng gì thì trước hết phải nói đến vai trò sống còn của nó đối với sự sống của các sinh vật trên trái đất, ch ng hạn như để thực vật thực hiện quá trình quang hợp, chiếu sáng, sưởi ấm không gian, làm nước nóng lên…

Vậy việc sử dụng nguồn NLMT có thể biết đến qua một số ứng dụng trong đời sống của con người như: tạo ra nước nóng nhờ ánh sáng mặt trời; tạo hệ thống sưởi

ấm, làm mát, thông gió; giúp chưng cất nước, biến nước mặn hoặc nước lợ thành nước uống được; d ng để nấu nướng, làm khô, khử tr ng… Ngoài ra, năng lượng mặt trời

có thể sử dụng thành ĐIỆN NĂNG

Như ta đã biết, năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo với trữ lượng dồi dào, có thể gọi là vô tận, hơn nữa lại sạch, thân thiện với môi trường Việc sử dụng nguồn năng lượng mặt trời thay thế các nguyên liệu hóa thạch còn bao gồm góp phần giảm ô nhiễm môi trường và hiệu ứng nhà kính

Chính vì vậy, con người ngày càng cải tiến các công nghệ khai thác hiệu quả nguồn tài nguyên thiên nhiên này Và một ứng dụng của NLMT đang được phổ biến trên hầu khắp thế giới hiện nay là điện năng lượng mặt trời

Điện năng lượng mặt trời là nguồn điện được tạo ra từ công nghệ dựa trên nhiên liệu là năng lượng mặt trời Điện năng lượng mặt trời đang được xếp vào nguồn năng lượng tái tạo sạch cần khuyến khích phát triển, không chỉ mang lại nhiều giá trị cho con người mà còn giúp chống lại quá trình biến đổi khí hậu đang diễn ra trên toàn cầu, ngày càng ảnh hưởng nghiêm trọng đến cuộc sống của con người cũng như tất cả sinh vật trên trái đất Điện năng lượng mặt trời được d ng để cung cấp cho tất cả các thiết

bị điện, như: hệ thống chiếu sáng (các loại đ n), hệ thống làm mát (quạt, điều hòa ),

5

các thiết bị di động, thiết bị sinh hoạt, máy móc sản xuất, giao thông vận tải (các loại

xe, tàu thuyền, máy bay năng lượng mặt trời), máy bơm nước năng lượng mặt trời…

Để tạo ra điện năng lượng mặt trời, cần một hệ thống điện mặt trời được cấu thành bởi nhiều thành phần, thực hiện quá trình chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng

1.2 Hệ thống điện năng lượng mặt trời

Hệ thống điện năng lượng mặt trời là bao gồm hệ thống sử dụng tấm pin quang điện (tấm pin NLMT) và một số thành phần khác, hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện, chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng

Hệ thống điện mặt trời có thể chia thành 3 loại:

- Hệ thống điện mặt trời hòa lưới

- Hệ thống điện mặt trời độc lập

- Hệ thống điện mặt trời hòa lưới có dự trữ (loại hỗn hợp)

Trong đó, điện mặt trời hòa lưới là hình thức đang được áp dụng phổ biến nhất hiện nay, ở cả quy mô hộ gia đình, trên mái nhà xưởng doanh nghiệp, điện mặt trời kết hợp nông nghiệp và dụng cho nhà máy điện mặt trời quy mô lớn

Trong hệ thống điện NLMT, các tấm pin quang điện tạo ra dòng điện một chiều (DC) Dòng điện DC này sau đó sẽ được bộ biến tần hoà lưới inverter chuyển thành

AC (điện xoay chiều) c ng pha và c ng tần số với điện lưới của hệ thống điện quốc gia Ở hệ thống điện hòa lưới hoặc hòa lưới có dự trữ, dòng diện mặt trời tạo ra sẽ được hòa vào lưới điện

Điện NLMT hòa lưới là hệ thống điện mặt trời nối trực tiếp vào hệ thống điện lưới có sẵn Trong hệ thống điện mặt trời hòa lưới, điện tạo ra nếu không cung cấp cho các thiết bị điện thì sẽ tự động hòa lên lưới điện, không lưu trữ ở các thiết bị như ắc-quy, các tấm pin lưu trữ… Ở gia đình hay các doanh nghiệp lắp đặt của hệ thống này, điện NLMT sẽ được ưu tiên sử dụng trước, nếu thiếu sẽ tự động lấy điện từ lưới điện

Còn nếu hệ thống điện mặt trời tạo ra nhiều hơn so với điện tiêu thụ thì điện dư

sẽ hòa vào lưới điện để bán lại cho ngành điện với giá hấp dẫn, tạo nguồn thu nhập thụ động cho chủ đầu tư và rút ngắn thời gian hoàn vốn, giúp điện mặt trời trở thành một hình thức đầu tư sinh lời hiệu quả, an toàn với độ rủi ro rất thấp Cũng chính vì vậy, ngày càng nhiều hộ gia đình, doanh nghiệp đầu tư lắp đặt hệ thống điện mặt trời áp mái để vừa d ng vừa bán điện dư - một cách đầu tư đơn giản trong khi lại được d ng điện sạch, góp phần bảo vệ môi trường Điện mặt trời lấy từ năng lượng của dòng bức

xạ điện từ xuất phát từ Mặt Trời được hấp thu trực tiếp qua tấm pin mặt trời chuyển

hóa thành điện năng, nối trực tiếp vào hệ thống điện lưới có sẵn nên được gọi là hệ thống điện NLMT hòa lưới hoặc nối lưới

1.2.1 Hệ thống Điện mặt trời hòa lưới

Là hệ thống dùng Pin NLMT hấp thụ ánh nắng và chuyển thành dòng điện DC một chiều cung cấp cho Inverter

Sau đó, Inverter (Bộ hòa lưới) sẽ chuyển đổi dòng điện DC (một chiều) đó thành dòng điện AC (xoay chiều) cùng pha, cùng tần số và điện áp để hòa vào lưới, cung cấp cho người sử dụng

Điện mặt trời hòa lưới là một hệ thống điện mặt trời chạy đồng thời với điện lưới Chúng được kết nối trực tiếp với nhau và không cần dùng đến hệ thống lưu trữ

Hệ thống điện mặt trời hòa lưới có chi phí lắp đặt khá rẻ nên có tính ứng dụng cao Các gia đình, nhà máy d ng điện nhiều ban ngày sẽ đạt lợi ích lớn nhất khi lắp hệ thống Nhược điểm duy nhất là hệ thống hòa lưới là chỉ hoạt động được vào ban ngày Ngoài ra để đảm bảo an toàn, khi mất điện lưới hệ thống cũng sẽ tự ngắt

Nguyên lý hoạt động của hệ thống điện mặt trời hòa lưới

Hình 1 1 Cách thức vận hành của hệ thống năng lượng mặt trời hòa lưới

1.2.1.1 Nguyên lý hoạt động điện mặt trời hòa lưới

Các tấm pin NLMT chuyển đổi bức xạ mặt trời thành dòng điện một chiều (DC) Dòng điện DC đó sẽ được chuyển hóa thành dòng điện xoay chiều (AC) Điều này thực hiện bởi inverter được trang bị thuật toán MPPT (Maximum Power Point Tracking) Nhằm tối ưu hóa năng lượng tạo ra từ hệ thống pin mặt trời

Inverter sẽ đồng bộ nguồn điện AC tạo ra với lưới điện của tòa nhà Điện năng tạo ra từ hệ thống pin mặt trời sẽ ưu tiên cấp nguồn cho các phụ tải AC

7

Các trường hợp hoạt động của hệ thống điện mặt trời hòa lưới:

- Ban ngày – khi công suất điện mặt trời tạo ra = tải tiêu thụ Trường hợp này lượng điện NLMT tạo ra sẽ được tải tiêu thụ hết

- Ban ngày – khi công suất điện năng lượng tạo ra > tải tiêu thụ Nguồn điện mặt trời được tải tiêu thụ, lượng điện dư được đẩy lên lưới điện Các chỉ số được đo đếm bằng công tơ điện 02 chiều

- Ban ngày – khi công suất điện năng lượng tạo ra < tải tiêu thụ Điện NLMT tạo

ra được ưu tiên sử dụng cho tải tiêu thụ Lượng điện thiếu hụt sẽ được điện lưới cung cấp để đảm bảo công suất tải tiêu thụ luôn hoạt động bình thường

- Ban đêm – khi không có điện năng lượng mặt trời Tải tiêu thụ lấy trực tiếp từ điện lưới để sử dụng

Hình 1 2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống năng lượng mặt trời hòa lưới

1.2.1.2 Các cách thức mắc nối hệ thống điện mặt trời hòa lưới

Hiện nay, hệ thống NLMT nối với điện lưới có ba thiết kế cơ bản:

- Hệ thống mắc nối tiếp điện áp cao

- Hệ thống điện áp thấp

- Hệ thống với các bộ vi biến tần

a Hệ thống mắc nối tiếp điện áp cao

Hiện nay, đây là cấu hình thông dụng nhất của hệ thống điện mặt trời nối với điện lưới Các panel mặt trời mắc nối tiếp với nhau tạo ra nguồn DC điện áp cao Điện năng DC này được đưa vào bộ biến tần trung tâm để chuyển thành điện AC Sau đó nối vào hệ thống điện tiêu chuẩn trong ngôi nhà Đây là thiết kế hệ thống điện mặt trời nối với điện lưới có tính kinh tế cao nhất Hơn nữa lắp đặt tương đối dễ, bảo trì đơn

giản, và các bộ phận đều khả dụng

Bằng cách vận hành mảng panel mặt trời với điện áp cao Hệ thống này còn rất hiệu quả với tổn thất tối thiểu qua mảng panel Cho phép bộ biến tần chạy với hiệu suất rất cao Đó là lý do để thiết kế này trở nên thông dụng

Thiết kế nguồn DC điện áp cao này có ưu điểm là hiệu suất cao Tuy nhiên, cũng có nhiều yếu tố rủi ro về an toàn Các điện áp cao này rất dễ gây chết người khi tiếp xúc trực tiếp hoặc bị điện giật Điện áp cao còn có thể gây ra các vấn đề nếu có hư hỏng trên mạng dây nối panel Nguyên nhân có thể do nhầm lẫn khi lắp đặt, động vật, hoặc mòn dần trong quá trình sử dụng Nếu dây điện bị hư phát ra đện áp cao Hồ quang điện DC làm nhiệt độ tăng đột ngột, làm nóng chảy kim loại và có thể gây cháy Mắc nối tiếp các panel mặt trời còn có một nhược điểm lớn khi mắc nối tiếp, mảng panel mặt trời có độ bền tương ứng với vị trí nối kết yếu nhất Có một số panel bị sự

cố như: Bóng che chắn ánh sáng mặt trời đến một số pin quang điện, dây cáp điện bị hư… Khi đó, công suất của toàn bộ mảng panel mặt trời sẽ giảm đến giá trị tương ứng của panel đó

b Hệ thống điện áp thấp

Một số hệ thống điện mặt trời hòa lưới sử dụng cấu hình các mảng panel điện

áp thấp Điều này đạt được bằng cách mắc song song các nhánh panel mặt trời mắc nối tiếp theo đoạn ngắn Nghĩa là mắc hỗn hợp nối tiếp – song song Cấu hình này an toàn hơn so với hệ thống điện áp cao Tuy nhiên, hiệu suất hơi thấp hơn, nhưng ảnh hưởng của bóng che cũng ít hơn

Thiết kế này có chi phí lắp đặt cao hơn thiết kế mắc nối tiếp Bạn cần mua một

bộ biến tần có thể nhận điện từ các nhánh panel mặt trời mắc nối tiếp Hoặc mua bộ biến tần riêng cho từng nhánh Phương án này ít được ưa chuộng và tính ứng dụng không cao Hiện nay đang có cấu hình phối hợp các hệ thống điện áp thấp và cao mắc nối tiếp

c Hệ thống với các bộ vi biến tần

Hệ thống vi biến tần chỉ mới xuất hiện vài năm nay tuy nhiên giá thành khá cao Tuy nhiên, cùng với sự phát triển của các hệ thống điện mặt trời nối lưới trên toàn thế giới Hệ thống vi biến tần được sử dụng ngày càng rộng rãi với nhiều ưu điểm Giá cả của hệ thống vi biến tần giảm nhanh theo thời gian Hiện nay chỉ tương đương với hệ thống mắc nối tiếp điện áp cao

Trong hệ thống vi biến tần Mỗi panel mặt trời đều có một bộ biến tần riêng chuyển đổi điện DC thành AC ở ngõ ra Nghĩa là mỗi panel điện mặt trời là một hệ thống năng lượng mặt trời độc lập

9

Trong đa số các hệ thống vi biến tần, bộ biến tần được lắp phía ngoài Chúng sử dụng bulông để lắp vào khung định vị panel Các panel mặt trời riêng rẽ được nối vào dây cáp điện AC chạy dọc theo một bên mảng panel và cấp điện trực tiếp vào hệ thống điện của ngôi nhà

Ưu điểm của hệ thống điện mặt trời sử dụng các bộ vi biến tần:

- Do mỗi panel điện mặt trời vận hành như một đơn vị độc lập, nếu một panel bị giảm công suất do sự cố các panel còn lại không bị ảnh hưởng

- Do không có điện áp DC cao chạy giữa các panel, tính an toàn cao hơn

- Lắp đặt, chẩn đoán sự cố, và bảo trì cũng dễ đàng hơn

- Dễ dàng mở rộng hệ thống mỗi khi điều kiện tài chính cho phép

- Linh hoạt trong lắp đặt panel mặt trời Bạn có thể có các panel lắp đặt tại những

vị trí và phương hướng khác nhau

Hiện tại, hệ thống điện mặt trời mắc nối tiếp với bộ biến tần trung tâm vẫn là cấu hình tiêu chuẩn cho các hệ thống nối với điện lưới nhưng xu hướng sử dụng công nghệ vị biến tần ngày càng trở nên rõ rệt hơn

1.2.1.3 Các bộ phận trong hệ thống điện mặt trời hòa lưới

- Tấm pin năng lượng mặt trời

- Bộ chuyển đổi điện năng (Inverter)

- Giàn khung, giá đỡ, dây diện, phụ kiện

- Công nghệ giám giám sát thông minh kết nối Wifi

a Tấm pin năng lượng mặt trời – Panel mặt trời

Trong quá khứ, khi hầu hết các hệ thống năng lượng mặt trời đều là hệ thống độc lập Các tấm pin năng lượng mặt trời đều có định mức tín hiệu ra lạ 12V Tuy điều này vẫn đúng đối với các panel nhỏ, nhưng hiện nay đã có các cấu hình lớn với điện áp cao Do hệ thống nối với điện lưới trở nên thông dụng Các panel mặt trời điện áp cao hơn đã xuất hiện Nhiều panel có công suất 150 Wh và điện áp định mức 24V Một số nhà chế tạo còn cung cấp panel với điện áp ra trong khoảng 48 -120V

Các panel điện áp cao này rất thích hợp với hệ thống nối với điện lưới Bằng cách vận hành mảng panel mặt trời điện áp cao Ta có thể duy trì cường độ dòng điện thấp, cho phép cải thiện hiệu suất của toàn hệ thống Sử dụng panel mặt trời điện áp cao còn cung cấp cho tùy chọn mắc song song nhiều panel điện mặt trời thay vì mắc nối tiếp trong khi vẫn có các ưu thế của nguồn điện áp cao

Các panel 24V và 48V cũng có thể vận hành với nhiều hệ thống sử dụng các bộ

vi biến tần Về lý thuyết, điều này cho phép hệ thống vi biến tần vận hành hiệu quả hơn Nhưng trong thực tế, sự khác biệt dường như không đáng kể

b Bộ biến tần nối với điện lưới

Bộ biến tần (BTT) nối với điện lưới biến đổi điện DC từ hệ thống điện mặt trời thành điện AC Sau đó chuyển đổi điện áp của hệ thống sang giá trị điện áp lưới Điều này cho phép nối hệ thống điện mặt trời vào lưới điện phân phối Hệ thống trở thành trạm điện mini, cung cấp điện năng cho công ty điện lực

Ta không thể sử dụng BBT thông thường cho các ứng dụng nối với điện lưới Các lý do chính bao gồm:

- Để có thể cấp điện lên lưới BBT nối với điện lưới phải vận hành đồng bộ với điện lưới Điện AC sóng sine thuần được BBT tạo ra phải hoàn toàn đồng bộ với dạng sóng của điện lưới

- BBT nối điện lưới cần có thêm tính năng ngắt điện từ mảng panel nếu mất điện lưới

- BBT này được nối trực tiếp với các panel điện mặt trời Điều này có nghĩa là điện áp lấy từ các panel có thể biến thiên khá lớn Trong khoảnh khắc có thể tăng hoặc giảm đến vài trăm volt

- Một số quốc gia qui định bộ biến tần có thể mắc nối tiếp Bộ biến tần nối với điện áp lưới phải là loại chuyên d ng, được phê chuẩn

Các vấn đề cần xem xét khi sử dụng bộ biến tần hòa lưới

- Điện áp vào

- Định mức công suất

- Chế độ hiệu chỉnh công suất

- Số nhánh có thể nối vào bộ biến tần

- Chuẩn đoán và báo cáo thông tin

- Hệ thống an toàn kèm theo

- Các tùy chọn lắp đặt và môi trường vận hành

- Tiêu chuẩn, chứng nhận, các quy định ở địa phương

Điện áp vào của bộ biến tần

Lựa chọn BBT của bạn nên có khoảng điện áp lớn Nó giúp điều tiết và xử lý khoảng biến thiên điện áp do mảng panel cung cấp Từ khoảng điện áp này, ta sẽ xác định số lượng panel mặt trời có thể mắc nối tiếp và nối vào BBT

Điện áp định mức của panel mặt trời không phải là điện áp cực đại panel đó có thể tạo ra Điện áp từ panel định mức 12V có thể biến thiên từ 12V vào ngày trời nhiều mây đến 20V vào ngày nắng gắt Nếu ta có panel 48V, hoặc bốn panel 12V mắc nối tiếp, điện áp có thể biến thiên trong khoảng 48 – 88 V

Ngoài ra, panel mặt trời còn có thể tạo ra điện áp cao hơn khi hở mạch Nghĩa là

11

khi mảng panel sản sinh điện năng, nhưng điện năng đó không được sử dụng Tùy theo panel mặt trời, loại định mức 12V có thể tạo ra điện áp đến 26V khi hở mạch Ta lập Bảng 1 về sự biến thiên điện áp tương ứng với số lượng panel mặt trời như sau:

Qua Bảng 1.1 có thể thấy giá trị điện áp danh định của mảng panel càng cao, thì biến thiên điện áp có thể càng rộng Điện áp hở mạch cực đại cho phép ở Mỹ với hệ thống điện mặt trời nối lưới là 600V Trong khi Châu Âu đề nghị hệ thống này không nên vượt quá 1000V Cần phải bảo đám hệ thống của mình thiết kế không vượt quá giới hạn cho phép này

Bảng 1.1 còn cho thấy nếu mây dày che khuất mặt trời một cách đột ngột vào ngày nắng đẹp Dù chỉ trong khoảnh khắc, điện áp sẽ giảm hàng trăm volt Khi đám mây trôi qua, điện áp sẽ nhanh chóng trở lại giá trị ban đầu

Lưu ý về điện áp vận hành

Điều quan trọng, cần bảo đảm là panel mặt trời sẽ vận hành với điện áp đỉnh thay vì điện áp danh định Nếu điện áp đỉnh của panel vượt quá giá trị đỉnh của BBT, thì bộ này sẽ dừng hoạt động để tránh hư hại Nếu không có hệ thống ngắt tự động, BBT có thể bị cháy Nguyên nhân do vượt quá giá trị điện áp định mức ở ngõ vào

Bảng 1 1: Biến thiên điện áp và số lượng panel mặt trời

Ngoài khoảng điện áp vào tiêu chuẩn BBT còn biểu thị giá trị điện áp định mức cực đại Điện áp định mức cực đại này liên quan với điện áp hở mạch cực đại của mảng panel Cần phải bảo đảm điện áp hở mạch của mảng panel không vượt quá điện

áp cực đại của BBT

Định mức công suất

BBT trong hệ thống điện mặt trời hòa lưới có 2 giá trị định mức công suất:

- Định mức công suất vào: Giá trị công suất cực đại và cực tiểu BBT có thể nhận

từ tấm pin NLMT

Định mức công suất vào biểu thị khoảng giá trị công suất cực tiểu và cực đại, tính theo watt, để bộ biến tần có thể vận hành Khoảng giá trị này càng rộng, bộ biến tần vận hành càng hiệu quả

Đặc tính kỹ thuật của bộ biến tần thường nêu ba giá trị định mức công suất vào: + Định mức công suất danh định, watt

+ Khoảng công suất cực tiểu và cực đại

+ Định mức công suất khi khởi động

Định mức công suất danh định là giá trị công suất cực đại BBT có thể chuyển đổi thành điện AC ở ngõ ra Nếu mảng panel vượt quá giá trị này, phần công suất đư (vượt quá) sẽ bị tổn thất dưới dạng nhiệt năng Nếu vượt quá định mức công suất danh định quá lớn hoặc trong thời gian đủ lâu, BBT sẽ tự động dừng lại để tránh quá nhiệt

Định mức công suất cực tiểu là giá trị công suất nhỏ nhất mảng panel mặt trời phải tạo ra để cung cấp cho bộ biến tần hoạt động Định mức công suất cực đại là giá trị công suất lớn nhất có thể cấp cho bộ biến tần, vượt quá giá trị này, bộ biến tần có thể bị hư hoặc ngưng vận hành

Định mức công suất khởi động là giá trị công suất tối thiểu bộ biến tần yêu cầu

để có thể hoạt động Nếu mảng panel cung cấp công suất thấp hơn giá trị này, bộ biến tần sẽ tự động tắt

Do công suất của panel mặt trời biến thiên tương đối rộng Bạn nên mua bộ biến tần hơi lớn hơn yêu cầu thực tế Lưu ý, tuy panel điện mặt trời có định mức công suất đỉnh (Wp), nhưng trong các điều kiện lý tưởng panel này có thể có công suất cao hơn định mức trong môi trường thực

- Định mức công suất ra: Giá trị công suất và cường độ dòng điện cực đại bộ biến tần có thể tạo ra dưới dạng điện AC

Định mức công suất ra là công suất AC cực đại liên tục mà BBT có thể tạo ra

Dữ liệu công suất bao gồm:

+ Điện áp

13

+ Công suất danh định ( watt )

+ Cường độ dòng điện cực đại ( A )

+ Tần số dòng điện xoay chiều ( Hz )

Với Bắc Mỹ, điện áp danh định là 110V; Tần số 60 Hz; Trong khi phần lớn các nước khác sử dụng điện lưới 230V và tần số 50 Hz Trong cả 2 đều có quy định về biến thiên điện áp và tần số

Định mức công suất ra còn biểu thị định mức công suất cực đại của BBT Giá trị tính theo phần trăm (%) Đối với các BBT hiện đại, định mức này trong khoảng 90 –

94 % Khi sử dụng BBT cần chú ý có một số bộ chi phí thấp thì có hiệu suất thấp hơn nhiều so với giá trị trên

1.2.1.3 Các bước thực hiện để tính chọn lắp đặt hệ thống điện mặt trời hòa lưới

Thiết kế điện mặt trời hòa lưới là công việc tính toán sản lượng, lựa chọn số lượng và công suất thiết bị lắp đặt

a Tính công suất lắp đặt dựa trên lượng điện tiêu thụ hàng tháng

Ta cần thu thập lượng điện năng tiêu thụ hàng tháng của ngôi nhà Từ đó, suy ra công suất hệ thống cần lắp đặt như sau:

- Lấy số Kwh điện tiêu thụ hàng tháng chia cho 30 tìm ra lượng điện tiêu thụ hàng ngày

- Lấy lượng điện tiêu thụ hàng ngày chia cho hệ số giờ nắng (có thể lấy trung bình là 4h)

b Lựa chọn thiết bị cho hệ thống hòa lưới

Có 2 bộ phận quan trọng nhất trong hệ thống là tấm pin và inverter Sau đây là cách lựa chọn từng bộ phận:

- Thông số tấm pin năng lượng mặt trời

Ta cần thu thập những dữ liệu sau từ các tấm pin mặt trời Các thông số này sẽ được ghi trên tem, mác sản phẩm hoặc trong catolo của nhà cung cấp

+ Pmax: Công suất tối đa của tấm pin tại điều kiện STC

+ Vmp: Điện áp hoạt động tối đa của tấm pin tại điều kiện STC

+ Voc: Điện áp hở mạch tối đa của tấp pin tại điều kiện STC

+ Isc: Dòng điện ngắn mạch tối đa của tấm pin tại điều kiện STC

Các thông số này được sử dụng để định cấu hình hệ thống điện mặt trời

- Thông số quan trọng của Inverter

Dưới đây là các thông số cơ bản của Inverter Ta sẽ cần d ng đến khi cấu hình tấm pin và Inverter cho hệ thống điện mặt trời hòa lưới

+ P: công suất định mức của Inverter

+ Vdc – max: điện áp DC ngõ vào tối đa của inverter

+ Vmppt Voltage Range: dãy điện áp MPPT của inverter

+ Imax – input: dòng điện ngõ vào tối đa của inverter

+ Số lượng MPPT và số lượng cổng input / 1 MPPT

c Tính toán phối hợp tối ưu công suất giàn pin và inverter

Ppv ≤ 1.2 x Pinv Trong đó:

+ Ppv: Tổng công suất giàn pin ( công suất tấm pin nhân với số lượng tấm ) + Pinv: Công suất của Inverter

Lưu ý: Công suất giàn pin càng gần giá trị 1.2 x Pinv càng tối ưu vì các lý do sau đây:

- Giúp tối ưu công suất ngõ ra của inverter

- Giảm chi phí đầu tư trên 1 kW điện mặt trời

- Giảm chi phí đầu tư inverter

- Đạt được năng lượng đầu ra cần thiết khi lắp đặt inverter trong không gian hạn chế

- Tối đa hiệu quả điện năng vào ban ngày cho chủ sở hữu hệ thống

- Giúp dễ dàng lựa chọn cấu hình inverter cho giàn pin trong trường hợp cần thay thế inverter mới

- Kiểm tra dải MPPT của hệ thống

+ Vmpptinv-min < Vmpp-pv < Vmpptinv-max

+ Vmpptinv-min: Điện áp tối thiểu để mạch MPPT hoạt động

+ Vmpptinv-max: Điện áp tối đa cho phép của mạch MPPT

+ Vmpp-pv: Điện áp hoạt động của 1 string

MPPT là thuật toán được thực hiện trong các bộ inverter để liên tục điều chỉnh trở kháng để giữ cho hệ thống hoạt động gần với công suất cực đại của giàn pin trong các điều kiện khác nhau như thay đổi bức xạ mặt trời, nhiệt độ và tải… Nói một cách đơn giản, điện áp hoạt động của giàn pin cần nằm trong dãy điện áp MPPT để giúp inverter chuyển đổi DC sang AC đạt hiệu suất cao nhất Nếu mức điện áp nằm ngoài dãy MPPT inverter sẽ giảm công suất hoặc không hoạt động Đây chính là vấn đề trọng tâm nhất mà luận văn này muốn đi sau nghiên cứu để áp dụng thuật toán nhằm khai thác công suất tối đa của hệ thống điện mặt trời nối lưới

- Kiểm tra điện áp tối đa của hệ thống

15

Voc-pv < Vdcmax-inv Trong đó:

+ Voc-pv: Điện áp hở mạch tối đa của giàn pin

+ Vdcmax-inv: Điện áp DC cho phép tối đa ngõ vào của inverter

Điều kiện này đảm bảo các linh kiện sẽ không bị hỏng do quá áp ngõ vào từ giàn pin năng lượng mặt trời

- Kiểm tra dòng điện tối đa cho phép đầu vào

Isc < Imax-input-inv Trong đó:

+ Isc: Dòng điện ngắn mạch tối đa của giàn pin mặt trời

+ Imax-input-inv: Dòng điện cho phép tối đa ngõ vào của inverter

Tính toán chia giàn pin thành string kết nối với inverter

Trong hệ thống điện mặt trời hòa lưới, các tấm pin mắc nối tiếp với nhau thành một chuỗi gọi là string Mắc nối tiếp các tấm pin nhằm đưa điện áp của dãy pin nằm trong khoảng MPPT của inverter Khi mắc nối tiếp các tấm pin với nhau, điện áp sẽ là tổng điện áp của các tấm pin riêng lẻ mắc nối tiếp

Tính toán string giúp ta xác định số lượng tấm pin mắc nối tiếp để kết nối vào inverter Ta có thể xác định nhanh chóng bằng cách sau đây:

- B1: Tính toán số lượng tấm pin tối đa trên 1 string có thể đấu vào inverter:

PVmax – Vmppt-max-inv / Vmppt-pv Trong đó:

+ PVmax: số lượng tấm pin tối đa

+ Vmppt-max-inv: điện áp tối đa dải MPPT của inverter

+ Vmpp-pv: điện áp hoạt động của 1 tấm pin

- B2: Tính toán và làm tròn số lượng string

Nstring = Npv / PVmax Trong đó:

+ Nstring: số lượng string

+ Npv: Số lượng tấm pin của hệ thống

+ PVmax: Số lượng tấm pin tối đa trong 1 string

Tổng hợp lại các thông tin bên trên đã giới thiệu có thể tóm tắt lại các bước ngắn gọn qua Bảng 1.2 dưới đây:

Bảng 1 2: Các bước tính chọn lắp đặt hệ thống điện mặt trời hòa lưới

Bước 1: Tính công suất Tính công suất dựa trên mức tiêu thụ điện và tài

chính của gia đình, doanh nghiệp Bước 2: Kiểm tra công suất và

diện tích lắp

So sánh số lượng tấm pin với diện tích lắp đặt và thay đổi nếu chưa ph hợp

Bước 3: Chọn công suất tấm pin

và inverter điện mặt trời hòa lưới

Dựa trên công thức Ppv ≤ 1.2 x Pinv

Bước 4: Kiểm tra lại Kiểm tra các thông số dải MPPT, điện áp tối đa,

dòng điện tối đa của hệ thống Bước 5: Chia string Dựa trên công thức Nstring = Npv / PVmax

Đối tượng sử dụng Hệ thống điện mặt trời hòa lưới thích hợp với người dùng nhiều điện vào ban ngày (máy điều hòa, sản xuất, thang máy, chiếu sáng nhiều)

Hình 1 3 Minh họa việc sử dụng điện NLMT

Độ lớn của hệ thống điện mặt trời hoà lưới có thể từ vài KW đến hàng MW tùy vào các yếu tố:

- Diện tích lắp đặt tấm NLMT (1kW công suất điện mặt trời cần 8 – 10m2)

- Công suất điện tiêu thụ

- Khả năng tài chính và mong muốn của nhà đầu tư

Người dùng sử dụng từ 1 triệu/tháng tiền điện trở lên có thể bắt đầu với hệ thống nhỏ nhất 1.5kWp với mức đầu tư vài chục triệu Người d ng lượng điện ít hơn

có thể sử dụng các bộ phát điện năng lượng mặt trời

1.2.2 Hệ thống điện năng lượng mặt trời làm việc độc lập

Hình 1 4 Sơ đồ khối tổng quát của một hệ nguồn điện một chiều

Trong thực tế, chúng ta đã gặp rất nhiều nguồn điện mặt trời độc lập Công nghệ nguồn loại này thường được ứng dụng cho các khu vực không có lưới điện công nghiệp hoặc cho các tải tiêu thụ đặc biệt có công suất nhỏ hay được ứng dụng trong các thiết bị sau:

Dàn Pin Mặt trời (PMT) bao gồm một hay nhiều mođun PMT ghép lại

với nhau PMT được ghép nối từ nhiều tế bào quang điện Tế bào quang điện là thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các Điot P - N, duới ánh sáng mặt trời nó có khả năng tạo ra dòng điện tức là có khả năng chuyển đổi quang năng thành điện năng Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện Người ta có thể ghép nối nhiều tấm PMT thành hệ thống PMT Pin năng lượng mặt trời có dạng đơn tinh thể (monocrystalline) hoặc đa tinh thể (polycrystalline) Tùy loại, các tấm pin có thể có hiệu suất từ 15% đến 18%, công suất từ 25Wp đến 200Wp và có tuổi thọ trung bình khoảng 25 - 30 năm T y yêu cầu về công suất, điện thế và dòng điện

mà các môđun PMT được ghép nối tiếp, song song hay hỗn hợp Hàng ngày khi

có ánh sáng mặt trời chiếu vào dàn PMT thì dàn PMT sẽ phát ra dòng điện một chiều Công suất phát của dàn pin tỷ lệ thuận với cường độ bức xạ Mặt trời

Bộ ắc quy cũng có thể gồm một hay một số bình ắc quy được nối nối

tiếp, song song hay hỗn hợp Nhiệm vụ của nó là tích trữ điện năng để cung cấp

cho các thiết bị tiêu thụ điện hay còn gọi là các tải Trong thời gian không có ánh sáng Mặt trời (ban đêm, những hôm trời mưa ), dung lượng của ắc quy (đo bằng Ah hay Wh) phải được tính toán phù hợp với công suất dàn PMT

Bộ điều khiển (BĐK) là một thiết bị điện tử có nhiệm vụ tự động điều

hòa các quá trình dàn PMT nạp điện cho bộ ắc quy cấp điện cho các tải Cụ thể

là khi ắc quy đã no, dung lượng đạt 100%, thì BĐK tự động cắt hay giảm dòng điện nạp từ dàn PMT, để tránh cho ắc quy khỏi bị sôi làm hỏng ắc quy Sau đó khi dung lượng ắc quy đã giảm đến giá trị chọn trước xấu nào đó, BĐK lại tự động đóng mạch nạp điện cho ắc quy Ngược lại vì lý do nào đó như thời tiết xấu, ít hay không có nắng dài ngày, ắc quy có thể bị dùng kiệt dẫn đến hư hỏng ắc quy Vì vậy khi thấy dung lượng bộ ắc quy giảm đến “giới hạn dưới nguy hiểm” (thông thường khi dung lượng ắc quy chỉ còn lại 30 – 40%) thì BĐK tự động cắt mạch tải, không cho các tải tiếp tục sử dụng điện Khi dung lượng ắc quy đã đạt cao hơn giới hạn dưới nói trên thì BĐK lại tự động đóng mạch tải Như vậy BĐK tự động bảo

vệ ắc quy khỏi các trạng thái “quá no” hoặc “quá đói”

Tải một chiều (tải DC) là các thiết bị tiêu thụ điện một chiều Nó được

nối vào trực tiếp ngay sau BĐK Tất nhiên công suất và hiệu điện thế của BĐK phải tương thích với công suất và hiệu điện thế của các tải một chiều

Tải xoay chiều (tải AC) là các thiết bị tiêu thụ điện xoay chiều (ví dụ sử

dụng điện 220V, 50Hz)

Bộ biến đổi DC/AC là bộ biến đổi điện một chiều từ dàn pin Mặt trời

hay bộ Ắc quy thành điện xoay chiều để cấp điện cho các tải xoay chiều

Trong thực tế chúng ta đã gặp rất nhiều nguồn điện Mặt trời độc lập Công nghệ nguồn loại này thường được ứng dụng cho các khu vực không có lưới điện công nghiệp hoặc cho các tải tiêu thụ đặc biệt, công suất nhỏ Nhược điểm của công nghệ nguồn độc lập là phải dùng bộ ắc quy, vừa đắt tiền, vừa phải chăm sóc thường xuyên và vừa gây ô nhiễm môi trường Mặt khác bộ ắc quy cũng chỉ tích được một lượng điện năng có hạn, còn với các dàn pin mặt trời hàng chục hay hàng

19

trăm kW thì sử dụng ắc quy tích điện là một vấn đề khó khăn rất lớn, thậm chí là không thể

Đối với các ứng dụng quy mô lớn, như ở các nước phát triển hiện nay,

người ta sử dụng công nghệ điện mặt trời nối lưới Trong công nghệ này, điện từ

máy phát là dàn pin mặt trời được biến đổi thành dòng xoay chiều có hiệu điện thế

và tần số phù hợp nhờ các bộ biến đổi điện (Inverter) và được hòa vào mạng lưới điện công nghiệp Khi sử dụng điện người ta lại lấy điện từ lưới Mạng lưới điện có vai trò như một “ngân hàng”, tích trữ điện năng lúc dàn PMT phát điện và cung cấp trở lại người tiêu dùng khi cần thiết Nhờ ngân hàng điện này mà việc sử dụng luôn

ổn định và rất tiết kiệm điện

Ví dụ, ở các nước Nhật Bản, Đức, Mỹ… trên mái nhà mỗi gia đình người ta lắp một dàn pin mặt trời có công suất 3,5 đến 4 kWp Ban ngày dàn pin hấp thu năng lượng Mặt trời và phát điện Nhờ bộ biến đổi điện và hệ thống dây điện của dàn pin được tải lên lưới (qua một công tơ để chi số điện năng phát lên lưới) Khi

d ng điện người ta lấy điện từ lưới qua một công tơ thứ hai Hàng tháng người ta lấy số chỉ của các công tơ và sẽ biết chủ hộ được nhận tiền điện (nếu số chỉ của công tơ sử dụng ít hơn số chỉ của công tơ phát lên lưới) hay phải trả thêm tiền điện (nếu ngược lại) từ các công ty điện

1.2.3 Hệ thống điện mặt trời có dự trữ (loại hỗn hợp)

Hình 1 5 Hệ thống điện mặt trời có dự trữ

Với hệ thống điện mặt trời có dự trữ (loại hỗn hợp), bình thường hệ thống hoạt động như hệ hòa lưới, khi mất điện hoạt động như hệ thống điện mặt trời làm việc độc lập Hệ thống tự động chọn chế độ và thiết bị sử dụng t y trường hợp

Khi sử dụng hệ thống điện mặt trời có dự trữ (loại hỗn hợp) sẽ khắc phục được hạn chế của cả điện độc lập và hòa lưới, đây là giải pháp tối ưu cho người sử dụng điện mặt trời

Theo Quyết định số 13/2020/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ về chính sách hệ thống điện mặt trời áp mái là hệ thống điện mặt trời đáp ứng được các tiêu chuẩn sau:

- Có các tấm quang điện được lắp đặt trên mái nhà của công trình xây dựng

- Có công suất không quá 01 MW

- Được đấu nối trực tiếp hoặc gián tiếp vào lưới điện có cấp điện áp từ 35 kV trở xuống của Bên mua điện

Hệ thống điện năng lượng mặt trời thường có tuổi thọ lên đến 30-50 năm Để đảm bảo tuổi thọ của hệ thống cũng như khả năng sinh lời, người sử dụng cần chọn các thiết bị chất lượng cao từ thương hiệu uy tín, thi công đúng chuẩn Các tấm pin quang điện đang ngày càng được cải tiến về hiệu suất, người d ng nên chọn các tấm pin có hiệu suất cao, cung cấp bởi đơn vị uy tín để đảm bảo chất lượng hệ thống

Tùy vào từng loại hệ thống năng lượng mặt trời được lắp đặt mà cấu tạo của chúng sẽ khác nhau Tuy nhiên, trong hệ thống điện năng lượng mặt trời, mỗi thiết bị

sẽ có một nhiệm vụ riêng nhưng được kết nối mật thiết với nhau

Các thiết bị có trong hệ thống năng lượng mặt trời

1 Tấm pin năng lượng mặt trời

Là thiết bị quan trọng nhất cũng có mức giá cao nhất của hệ thống Hệ thống được ghép nhiều tấm pin mặt trời lại với nhau để thu bức xạ mặt trời và biến đổi thành điện năng Mỗi tấm pin năng lượng mặt trời có tuổi thọ khá cao từ 25-30 năm sử dụng

Hình 1 6 Cấu tạo tấm pin năng lượng mặt trời

21

2 Bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời

Đây là thiết bị có nhiệm vụ điều khiển quá trình sạc điện từ tấm pin mặt trời sang hệ thống ắc quy lưu trữ Nó giúp hệ thống luôn hoạt động đúng chiều của nó Không để điện từ bình ắc quy trào ngược trở lại tấm pin mặt trời Giúp bảo vệ tuổi thọ của ắc quy cũng như của hệ thống điện mặt trời

Hình 1 7 Bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời

3 Bộ hòa lưới điện mặt trời inverter (Bộ chuyển đổi DC-AC)

Bộ Inverter điện mặt trời có nhiệm vụ chuyển đổi dòng điện một chiều từ bình

ắc quy lên dòng điện xoay chiều thành điện áp 220V, sử dụng trong mạng lưới điện Dòng điện này sẽ phù hợp với tất cả các thiết bị điện năng chúng ta sử dụng cũng như cùng hệ thống với điện lưới Tùy theo công suất hệ thống điện mặt trời mà chúng ta lựa chọn loại inverter có công suất phù hợp

4 Ắc quy lưu trữ

Đây là hệ thống d ng để lưu trữ điện mặt trời, dùng cho những lúc trời mưa hay ban đêm pin mặt trời không sản xuất ra điện Tùy vào công suất của hệ thống, tuỳ theo chi phí đầu tư mà chúng ta chọn loại phù hợp với hệ thống để lưu trữ điện từ năng lượng mặt trời mà chúng ta cần kết hợp nhiều bình ắc quy lại với nhau

5 ATS bộ chuyển mạch tự động

Là thiết bị d ng để tự động chuyển mạch giữa điện lưới và điện mặt trời Đây là

bộ chuyển mạch thông minh sẽ tự động sử dụng điện mặt trời khi pin mặt trời tạo ra nguồn điện đủ cung cấp cho tải tiêu thụ Nó sẽ chuyển sang d ng điện lưới cung cấp cho tải khi điện mặt trời không sản xuất kịp Chúng ta cũng có thể thay thế bộ chuyển mạch tự động này sang chuyển mạch thủ công

6 Đồng hồ đo điện 2 chiều (còn gọi là công tơ điện 2 chiều)

Là dạng công tơ điện, có khả năng đo điện từ hệ thống năng lượng mặt trời và

từ lưới điện, giám sát thông minh qua phần mềm…

1.3 Phương pháp khai thác năng lượng mặt trời

Điện mặt trời là nguồn năng lượng lớn nhất mà con người tận dụng và đưa vào

sử dụng được Đặc biệt đây là nguồn năng lượng tái tạo vô cùng sạch, đáng tin cậy và chúng ta có thể khai thác thoải mái mà không bao giờ sợ cạn kiệt

Có hai phương pháp khai thác điện năng lượng mặt trời đó là phương pháp chủ động và bị động

- Phương pháp thụ động: Là sử dụng các nguyên tắc thu giữ nhiệt trong cấu trúc vật liệu các công trình xây dựng

- Phương pháp chủ động: Là phương pháp hiện đại có sử dụng các thiết bị đặc biệt để thu nguồn năng lượng từ bức xạ mặt trời Sau đó d ng hệ thống quạt hay máy bơm để phân phối nguồn điện năng lượng mặt trời

Tiềm năng phát triển điện mặt trời tại Việt Nam

Hiện nay trên thế giới, các quốc gia Châu Âu là những nơi có ngành năng lượng tái tạo phát triển bậc nhất Tuy nhiên, so sánh về tiềm năng phát triển điện mặt trời thì đây là những nước có nhiều hạn chế nhất Nguyên nhân là do số giờ nắng trung bình/ năm tại các nước Châu Âu rất thấp Do thời tiết tại đây lạnh, chủ yếu là tuyết cùng

m a đông kéo dài Điều này gây ảnh hưởng không nhỏ đến khả năng sản xuất điện của các tấm pin mặt trời

Trong khi đó, ở Việt Nam, với khí hậu nhiệt đới gió mùa, ít lạnh và mưa tuyết hơn nên lượng bức xạ mặt trời nhận được cũng sẽ cao hơn Đặc biệt, số giờ nắng ở các tỉnh miền Trung và miền Nam vô cùng lớn, khoảng 2000 – 2600 giờ mỗi năm Còn miền Bắc cũng rất tiềm năng với 1700 – 2100 giờ nắng/năm Với số lượng giờ nắng dồi dào như vậy, dù ở bất cứ tỉnh thành nào tại Việt Nam, khi lắp đặt điện mặt trời, chủ đầu tư cũng sẽ nhận được mức lợi ích lớn cho mình

1.4 Phân tích các ưu nhược điểm khi sử dụng năng lượng mặt trời

Việt Nam là một quốc gia đang phát triển, do đó nhu cầu năng lượng ngày càng tăng với tốc độ tăng trưởng khoảng (15-20)% Hiện tại chính sách quốc gia của Việt Nam về nhu cầu năng lượng dựa vào việc thiết lập hệ thống các nhà thủy điện, nhà máy nhiệt điện tua bin hơi và tua bin khí, một số nhà máy điện nguyên tử

Tuy nhiên, để đảm bảo phát triển bền vững và đặc biệt cân bằng được năng lượng của quốc gia trong tương lai, Việt Nam đã và đang tập trung nghiên cứu phát triển các nguồn năng lượng mới Trong đó, năng lượng mặt trời vẫn là một nguồn năng lượng tối ưu trong tương lai cho điều kiện Việt Nam trên phương diện địa dư và nhu

23

cầu phát triển kinh tế Nguồn năng lượng này sẽ góp phần vào:

 Hạn chế hiệu ứng nhà kính và sự hâm nóng toàn cầu

 Giải quyết ô nhiễm môi trường do việc gia tăng dân số và phát triển xã hội của các quốc gia trên thế giới

 Bổ túc vào sự thiếu hụt năng lượng trong tương lai khi nguồn năng lượng trong thiên nhiên sắp bị cạn kiệt

Vị trí địa lý đã ưu ái cho Việt Nam nguồn năng lượng tái tạo vô cùng lớn, đặc biệt là năng lượng mặt trời Việt Nam nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao, trong đó nhiều nhất phải kể đến TPHCM, tiếp đến là các vùng Tây Bắc (Lai Châu, Sơn La, Lào Cai)… Tuy nhiên, để khai thác nguồn năng lượng này, đòi hỏi rất nhiều nỗ lực Những chuyển biến gần đây cho thấy, ứng dụng, khai thác năng lượng mặt trời đã có những bước tiến mới

1.4.1 Ưu điểm của năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời có nhiều ưu điểm mà con người có thể tận dụng Đây là nguồn năng lượng tái tạo không bị cạn kiệt, có thể đáp ứng nhu cầu sử dụng của tất cả mọi người đến hàng nghìn năm sau Có thể sử dụng ở bất cứ đâu có ánh nắng mặt trời chiếu sáng Thân thiện với môi trường khi đảm bảo không thải ra các chất gây ô nhiễm Hiệu quả sử dụng cao với chi phí đầu vào thấp Có thể ứng dụng rộng rãi đối với các điểm m tại nhiều quốc gia khác nhau Ngày càng tiết kiệm chi phí và tối ưu công suất nhờ vào sự phát triển hàng ngày của công nghệ sản xuất Do đó có thể nói NLMT rất ưu việt và thuận lợi, cần mở rộng trong lắp đặt sử dụng bởi:

- Đây là nguồn năng lượng tái tạo, bền vững

- Điện mặt trời sạch về sinh thái

- Giảm hóa đơn tiền điện

- Tăng giá trị và thẩm mỹ cho công trình

- Hiệu quả cao, chi phí bảo trì thấp

- Công nghệ phát triển, hiệu suất ngày càng cao

- Dễ dàng lắp đặt tại nhiều khu vực (kể cả những nơi không có điện lưới)

1.4.2 Nhược điểm của năng lượng mặt trời

Nguồn năng lượng này tồn tại song hành cả ưu, nhược điểm tác động đến hoạt

động khai thác của con người Bên cạnh những ưu điểm nổi bật, nguồn năng lượng này cũng có một số nhược điểm, gây trở ngại cho việc sử dụng, ch ng hạn như:

Chi phí đầu tư cho lắp đặt một hệ thống năng lượng mặt trời khá cao Không thể sử dụng vào những lúc không có ánh sáng mặt trời hoặc ánh sáng yếu, ban đêm hoặc những lúc trời mưa bão Có thể sử dụng nguồn năng lượng dự trữ để thay thế nhưng không duy trì được lâu Nguyên liệu sản xuất đắt đỏ và quý hiếm dẫn đến chi phí sản xuất lớn Mật độ năng lượng khá thấp nên cần đến tấm năng lượng mặt trời lớn

để phục vụ sử dụng Chi phí mua ắc quy/pin lưu trữ cao

Là công nghệ mới, khai thác nguồn năng lượng sẵn có, cho nên chi phí đầu tư cho hệ thống ban đầu khá là đắt đỏ Chính xác là chi phí cho các thiết bị như tấm pin năng lượng mặt trời, acquy lưu trữ điện năng hiện có giá khá cao, do nguồn nguyên liệu sản xuất tốn kém và công nghệ sản xuất chưa phổ biến tại địa phương

Ở một số quốc gia trên thế giới; để khuyến khích người dân đầu tư sử dụng năng lượng mặt trời thì Nhà nước có hỗ trợ giá thiết bị, hoặc cho thuê những tấm pin; thuê acquy với chi phí thấp

Chưa thể là nguồn năng lượng ổn định

Cho dù là nguồn năng lượng vô tận, nhưng thực tế, khả năng khai thác năng lượng mặt trời là không cao cho đến thời điểm hiện tại

Do một mặt là về công nghệ, mặt khác là do thiên nhiên Sẽ có những ngày không có ánh nắng mặt trời như mưa dông; bão, hoặc những ngày nhiều mây và đặc biệt là vào ban đêm

Vì những hạn chế về tự nhiên trên; mà sẽ phải tốn thêm nhiều thời gian nữa, năng lượng mặt trời mới trở thành nguồn năng lượng cung cấp điện năng chính để sử dụng

Chiếm diện tích lớn cho các nhà máy năng lượng mặt trời

Rõ ràng, với kích thước hiện tại của các tấm pin năng lượng mặt trời; chỉ sản sinh 170W/m2 lượng điện năng, thì để xây dựng được một nhà máy có công suất khai thác năng lượng mặt trời lớn; thì đòi hỏi phải có một diện tích đất để lắp đặt lớn Đa số các nhà máy năng lượng mặt trời như Tesla; đều chọn những khu vực đất đai bị sa mạc hoá để xây dựng

1.5 Hướng nghiên cứu cho việc sử dụng Năng lượng mặt trời

Trong thời đại khoa học kỹ thuật phát triển, nhu cầu về năng lượng ngày càng tăng Trong khi đó các nguồn nhiên liệu dự trữ như than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên và ngay cả thủy điện thì có hạn khiến cho nhân loại đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng

25

lượng Việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng mới như năng lượng hạt nhân, năng lượng địa nhiệt, năng lượng gió và năng lượng mặt trời là một trong những hướng phát triển năng lượng, không những đối với những nước phát triển mà ngay cả với những nước đang phát triển

Năng lượng mặt trời - nguồn năng lượng sạch và tiềm tàng nhất đang được loài người đặc biệt quan tâm Do đó việc nghiên cứu trọng tâm nhằm nâng cao hiệu quả các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời và triển khai ứng dụng chúng vào thực tế là vấn đề có tính thời sự Vấn đề sử dụng NLMT đã được các nhà khoa học trên thế giới

và trong nước quan tâm Mặc d tiềm năng của NLMT rất lớn, nhưng tỷ trọng năng lượng được sản xuất từ NLMT trong tổng năng lượng tiêu thụ của thế giới vẫn còn khiêm tốn Nguyên nhân chính chưa thể thương mại hóa các thiết bị và công nghệ sử dụng NLMT là do còn tồn tại một số hạn chế lớn chưa được giải quyết :

 Giá thành thiết bị còn cao: vì hầu hết các nước đang phát triển và kém phát triển

là những nước có tiềm năng rất lớn về NLMT nhưng để nghiên cứu và ứng dụng NLMT lại đòi hỏi vốn đầu tư rất lớn, nhất là để nghiên cứu các thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí bằng NLMT cần chi phí quá cao so với thu nhập của người dân ở các nước ngh o

 Hiệu suất thiết bị còn thấp: nhất là các bộ thu năng lượng mặt trời d ng để cấp nhiệt cho máy lạnh hấp thu cần nhiệt độ cao trên 850C thì các bộ thu ph ng đặt cố định bình thường có hiệu suất rất thấp, do đó thiết bị lắp đặt còn cồng kềnh chưa ph hợp với nhu cầu lắp đặt và về mặt thẩm mỹ Các bộ thu có gương parabolic hay máng parabolic trụ phản xạ bình thường thì thu được nhiệt độ cao nhưng vấn đề định vị hướng hứng nắng theo phương mặt trời rất phức tạp nên không thuận lợi cho việc vận hành

 Việc triển khai ứng dụng thực tế còn hạn chế: về mặt lý thuyết, NLMT là một nguồn năng lượng sạch, rẻ tiền và tiềm tàng, nếu sử dụng nó hợp lý sẽ mang lại lợi ích kinh tế và môi trường rất lớn Việc nghiên cứu về lý thuyết đã tương đối hoàn chỉnh Xong trong điều kiện thực tiễn, các thiết bị sử dụng NLMT lại có quá trình làm việc không ổn định và không liên tục, hoàn toàn biến động theo thời tiết, vì vậy rất khó ứng dụng ở quy mô công nghiệp cũng như sử dụng cho các hộ dân cư

Chính vì vậy, vấn đề khai thác công suất tối đa các hệ thống phát năng lượng mặt trời đang được chú ý để đáp ứng yêu cầu hòa đồng bộ vào lưới điện Đề tài đưa ra phương án: “Nghiên cứu xây dựng thuật toán khai thác công suất tối đa và duy trì trạng thái ổn định của hệ thống điện mặt trời nối lưới” Việc nghiên cứu thuật toán khai thác công suất tối đa và duy trì trạng thái ổn định của hệ thống điện mặt trời nối lưới sẽ đảm bảo thu được năng lượng tối đa từ pin mặt trời mà không phụ thuộc vào thời tiết và tải; đảm bảo điều kiện hòa đồng bộ hệ thống với lưới điện khi điện áp lưới cũng như giá trị của tải thay đổi, đưa lại hiệu quả kinh tế rõ rệt cho công nghiệp nước

ta Hướng nghiên cứu của luận văn muốn đi sâu nghiên cứu thuật toán MPPT nhằm khai thác sử dụng công suất tối đa của hệ thống điện mặt trời nối lưới Trong đó nhấn mạnh vấn đề tận dụng hiệu quả nguồn năng lượng mặt trời và hệ thống điện mặt trời nối lưới là một phương thức sử dụng năng lượng rất kinh tế Đây là lĩnh vực đang có nhiều xu hướng nghiên cứu rộng rãi, được áp dụng với nhiều thuật toán mới

1.6 Kết luận chương 1

Năng lượng mặt trời là một dạng năng lượng tái tạo vô tận với trữ lượng lớn nhất mà thiên nhiên ban tặng cho hành tinh chúng ta Để khai thác, vận hành một cách tối ưu nguồn năng lượng này cần nắm rõ hệ thống NLMT như: Phân loại hệ thống NLMT, nguyên tắc hoạt động, cách thức mắc nối, các bước thực hiện để tính chọn thiết kế lắp đặt hệ thống điện mặt trời hòa lưới, cũng như phân tích các Ưu nhược điểm của nguồn năng lượng mặt trời Trong luận văn này trọng tâm nghiên cứ triển khai ứng dụng một thuật toán MPPT nhằm khai thác công suất khai thác công suất tối

đa của hệ thống điện mặt trời nối lưới

27

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU TIM HIỂU CẤU TRÚC HỆ THỐNG NĂNG

LƯỢNG MẶT TRỜI

2.1 Cấu trúc của hệ thống điện mặt trời nối lưới

2.1.1 Sơ đồ khối hệ thống

Hình 2 1 Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời nối lưới

 Khối Modul quang điện (PV) làm nhiệm vụ biến đổi năng lượng mặt trời thành điện năng một chiều với công suất điện phụ thuộc vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ làm việc của pin

 Khối dò điểm công suất tối đa với giải thuật tìm điểm công suất cực đại của modul PV ứng với giá trị xác định của bức xạ mặt trời và nhiệt độ

 Khối biến đổi một chiều - một chiều (DC-DC) có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều tương ứng với điểm công suất cực đại thành điện áp một chiều có giá trị ph hợp và ổn định

Như vậy, trong hệ thống này, năng lượng mặt trời được biến đổi thành năng lượng điện dưới dạng năng lượng điện một chiều, năng lượng này sau đó được đưa qua bộ biến đổi DC-AC chuyển thành năng lượng xoay chiều dùng trực tiếp cho tải xoay chiều hoặc kết nối với lưới điện

2.1.2 Điều khiển trong hệ thống điện mặt trời nối lưới

Để đảm bảo cho hệ thống điện mặt trời nối lưới làm việc an toàn, ổn định,

có hiệu suất cao thì cần phải có các điều khiển sau:

 Điều khiển dò tìm điểm công suất tối đa, điều khiển bộ biến đổi DC/DC đối với hệ thống điện mặt trời

 Điều khiển bộ nghịch lưu nối lưới DC/AC

Ngoài ra còn có các điều khiển khác như bù sóng hài, chống cô lập hóa (Anti islanding)

2.1.3 Mô hình toán và đặc tính làm việc của pin mặt trời

Mô hình toán học của tế bào quang điện đã được nghiên cứu trong nhiều thập kỷ qua Mạch điện tương đương của mô hình tế bào quang điện bao gồm: Dòng quang điện, Điôt, điện trở song song (dòng điện dò), điện trở nối tiếp được chỉ ra trên hình 2.2 Ta có:

Trong đó: Igc là dòng quang điện (A); I0 là dòng bão hòa (A) phụ thuộc vào nhiệt độ tế bào quang điện; q là điện tích của điện tử, q = 1,6.10-19

C; k là hằng số Boltzman, k = 1,38.10-23J/K; F là hệ số phụ thuộc vào công nghệ chế tạo pin, ví dụ công nghệ Si- mono F = 1,2; công nghệ Si-Poly F = 1,3, …; Tc là nhiệt độ tuyệt đối của tế bào (0

K); Vd là điện áp trên điôt (V); Rp là điện trở song song

Hình 2 2 Mạch tương đương của module PV

Dòng quang điện Igc phụ thuộc trực tiếp vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ pin, được tính theo công thức (2.2)

Với: µsc là hệ số phụ thuộc nhiệt độ của dòng ngắn mạch (A/0C); Tref

là nhiệt độ tham chiếu của tế bào quang điện (0K); Tc là nhiệt độ làm việc của