sử dụng thuật toán pso để theo dõi điểm công suất cực đại

Chương 2: Hệ thống điện mặt trời Chương 3: Giới thiệu hệ thống điều khiển MPPT và thuật toán PSO Chương 4: Mô hình mô phỏng theo dõi điểm công suất cực đại dùng thuật toán PSO Chương 5:

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

Người hướng dẫn: TS Trần Lê Nhật Hoàng

Sinh viên thực hiện: Võ Văn Trường

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

Người hướng dẫn: TS Trần Lê Nhật Hoàng

Sinh viên thực hiện: Võ Văn Trường

NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN

NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN

Chương 2: Hệ thống điện mặt trời Chương 3: Giới thiệu hệ thống điều khiển MPPT và thuật toán PSO Chương 4: Mô hình mô phỏng theo dõi điểm công suất cực đại dùng thuật toán PSO Chương 5: So sánh thuật toán PSO và P&O

Kết luận và hướng phát triển của đề tài

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Giảng viên hướng dẫn: TS Trần Lê Nhật Hoàng

Sinh viên thực hiện: Võ Văn Trường Mã SV: 1911505120162

Trần Quốc Vương Mã SV: 1911505120166

1 Tên đề tài:

Sử dụng thuật toán PSO để theo dõi điểm công suất cực đại

2 Các số liệu, tài liệu ban đầu:

- Thông số pin mặt trời, cường độ bức xạ, nhiệt độ môi trường - Tài liệu về thuật toán PSO

- Phần mềm Matlab & Simulink

3 Nội dung chính của đồ án:

- Tổng quan về năng lượng tái tạo và tình hình phát triển năng lượng mặt trời ở Việt Nam

- Hệ thống điện mặt trời - Giới thiệu hệ thống điều khiển MPPT và thuật toán PSO - Mô hình mô phỏng theo dõi điểm công suất cực đại dùng thuật toán PSO - So sánh thuật toán PSO và P&O

- Kết luận và hướng phát triển của đề tài

4 Các sản phẩm dự kiến:

- Thuyết minh sử dụng thuật toán PSO theo dõi điểm công suất cực đại - Mô hình mô phỏng bằng phần mềm Matlab & Simulink

5 Ngày giao đồ án: 21/08/2023 6 Ngày nộp đồ án: 20/12/2023

Trưởng Bộ môn Đà Nẵng, ngày tháng năm 20…

Người hướng dẫn

i

LỜI NÓI ĐẦU

Những năm gần đây, điện mặt trời đã phát triển mạnh ở Việt Nam, đóng góp quan trọng vào việc đảm bảo an ninh năng lượng và mục tiêu giảm phát thải khí nhà kính Có thể nhận thấy rằng, năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng sạch không giống như bất kỳ một nguồn năng lượng nào khác mà chúng ta đang khai thác trên trái đất Một trong các ứng dụng chính ở tầm vĩ mô của nguồn năng lượng mặt trời là bài toán sản xuất năng lượng điện thông qua hệ thống pin PV Tuy nhiên, hiệu suất chuyển đổi năng lượng của module PV lại rất thấp khi các điều kiện môi trường thay đổi Mặt khác, đặc tính V-I của PV là phi tuyến và cũng sẽ thay đổi dưới các điều kiện nhiệt độ và bức xạ khác nhau Trên các đặc tuyến V-I hoặc V-P, tồn tại một điểm làm việc duy nhất mà được gọi là điểm công suất cực đại (Maximum power point) Vị trí của các MPP là không xác định trước được, nhưng có thể xác định được thông qua các mô hình tính toán hoặc các thuật toán tìm kiếm trong quá trình vận hành Khi các MPP đã được xác định, các kỹ thuật bám MPP sẽ được sử dụng để duy trì điểm làm việc của các PV luôn luôn là tại MPP Đồ án này trình bày một phương pháp MPPT hiệu quả cho hệ thống PV dựa trên thuật toán tối ưu hóa bầy đàn (PSO) để theo dõi vị trí của điểm công suất cực đại toàn cục trong các trường hợp môi trường thay đổi

Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, nhóm em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cô và bạn bè Nhóm em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS Trần Lê Nhật Hoàng, người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo nhóm em trong suốt quá trình làm đồ án

Nhóm em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng nói chung, các thầy cô trong Bộ môn Hệ thống điện nói riêng đã dạy dỗ cho chúng em kiến thức về các môn đại cương cũng như các môn chuyên ngành, giúp chúng em có được cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình học tập

Cuối cùng, chúng em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, đã luôn tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên chúng em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành đồ án tốt nghiệp

CAM ĐOAN

Nhóm em xin cam đoan kết quả đạt được trong đồ án là sản phẩm của riêng cá nhân, không sao chép lại của người khác Trong toàn bộ nội dung của đồ án, những điều được trình bày hoặc là của cá nhân hoặc là được tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu Tất cả các tài liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và được trích dẫn Nhóm em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định cho lời cam đoan của mình

Sinh viên thực hiện

iii

MỤC LỤC

Nhận xét của người hướng dẫn Nhận xét của người phản biện Tóm tắt

1.1 Tổng quan về năng lượng tái tạo 2

1.1.1 Khái niệm về năng lượng tái tạo 2

1.1.2 Ưu điểm và nhược điểm của năng lượng tái tạo 3

1.1.3 Vai trò của năng lượng tái tạo 4

1.2 Tình hình phát triển năng lượng mặt trời ở Việt Nam 6

1.2.1 Khái niệm năng lượng mặt trời 6

1.2.2 Ưu điểm và nhược điểm của năng lượng mặt trời 7

1.2.3 Tình hình phát triển và tiềm năng năng lượng mặt trời ở Việt Nam 7

Chương 2: HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI 14

2.1 Giới thiệu về pin năng lượng mặt trời 14

2.1.1 Khái niệm 14

2.1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 14

2.1.3 Phân loại và các thông số 16

2.1.4 Mô hình toán học của PV Cell 19

2.2 Hệ thống điện mặt trời (PV System) 20

2.2.1 Khái niệm và phân loại 20

2.2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 22

2.2.3 Các hình thức kết nối mảng PV 24

2.2.4 Ảnh hưởng của cường độ bức xạ mặt trời 26

2.2.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ của pin mặt trời 27

Chương 3: GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MPPT VÀ THUẬT TOÁN PSO 29

3.1 Hệ thống điều khiển MPPT 29

3.1.1 Khái niệm 29

3.1.2 Bộ biến đổi DC/DC Boost converter 30

3.2 Giới thiệu thuật toán PSO 31

3.2.1 Khái niệm thuật toán PSO 32

3.2.2 Lưu đồ thuật toán PSO 33

Chương 4: MÔ HÌNH MÔ PHỎNG THEO DÕI ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI DÙNG THUẬT TOÁN PSO 38

4.1 Xây dựng mô hình pin năng lượng mặt trời trong phần mềm Matlab & Simulink 38

4.1.1 Giới thiệu về phần mềm Matlab & Simulink 38

4.1.2 Mô hình mô phỏng điều khiển bám điểm công suất cực đại dùng thuật toán PSO 40

4.2 Tác động của yếu tố môi trường đến MPPT của thuật toán PSO 42

4.2.1 Trường hợp cố định bức xạ 1000W/m2 và nhiệt độ 25oC 42

4.2.2 Tác động của bức xạ đến MPPT của thuật toán PSO 43

4.2.3 Tác động của nhiệt độ đến MPPT của thuật toán PSO 45

4.3 Thuật toán PSO xét đến trường hợp che bóng một phần module PV 46

4.3.1 Mô hình mô xét đến trường hợp che bóng một phần module PV 48

4.3.2 Tác động của trường hợp che bóng một phần module PV đến MPPT dùng thuật toán PSO 49

4.4 Kết luận 51

Chương 5: SO SÁNH THUẬT TOÁN PSO VÀ P&O 52

5.1 Giới thiệu thuật toán P&O 52

5.2 Mô hình mô phỏng điều khiển bám điểm công suất cực đại dùng thuật toán P&O 54

5.3 So sánh hai thuật toán PSO và P&O xét đến các yếu tố môi trường 55

v

5.3.1 Trường hợp cố định bức xạ 1000W/m2 và nhiệt độ 25oC 55

5.3.2 Trường hợp cố định nhiệt độ và bức xạ thay đổi từ 700W/m2 56

600-800-450-5.3.3 Trường hợp cố định bức xạ và nhiệt độ thay đổi từ 25-50-35-20oC 57

5.3.4 Trường hợp che bóng một phần module PV 59

5.4 Kết luận 60

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO 63PHỤ LỤC

DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ

Bảng 1.1 Thống kê 10 nhà máy năng lượng mặt trời lớn tại Việt Nam 11

Bảng 1.2 Số liệu về bức xạ mặt trời ở các vùng lãnh thổ tại Việt Nam 13

Bảng 2.1 Chú thích các thông số chủ yếu ở Hình 2.7 18

Bảng 4.1 Thông số mô hình mô phỏng tấm pin năng lượng mặt trời 49

Hình 1.1 Năng lượng tái tạo 2

Hình 1.2 Các dạng năng lượng tái tạo 5

Hình 1.3 Năng lượng mặt trời 6

Hình 1.4 Điện mặt trời áp mái vận hành tại trụ sở các đơn vị trực thuộc EVN 8

Hình 1.5 Nhà máy điện mặt trời TTC Krông Pa (Gia Lai) 9

Hình 1.6 Công ty SkyX Solar và tham vọng phát triển bền vững tại Việt Nam 10

Hình 1.7 Cường độ bức xạ mặt trời tại Việt Nam 12

Hình 1.8 Kết quả đạt được và mục tiêu của năng lượng mặt trời ở Việt Nam 13

Hình 2.1 Hệ thống pin năng lượng mặt trời 14

Hình 2.2 Cấu tạo của một tế bào quang điện của tấm pin năng lượng mặt trời 15

Hình 2.3 Nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời 16

Hình 2.4 Pin năng lượng mặt trời loại silicon đơn tinh thể (Monocrystalline) 16

Hình 2.5 Pin năng lượng mặt trời silicon đa tinh thể (Polycrystalline) 17

Hình 2.6 Pin mặt trời silic vô định hình 17

Hình 2.7 Các thông số của tấm pin năng lượng mặt trời 18

Hình 2.8 Mạch tương đương của pin mặt trời 19

Hình 2.9 Hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới - On Grid ở Tây Ninh 21

Hình 2.10 Hệ thống điện mặt trời độc lập - Off Grid ở Tri Tôn - An Giang 21

Hình 2.11 Cấu tạo của hệ thống điện mặt trời 22

Hình 2.12 Mô hình hoạt động của hệ thống điện mặt trời 23

vii

Hình 2.13 Nối nối tiếp nhiều PV Module 24

Hình 2.14 Nối song song nhiều PV Module 24

Hình 2.15 Nối hỗn hợp nhiều PV Module 25

Hình 2.16 Đặc tính V-I và và P-V của module PV với các cường độ bức xạ khác nhau ở nhiệt độ không đổi 25°C 26

Hình 2.17 Đặc tính V-I và và P-V của module PV với các giá trị nhiệt độ khác nhau ở cường độ bức xạ không đổi 1000W/m2 27

Hình 3.1 Hệ thống điều khiển MPPT 29

Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý của bộ biến đổi DC/DC Boost converter 30

Hình 3.3 Phân loại thuật toán điều khiển MPPT 31

Hình 3.4 Lưu đồ thuật toán PSO 33

Hình 4.1 Giao diện của phần mềm Matlab 39

Hình 4.2 Giao diện của Simulink trong phần mềm Matlab và thư viện của Simulink 40

Hình 4.3 Mô hình mô phỏng điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ thống pin mặt trời dùng thuật toán PSO 40

Hình 4.4 Khối tấm pin mặt trời PV Array 41

Hình 4.5 Bộ biến đổi DC/DC Boost Converter 41

Hình 4.6 Khối điều khiển MPPT của thuật toán PSO 42

Hình 4.7 Tín hiệu bức xạ 1000W/m2 42

Hình 4.8 Điện áp sau bộ boost khi cố định bức xạ và nhiệt độ 42

Hình 4.9 Công suất sau bộ boost khi cố định bức xạ và nhiệt độ 43

Hình 4.10 Tín hiệu bức xạ thay đổi từ 600-800-450-700W/m2 43

Hình 4.11 Điện áp sau bộ boost khi cố định nhiệt độ và thay đổi bức xạ 44

Hình 4.12 Công suất sau bộ boost khi cố định nhiệt độ và thay đổi bức xạ 44

Hình 4.13 Tín hiệu nhiệt độ thay đổi từ 25-50-35-20oC 45

Hình 4.14 Điện áp sau bộ boost khi cố định bức xạ và thay đổi nhiệt độ 45

Hình 4.15 Công suất sau bộ boost khi cố định bức xạ và thay đổi nhiệt độ 45

Hình 4.16 Tấm pin mặt trời bị che bóng một phần 46

Hình 4.17 Hệ thống PV khi chưa che bóng một phần module PV 47

Hình 4.18 Hệ thống PV khi bị che bóng một phần module PV 47

Hình 4.19 Ảnh hưởng bóng che một phần lên đặc tuyến P-V 48

Hình 4.20 Mô hình mô phỏng điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ thống pin mặt trời dùng thuật toán PSO trong điều kiện che bóng một phần 48

Hình 4.21 Điện áp sau bộ boost trong điều kiện bóng che một phần module PV 49

Hình 4.22 Công suất sau bộ boost trong điều kiện bóng che một phần module PV 50 Hình 4.23 Phóng to một đoạn công suất sau bộ boost trong điều kiện bóng che một phần module PV 50

Hình 5.1 Đường đặc tính P-V của thuật toán P&O 52

Hình 5.2 Lưu đồ thuật toán P&O điều khiển thông qua điện áp tham chiếu Vref 53

Hình 5.3 Mô hình mô phỏng điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ thống pin mặt trời dùng thuật toán P&O 54

Hình 5.4 Điện áp sau bộ boost khi cố định bức xạ và nhiệt độ 55

Hình 5.5 Công suất sau bộ boost khi cố định bức xạ và nhiệt độ 55

Hình 5.6 Phóng to một đoạn công suất sau bộ boost khi cố định bức xạ và nhiệt độ 55

Hình 5.7 Điện áp sau bộ boost khi cố định nhiệt độ và thay đổi bức xạ 56

Hình 5.8 Công suất sau bộ boost khi cố định nhiệt độ và thay đổi bức xạ 56

Hình 5.9 Phóng to một đoạn công suất sau bộ boost khi cố định nhiệt độ và thay đổi bức xạ 57

Hình 5.10 Điện áp sau bộ boost khi cố định bức xạ và thay đổi nhiệt độ 57

Hình 5.11 Công suất sau bộ boost khi cố định bức xạ và thay đổi nhiệt độ 58

Hình 5.12 Phóng to một đoạn công suất sau bộ boost khi cố định bức xạ và thay đổi nhiệt độ 58

Hình 5.13 Điện áp sau bộ boost khi che bóng một phần module PV 59

Hình 5.14 Công suất sau bộ boost khi che bóng một phần module PV 59

ix

Hình 5.15 Phóng to một đoạn công suất sau bộ boost khi che bóng một phần module PV 60

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

EVN: Tập đoàn Điện lực Việt Nam IRENA: Cơ quan Năng lượng Tái tạo Quốc tế PV: Photovoltaics - Quang điện hay là quang năng MPP: Maximum Power Point - Điểm công suất cực đại MPPT: Maximum Power Point Tracker - Theo dõi điểm công suất cực đại GMPP: Global Maximum Power Point - Điểm công suất cực đại toàn cục LMPP: Local Maximum Power Point - Điểm công suất cực đại cục bộ PSO: Particle Swarm Optimization - Phương pháp tối ưu hoá bầy đàn P&O: Perturbation and Observation - Phương pháp nhiễu loạn và quan sát

SVTH: Võ Văn Trường GVHD: TS Trần Lê Nhật Hoàng 1

MỞ ĐẦU

Vấn đề khủng hoảng năng lượng điện đã và đang được các quốc gia trên thế giới, trong đó có Việt Nam đặc biệt quan tâm Theo thời gian, nhiên liệu hóa thạch thông thường để cung cấp cho các nhà máy điện ngày càng cạn kiệt, do đó người ta nỗ lực khai thác các nguồn năng lượng tái tạo để phục vụ phụ tải điện ngày càng tăng Trong đó, năng lượng mặt trời đang giành được rất nhiều sự quan tâm Tuy nhiên, hiệu suất chuyển đổi năng lượng của module PV lại rất thấp khi các điều kiện môi trường thay đổi Theo dõi điểm công suất cực đại (MPPT) là chìa khóa quan trọng để đảm bảo rằng hệ thống PV được vận hành ổn định với mức công suất cao nhất có thể Đồ án này trình bày một phương pháp MPPT hiệu quả cho hệ thống PV dựa trên thuật toán tối ưu hóa bầy đàn (PSO) để theo dõi vị trí của điểm công suất cực đại toàn cục, bất kể vị trí của nó thay đổi trong không gian tìm kiếm trong mọi điều kiện môi trường, bao gồm cả bóng che một phần

Mục tiêu đề tài: Nghiên cứu cách hoạt động của thuật toán PSO điều khiển điểm công suất cực đại cho hệ thống PV dưới những thay đổi của môi trường

Phạm vi và đối tượng nghiên cứu: Phạm vi nghiên cứu của đồ án là thuật toán PSO theo dõi điểm công suất cực đại cho hệ thống pin PV Đối tượng nghiên cứu là các tấm pin năng lượng mặt trời và các mạch điện tử

Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu tài liệu trên các trang báo uy tín, tiến hành mô phỏng mô hình trên phần mềm Matlab&Simulink

Cấu trúc của đồ án tốt nghiệp: Đồ án được chia thành các chương như sau: Chương 1: Tổng quan về năng lượng tái tạo và tình hình phát triển năng lượng mặt trời ở Việt Nam

Chương 2: Hệ thống điện mặt trời Chương 3: Giới thiệu hệ thống điều khiển MPPT và thuật toán PSO Chương 4: Mô hình mô phỏng theo dõi điểm công suất cực đại dùng thuật toán PSO

Chương 5: So sánh điện áp và công suất của mô hình mô phỏng theo dõi điểm công suất cực đại khi dùng thuật toán PSO và thuật toán P&O

Kết luận và hướng phát triển của đề tài

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO VÀ TÌNH HÌNH PHÁT TRIỂN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Ở VIỆT NAM

1.1 Tổng quan về năng lượng tái tạo

1.1.1 Khái niệm về năng lượng tái tạo

Năng lượng tái tạo (Renewable energy) [1] hay còn được biết đến là nguồn năng lượng sạch, được tạo ra từ các quá trình tự nhiên, bao gồm ánh sáng mặt trời, mưa, gió, thủy triều, Nguồn năng lượng này gần như là vô hạn và không ngừng được tái sinh

Theo ý nghĩa về vật lý, năng lượng không được tái tạo mà trước tiên là do Mặt Trời mang lại và được biến đổi thành các dạng năng lượng hay các vật mang năng lượng khác nhau Tùy theo trường hợp mà năng lượng này được sử dụng ngay tức khắc hay được tạm thời dự trữ

Hình 1.1 Năng lượng tái tạo Việc sử dụng khái niệm "tái tạo" theo cách nói thông thường là dùng để chỉ đến các chu kỳ tái tạo mà đối với con người là ngắn đi rất nhiều (thí dụ như khí sinh học so với năng lượng hóa thạch) Trong cảm giác về thời gian của con người thì mặt trời sẽ còn là một nguồn cung cấp năng lượng trong một thời gian gần như là vô tận Mặt

SVTH: Võ Văn Trường GVHD: TS Trần Lê Nhật Hoàng 3

bầu sinh quyển Trái Đất Những quy trình này có thể cung cấp năng lượng cho con người và cũng mang lại những cái gọi là nguyên liệu tái tăng trưởng Luồng gió thổi, dòng nước chảy và nhiệt lượng của Mặt Trời đã được con người sử dụng trong quá khứ Quan trọng nhất trong thời đại công nghiệp là sức nước nhìn theo phương diện sử dụng kỹ thuật và theo phương diện phí tổn sinh thái

Có khoảng 16% lượng tiêu thụ điện toàn cục từ các nguồn năng lượng tái tạo, với 10% trong tất cả năng lượng từ sinh khối truyền thống, chủ yếu được dùng để cung cấp nhiệt và 3,4% từ thủy điện Các nguồn năng lượng tái tạo mới (small hydro, sinh khối hiện đại, gió, mặt trời, địa nhiệt và nhiên liệu sinh học) chiếm thêm 3% và đang phát triển nhanh chóng Ở cấp quốc gia, có ít nhất 30 quốc gia trên thế giới đã sử dụng năng lượng tái tạo và cung cấp hơn 20% nhu cầu năng lượng của họ Các thị trường năng lượng tái tạo cấp quốc gia được dự đoán tiếp tục tăng trưởng mạnh trong thập kỷ tới và sau đó nữa

1.1.2 Ưu điểm và nhược điểm của năng lượng tái tạo

Ưu điểm của năng lượng tái tạo: - Ưu điểm đầu tiên của năng lượng tái tạo là có thể tái tạo được, trữ lượng vô cùng lớn, có thể vô tận Các dạng năng lượng như mặt trời, gió, địa nhiệt, sóng biển, mưa… có sẵn và tự do sử dụng, không mất chi phí nhiên liệu Năng lượng sinh khối cũng có trữ lượng lớn và chi phí nhiên liệu thấp So với các nguồn năng lượng truyền thống như than đá, dầu mỏ, khí đốt tự nhiên… đang ngày càng cạn kiệt, chỉ đáp ứng nhu cầu năng lượng của con người thêm khoảng 50-70 năm, ưu điểm này là một thế mạnh vượt trội

- Có thể khai thác rộng rãi mọi khu vực khác nhau trên Trái đất Ví dụ như năng lượng Mặt trời có thể khai thác mọi nơi, chỉ cần ở đó có ánh sáng Mặt trời, tạo ra điện nhờ hệ thống pin năng lượng Mặt trời

- Các dạng năng lượng tái tạo đều là những năng lượng sạch, thân thiện với môi trường, phát thải ít carbon trong quá trình sản xuất, chuyển đổi Chính vì vậy, năng lượng tái tạo được biết đến là giải pháp chống lại sự biến đổi khí hậu đang ngày càng tác động nghiêm trọng đến cuộc sống của con người, giúp bảo vệ hệ sinh thái chung Ít tác động đến môi trường tự nhiên, không gây ô nhiễm không khí, không làm gia tăng sự nóng lên của khí hậu toàn cầu, hiệu ứng nhà kính… là một ưu điểm của năng lượng tái tạo mà con người đang rất cần

Nhược điểm của năng lượng tái tạo: - Do chịu tác động từ tự nhiên nên năng lượng tái tạo có tính ổn định thấp hơn so với các nguồn năng lượng truyền thống

- Đòi hỏi công nghệ tiên tiến, chi phí đầu tư cao: để tận dụng các nguồn năng lượng tái tạo tạo ra điện cần có công nghệ tiên tiến và chi phí đầu tư khá cao

Hiện nay, chi phí sản xuất điện từ năng lượng tái tạo nhìn chung đang cao hơn so với chi phí từ năng lượng hóa thạch Tuy nhiên, sự phát triển của năng lượng tái tạo trong xu hướng toàn cầu đã giúp chi phí ngày càng giảm và hiệu suất ngày càng tăng, dần cải thiện nhược điểm này

Tuỳ vào từng dạng năng lượng tái tạo mà nó có từng ưu và nhược điểm riêng

1.1.3 Vai trò của năng lượng tái tạo

Vai trò của năng lượng tái tạo rất quan trọng trong hành trình phát triển bền vững của đất nước từ nhiều khía cạnh khác nhau

- Giảm thiểu tiêu thụ nguồn tài nguyên hóa thạch: sử dụng năng lượng tái tạo giúp giảm sự phụ thuộc vào nguồn tài nguyên hóa thạch như dầu, than và khí tự nhiên Việc giảm tiêu thụ các nguồn tài nguyên không tái tạo góp phần vào bảo vệ môi trường và duy trì các nguồn tài nguyên cho thế hệ tương lai

- Giảm khí thải và tác động ô nhiễm năng lượng tái tạo, chẳng hạn như năng lượng mặt trời và gió, không tạo ra khí thải carbon dioxide (CO2) và các chất gây hiệu ứng nhà kính khác Bằng cách giảm lượng khí thải trong quá trình sản xuất và sử dụng năng lượng, năng lượng tái tạo giúp giảm tác động ô nhiễm đến môi trường và khí hậu

- Tăng tính đa dạng và an ninh năng lượng: sử dụng một loạt các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, gió, thủy điện và sinh khối tạo ra sự đa dạng trong nguồn cung cấp năng lượng Điều này giúp giảm rủi ro về an ninh năng lượng do phụ thuộc quá mức vào một nguồn năng lượng duy nhất và cũng giúp giảm giá cả cho nguồn năng lượng

- Tạo việc làm và phát triển kinh tế: ngành công nghiệp năng lượng tái tạo tạo ra nhiều cơ hội việc làm trong các lĩnh vực như thiết kế, xây dựng, lắp đặt và bảo trì hệ thống năng lượng tái tạo Ngoài ra, việc đầu tư và phát triển năng lượng tái tạo còn khuyến khích sự phát triển kinh tế trong các lĩnh vực liên quan như sản xuất thiết bị và công nghệ xanh

SVTH: Võ Văn Trường GVHD: TS Trần Lê Nhật Hoàng 5

- Khích lệ sự tiến bộ và đổi mới công nghệ: năng lượng tái tạo đòi hỏi sự đổi mới và phát triển công nghệ để nâng cao hiệu suất và tính khả dụng của các nguồn năng lượng tái tạo Đầu tư vào nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực này khuyến khích sự tiến bộ công nghệ và tạo ra những giải pháp mới để sử dụng và tận dụng tối đa các nguồn năng lượng tái tạo Bên cạnh nhược điểm của năng lượng tái tạo, đây là lĩnh vực đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy phát triển bền vững bằng cách giảm tiêu thụ nguồn tài nguyên không tái tạo, giảm khí thải và tác động ô nhiễm, tạo an ninh năng lượng, tạo việc làm và phát triển kinh tế, cùng việc khuyến khích sự tiến bộ và đổi mới công nghệ trong lĩnh vực năng lượng

Các lợi ích này thể hiện vai trò của năng lượng tái tạo trong việc xây dựng một tương lai bền vững, giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường và duy trì sự phát triển của con người

Hình 1.2 Các dạng năng lượng tái tạo [2] Các dạng năng lượng tái tạo chính:

- Năng lượng mặt trời: Sử dụng ánh sáng mặt trời để tạo ra điện - Năng lượng gió: Sử dụng sức gió để quay các cánh quạt của tuabin và tạo ra điện

- Năng lượng thủy điện: Sử dụng nước chảy từ các sông, hồ hoặc dòng suối để tạo ra điện năng

- Năng lượng sinh học (hay còn gọi là năng lượng sinh khối) có nguồn gốc từ động vật, cây trồng Nguồn năng lượng tái tạo này có thể được sử dụng trực tiếp hoặc gián tiếp nhờ vào quá trình đốt cháy để tạo ra nhiệt

- Năng lượng thuỷ triều: Sự nâng hạ của nước biển làm chuyển động các máy phát điện trong các nhà máy điện thuỷ triều

- Năng lượng địa nhiệt: Sử dụng nhiệt độ từ lòng đất để tạo ra điện

1.2 Tình hình phát triển năng lượng mặt trời ở Việt Nam

1.2.1 Khái niệm năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo được tạo ra từ ánh sáng mặt trời Đây là một nguồn năng lượng vô tận và không gây ra khí thải gây hiệu ứng nhà kính, được xem là một phương pháp sạch và bền vững để sản xuất điện Năng lượng mặt trời thu được trên Trái Đất là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ mặt trời đến Trái Đất

Hình 1.3 Năng lượng mặt trời

SVTH: Võ Văn Trường GVHD: TS Trần Lê Nhật Hoàng 7

Với năng lượng mặt trời, chúng ta có thể khai thác được cả phần ánh sáng và phần nhiệt toả ra

- Nhiệt điện mặt trời: Hay còn gọi là điện năng lượng mặt trời tập trung Chuyển đổi bức xạ mặt trời thành nhiệt năng, được sử dụng cho hệ thống sưởi, đun nóng, hoặc đun nước tạo hơi nước quay tuabin phát điện

- Quang điện mặt trời: Chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện thông qua các tấm pin năng lượng mặt trời Phương pháp này dựa trên hiệu ứng quang điện trong vật lý

1.2.2 Ưu điểm và nhược điểm của năng lượng mặt trời

Ưu điểm: - Là nguồn năng lượng gần như vô tận - Khai thác đơn giản, dễ lắp đặt

- Là nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường, ô nhiễm tiếng ồn… - Khả năng khai thác lâu dài và sản lượng cực lớn

- Chi phí vận hành phát điện ngày càng giảm - Điện mặt trời sạch về sinh thái

- Hiệu quả cao, chi phí bảo trì thấp - Dễ dàng lắp đặt tại nhiều khu vực (kể cả những nơi không có điện lưới) Bên cạnh đó, nguồn năng lượng mặt trời cũng có không ít những nhược điểm: - Chi phí lắp đặt cao

- Chưa thể là nguồn năng lượng ổn định, phụ thuộc vào thời tiết - Chiếm diện tích lớn cho các nhà máy năng lượng mặt trời - Khó di chuyển

- Chi phí mua ắc quy/pin lưu trữ cao

1.2.3 Tình hình phát triển và tiềm năng năng lượng mặt trời ở Việt Nam

Thực trạng năng lượng tái tạo ở Việt Nam đã có những bước phát triển tích cực trong sử dụng năng lượng tái tạo, bao gồm điện mặt trời, gió, thủy điện và sinh khối Tại Việt Nam, trước năm 2017 do chưa có quy hoạch, cơ chế, chính sách cho phát triển điện mặt trời, hạ tầng cho phát triển điện mặt trời chưa sẵn sàng, hệ thống đấu nối, truyền tải, phân phối, v.v… cũng chưa được xây dựng Nguồn vốn cho các

dự án điện mặt trời còn khó khăn, giá đầu tư cao, nhân lực chuyên môn còn thiếu nên việc triển khai xây dựng các dự án điện mặt trời lớn gặp nhiều khó khăn Đến tháng 08/2017, tổng công suất lắp đặt điện mặt trời chỉ dưới 30 MWp, chủ yếu là quy mô nhỏ cấp điện tại chỗ

Hình 1.4 Điện mặt trời áp mái vận hành tại trụ sở các đơn vị trực thuộc EVNTính đến năm 2018, Việt Nam phát triển thành công nhiều dự án năng lượng mặt trời với hơn 100 dự án đã ký hợp đồng mua bán điện (PPA) với Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) Các đơn vị trực thuộc EVN đã lắp đặt được 54 công trình điện mặt trời mái nhà với tổng công suất 3,2 MWp Tuy nhiên, con số này còn nhỏ so với tiềm năng điện mặt trời rất lớn tại Việt Nam

Ngày 1/12/2018, Tập đoàn TTC và Công ty Cổ phần Điện Gia Lai (GEC) - đơn vị thành viên Tập đoàn, đã tổ chức Lễ Khánh thành Nhà máy Điện mặt trời TTC Krông Pa - Nhà máy thứ 2 của Tập đoàn trong tổng số 6 nhà máy đã được bổ sung quy hoạch, dự kiến vận hành trước tháng 6/2019 Nhà máy Điện mặt trời TTC Krông Pa có công suất 49 MW (69 MWp), tổng mức đầu tư hơn 1.400 tỉ đồng, được xây dựng trên diện tích 70,23 ha đất đồi thuộc xã Chư Gu, huyện Krông Pa, tỉnh Gia Lai [3]

SVTH: Võ Văn Trường GVHD: TS Trần Lê Nhật Hoàng 9

Hình 1.5 Nhà máy điện mặt trời TTC Krông Pa (Gia Lai) Tính đến năm 2019, đã có 365 dự án điện mặt trời tập trung với công suất 29.000 MWp được đăng ký đầu tư, trong đó 141 dự án được bổ sung vào quy hoạch Đã có 95 dự án với công suất đặt 6.100 MWp đã được Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) ký hợp đồng mua bán điện, đã phát điện 4 nhà máy điện mặt trời tập trung với tổng công suất 200 MWp [4] Thống kê mới nhất của EVN, đến hết tháng 12/2019, đã có 91 dự án điện mặt trời đưa vào vận hành với tổng công suất 4.550 MW Các dự án điện mặt trời chủ yếu tập trung ở các tỉnh miền trung như Khánh Hoà, Ninh Thuận, Bình Thuận, Bình Phước, Lâm Đồng, nơi có cường độ bức xạ lớn [5]

Tổng công suất điện mặt trời đã tăng lên khoảng 5 GWp, trong đó 4,5 GWp là của các nhà máy điện mặt trời nối lưới và gần 0,4 GWp của hệ thống điện mặt trời áp mái Sự phát triển mạnh mẽ này là do các nhà đầu tư đã tăng tốc độ triển khai dự án để tận dụng các ưu đãi của Chính phủ về cơ chế khuyến khích phát triển các dự án điện mặt trời tại Việt Nam [6]

Năm 2020, tại Việt Nam bức xạ mặt trời trung bình là 150 kcal/m2 chiếm khoảng 2.000 - 5.000 giờ/năm, với ước tính tiềm năng lý thuyết khoảng 43,9 tỷ TOE Năng lượng mặt trời ở Việt Nam có sẵn quanh năm, khá ổn định và phân bố rộng rãi trên các vùng miền khác nhau của đất nước Đặc biệt, số ngày nắng trung bình trên các tỉnh miền Nam và miền Trung là khoảng 300 ngày/năm [7]

Theo Thống kê năng lượng tái tạo IRENA, công suất điện mặt trời được lắp đặt tại Việt Nam là khoảng 16.504 MW vào năm 2020, tăng từ 4.898 MW vào năm 2019 Điện mặt trời áp mái cũng chiếm tỷ trọng đáng kể trong tổng công suất điện mặt trời tại Việt Nam Do đó, Việt Nam đã vượt qua Thái Lan để trở thành quốc gia ASEAN

có công suất lắp điện mặt trời lớn nhất Sự tăng trưởng này là kết quả của việc triển khai ồ ạt các hệ thống lắp đặt điện mặt trời tại Việt Nam, đặc biệt là cho các dự án tiện ích [8] Quang điện mặt trời của Việt Nam năm 2020 đã có sự phát triển mạnh mẽ và đây chỉ là bước đầu của quá trình chuyển đổi năng lượng của đất nước khỏi nhiên liệu than đá

Năm 2021, sản lượng điện mặt trời và điện gió đã có mức tăng trưởng nhanh nhất lịch sử và đạt kỷ lục 10% năng lượng toàn cầu trong năm 2021 Đáng chú ý, Việt Nam cũng lọt vào Top 50 quốc gia chạm đến cột mốc này Tính riêng trong lĩnh vực điện mặt trời, Việt Nam đã trải qua giai đoạn phát triển đáng kinh ngạc khi sản lượng tăng 337% (+17 TWh) chỉ trong một năm và trở thành 1 trong 10 quốc gia có sản lượng điện mặt trời lớn nhất thế giới trong năm 2021 Sự tăng trưởng trong lĩnh vực điện mặt trời đồng nghĩa rằng, Việt Nam là quốc gia duy nhất ở châu Á đáp ứng được nhu cầu điện tăng thêm bằng điện gió và điện mặt trời Ở Việt Nam, do tỷ trọng của điện mặt trời tăng nên tỷ trọng của nhiên liệu hóa thạch đã giảm từ 73% xuống 63% Nếu những xu hướng này có thể được nhân rộng trên toàn cầu và duy trì, ngành Điện sẽ đi đúng hướng để đạt mục tiêu giữ mức tăng nhiệt ở ngưỡng 1,5 độ C

Vào tháng 10/2021, SkyX Solar - công ty có 30 MWp dự án năng lượng mặt trời đang hoạt động, đã công bố kế hoạch đầu tư hơn 100 triệu USD trong những năm tới để tạo ra các dự án năng lượng mặt trời phân tán 200 MW cho các khách hàng thương mại và công nghiệp tại Việt Nam

Hình 1.6 Công ty SkyX Solar và tham vọng phát triển bền vững tại Việt Nam [9]

SVTH: Võ Văn Trường GVHD: TS Trần Lê Nhật Hoàng 11

Trong tháng 4/2022, tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) cho biết, sản lượng điện sản xuất toàn hệ thống đạt 22,62 tỷ kWh, tăng 1,9% so với cùng kỳ Lũy kế 4 tháng đầu năm, sản lượng điện sản xuất toàn hệ thống đạt 85,65 tỷ kWh, tăng 6,2% so với cùng kỳ năm 2021 [10] Đặc biệt, Việt Nam đứng thứ 9 trong danh sách 15 quốc gia dẫn đầu thế giới về công suất năng lượng mặt trời năm 2022 với tổng công suất là 16,66 GW, chiếm khoảng 20,5% (trong đó có hơn 9.000 MW điện mặt trời mái nhà)

Bảng 1.1 Thống kê 10 nhà máy năng lượng mặt trời lớn tại Việt Nam [11]

Công suất (MW)

Diện tích xây dựng

(ha)

Số tấm pin mặt trời sử dụng (tấm) 1 Nhà máy điện mặt trời

2 Cụm nhà máy điện mặt trời Dầu Tiếng DT1 và DT2

3 Nhà máy điện mặt trời

4 Cụm 3 nhà máy điện mặt

5 Nhà máy điện mặt trời

6 Nhà máy điện mặt trời CMX Renewable Energy

Việt Nam

7 Nhà máy điện mặt trời

8 Nhà máy điện mặt trời

Từ dưới vĩ tuyến 17, bức xạ mặt trời không chỉ nhiều mà còn rất ổn định trong suốt thời gian của năm, giảm khoảng 20% từ mùa khô sang mùa mưa Số giờ nắng trong năm ở miền Bắc vào khoảng 1500 - 1700 giờ trong khi ở miền Trung và miền Nam Việt Nam, con số này vào khoảng 2000 - 2600 giờ mỗi năm

Các tỉnh ở phía Bắc (từ Thừa Thiên – Huế trở ra) bình quân trong năm có chừng 1800 - 2100 giờ nắng Trong đó, các vùng Tây Bắc (Lai Châu, Sơn La, Lào Cai) và vùng Bắc Trung Bộ (Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh) được xem là những vùng có nắng nhiều

Các tỉnh ở phía Nam (từ Đà Nẵng trở vào), bình quân có khoảng 2000 - 2600 giờ nắng, lượng bức xạ mặt trời tăng 20% so với các tỉnh phía Bắc Ở vùng này, mặt trời chiếu gần như quanh năm, kể cả vào mùa mưa Do đó, đối với các địa phương ở Nam Trung bộ và Nam bộ, nguồn bức xạ mặt trời là một nguồn tài nguyên to lớn để khai thác sử dụng [12]

Hình 1.7 Cường độ bức xạ mặt trời tại Việt Nam [13]

SVTH: Võ Văn Trường GVHD: TS Trần Lê Nhật Hoàng 13

Bảng 1.2 Số liệu về bức xạ mặt trời ở các vùng lãnh thổ tại Việt Nam [14] TT Vùng lãnh thổ Cường độ bức xạ mặt

trời (kWh/m2/ngày)

Số giờ nắng trong năm (giờ/năm)

Ứng dụng điện mặt

Chương 2: HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI

2.1 Giới thiệu về pin năng lượng mặt trời

2.1.1 Khái niệm

Pin năng lượng mặt trời gồm các tế bào quang điện (PV cell) kết nối với nhau ở các điện áp và công suất khác nhau Chúng đóng vai trò hấp thu năng lượng và chuyển đổi quang năng thành điện năng, cung cấp cho các hoạt động phục vụ sinh hoạt, sản xuất

Hình 2.1 Hệ thống pin năng lượng mặt trời [15]

2.1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Cấu tạo của tấm pin năng lượng mặt trời gồm các bộ phận sau:

- Tế bào quang điện (solar cells): là một thiết bị điện được làm bằng chất liệu silicon tinh thể

- Lớp kính bảo vệ: dày 3-4mm, có chức năng bảo vệ các tế bào quang điện khỏi thời tiết và tác động từ mưa đá hoặc mảnh vụn trong không khí

- Tấm nền mặt sau Polymer: là một hàng rào chống ẩm và lớp da bên ngoài cuối cùng để nhằm mục đích bảo vệ cơ học và cách điện

- 2 lớp phim EVA (Ethylene Vinyl Acetate): việc ghép hai bên của các tế bào quang điện sẽ tạo ra một số sự hấp thụ sốc giúp bảo vệ các tế bào và dây kết nối khỏi sự rung động, tác động đột ngột từ đá mưa đá và các vật thể khác

- Khung nhôm ép: bảo vệ cạnh của phần gỗ chứa các tế bào, cung cấp một cấu trúc vững chắc để gắn bảng điều khiển năng lượng mặt trời vào vị trí

SVTH: Võ Văn Trường GVHD: TS Trần Lê Nhật Hoàng 15

- Hộp kết nối - diode và kết nối: hộp nối là một vỏ bọc chống thời tiết nhỏ nằm ở phía sau của bảng điều khiển Nó là một thiết bị cần thiết trong cấu tạo của pin năng lượng mặt trời để gắn chắc chắn các dây cáp để kết nối các bảng Hộp nối có vai trò rất quan trọng vì nó là điểm trung tâm, nơi tất cả các tế bào đặt liên kết với nhau và phải được bảo vệ khỏi độ ẩm và bụi bẩn

Hình 2.2 Cấu tạo của một tế bào quang điện của tấm pin năng lượng mặt trời [16]

Nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời:

Nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời dựa trên hiệu ứng quang điện, được gọi là hiệu ứng quang điện mặt trời Dựa trên nguyên lý này, pin năng lượng mặt trời chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng một cách trực tiếp

- Mỗi tế bào pin bao gồm hai lớp bán dẫn, thường là silic, có các đặc tính dẫn điện khác nhau Lớp bán dẫn ở phía trên của tế bào quang điện mang điện tích âm (N-type), trong khi lớp bán dẫn ở phía dưới mang điện tích dương (P-type)

- Tại vị trí tiếp xúc giữa hai lớp bán dẫn N và P, xảy ra hiện tượng các electron của lớp bán dẫn N ở gần vị trí tiếp xúc sẽ di chuyển sang lỗ trống của bán dẫn P gần vị trí tiếp xúc Vùng tiếp xúc đó thiếu đi khả năng dẫn điện, gọi là vùng nghèo, vùng nghèo này ngăn cách không cho các electron chạy sang bên bán dẫn P Khi này, ở phía bán dẫn N của vùng nghèo, do thiếu electron tự do, nó sẽ tích điện dương và ngược lại, phía bán dẫn P của vùng nghèo, do nhận thêm electron nên mang điện tích âm

- Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào bề mặt của pin, năng lượng từ ánh sáng được hấp thụ bởi vật liệu bán dẫn (thường là silic), tạo ra các điện tích tự do Các điện tích

tự do này sau đó di chuyển qua các lớp bán dẫn trong pin, tạo ra dòng điện liên tục

Hình 2.3 Nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời

2.1.3 Phân loại và các thông số

Có 3 loại công nghệ được sử dụng trong các tấm pin mặt trời có sẵn trên thị trường hiện nay [16], đó là các loại:

- Silicon đơn tinh thể (Monocrystalline): còn gọi là tấm pin mặt trời Mono, mỗi tế bào quang điện được làm từ một tinh thể silicon duy nhất Có màu đen đặc trưng, các cạnh được bo góc, sự tinh khiết cho thấy nó được chế tạo từ loại silicon có độ tinh khiết cao Có hiệu suất sử dụng từ 15-24%, dễ dàng hấp thụ ánh nắng dù lắp đặt ở bất kỳ vị trí nào, tuổi thọ lâu dài nhất, lên đến 35 năm

Hình 2.4 Pin năng lượng mặt trời loại silicon đơn tinh thể (Monocrystalline)

SVTH: Võ Văn Trường GVHD: TS Trần Lê Nhật Hoàng 17

- Silicon đa tinh thể (Polycrystalline): còn gọi là tấm pin mặt trời Poly, mỗi tế bào quang điện được làm từ nhiều mảnh tinh thể silicon được ghép lại với nhau trong quá trình sản xuất Các tấm pin mặt trời đa tinh thể có các tế bào quang điện màu xanh lam với các cạnh thẳng Chúng có hiệu suất khoảng 13-16%, thấp hơn so với các tế bào đơn tinh thể Chúng cũng bị ảnh hưởng nhiều hơn bởi nhiệt độ cao, điều này làm giảm năng suất của chúng vào những ngày nắng nóng nhất

Hình 2.5 Pin năng lượng mặt trời silicon đa tinh thể (Polycrystalline) - Silic vô định hình: là một loại pin mặt trời màng mỏng Nó khác hoàn toàn với các phương pháp sản xuất pin mặt trời silicon đơn tinh thể và đa tinh thể, quá trình này được đơn giản hóa rất nhiều, vật liệu silicon được tiêu thụ ít hơn, năng lượng ít hơn tiêu thụ thấp hơn, và lợi thế chính của nó là có thể tạo ra điện trong điều kiện ánh sáng yếu Tuy nhiên, vấn đề chính của pin mặt trời silic vô định hình là hiệu suất chuyển đổi quang điện thấp, không đủ ổn định Với việc kéo dài thời gian, hiệu quả chuyển đổi của nó bị suy giảm

Hình 2.6 Pin mặt trời silic vô định hình

Ta có thể dễ dàng nhận thấy rằng pin năng lượng Mono tuy giá thành cao hơn nhưng về giá trị sử dụng lâu dài cũng như sức bền thì hơn hẳn so với Poly Tùy theo mức chi phí ban đầu cũng như mục đích sử dụng mà mỗi gia đình, doanh nghiệp có thể lựa chọn cho mình hệ thống pin năng lượng phù hợp nhất

Hình 2.7 Các thông số của tấm pin năng lượng mặt trời Bảng 2.1 Chú thích các thông số chủ yếu ở Hình 2.7 [17]

Open Circuit Voltage (VOC) Điện áp hở mạch Short Circuit Current (ISC) Dòng điện ngắn mạch Maximum Power Point (Pmax) Điểm công suất cực đại

Maximum Power Point Voltage (Vmpp) Điện áp làm việc tại công suất cực đại Maximum Power Point Current (Impp) Dòng điện tại công suất cực đại Module efficiency Hiệu suất của tấm pin mặt trời Maximum System Voltage Điện áp tối đa khi kết nối hệ thống Application classification Điều kiện kiểm tra độ an toàn cách điện Max series Fuse Định mức cầu chì nối tiếp tối đa

SVTH: Võ Văn Trường GVHD: TS Trần Lê Nhật Hoàng 19

2.1.4 Mô hình toán học của PV Cell

Mạch tương đương của pin mặt trời được giới thiệu trên Hình 2.8 là nguồn hiện tại được kết nối qua một diode, điện trở song song (Rsh) và điện trở nối tiếp (Rs) Các mạch tương đương được thể hiện trong hình dưới đây:

Hình 2.8 Mạch tương đương của pin mặt trời Dòng điện của PV Cell được tính như sau [18]:

NS×α×K×T ) − 1)

− VPV+

NSNP×IPV×RSNS

Vth: điện áp nhiệt của diode α: yếu tố lý tưởng của một diode K: hệ số nhiệt độ (K = 1,38.e-23 J/K) TC: nhiệt độ làm việc của cell

q: điện tích electron (q = 1,6.e-19 C) Tref : nhiệt độ môi trường không thay đổi 𝜆: bức xạ mặt trời

NP: các tế bào quang điện song song NS: số lượng các chuỗi module

2.2 Hệ thống điện mặt trời (PV System)

2.2.1 Khái niệm và phân loại

Hệ thống điện mặt trời hay còn gọi là quang điện hay quang năng (Photovoltaics, PV), gồm nhiều PV Module kết nối với nhau, là hệ thống có tác dụng biến đổi ánh sáng mặt trời trực tiếp thành điện năng thông qua các tấm pin mặt trời Năng lượng mặt trời cung cấp một nguồn năng lượng vô hạn, không sinh ra khí thải CO2 và đặc biệt là không mất chi phí khi sử dụng, bởi vậy đây là nguồn năng lượng tái tạo vô cùng sạch, đáng tin cậy và mang lại nhiều giá trị cho con người

Hiện tại có 3 hình thức lắp điện năng lượng mặt trời, đó là hệ thống điện mặt trời hòa lưới – On Grid, hệ thống điện mặt trời độc lập – Off Grid và hệ thống điện mặt trời kết hợp (Hybrid) [19]:

- Hệ thống điện mặt trời hòa lưới – On Grid: Đây là hệ thống điện mặt trời được sử dụng phổ biến nhất hiện nay Nguồn điện được tạo ra từ hệ thống điện hòa lưới được ưu tiên dùng cho các thiết bị điện Khi nhu cầu sử dụng điện cao hơn lượng điện từ hệ thống điện mặt trời tạo ra, hệ thống sẽ lấy điện lưới quốc gia để sử dụng Khi hệ thống sản xuất điện dư thừa so với mức tiêu thụ thì lượng điện dư thừa sẽ đẩy lại mạng lưới điện quốc gia Số điện dư này sẽ được ghi lại thông qua đồng hồ 2 chiều và EVN sẽ thanh toán cho số điện này

SVTH: Võ Văn Trường GVHD: TS Trần Lê Nhật Hoàng 21

Hình 2.9 Hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới - On Grid ở Tây Ninh [20] - Hệ thống điện mặt trời độc lập – Off Grid: Hệ thống này hoàn toàn không phụ thuộc vào nguồn điện lưới Khi sử dụng hệ thống điện mặt trời độc lập, nó sẽ sản xuất ra điện sau đó dẫn điện đến các bình ắc quy để lưu trữ điện

Hình 2.10 Hệ thống điện mặt trời độc lập - Off Grid ở Tri Tôn - An Giang - Hệ thống điện mặt trời kết hợp (Hybrid): Hệ thống này chính là sự kết hợp giữa 2 hệ thống On-grid và Off-grid Nó vừa có thể hoà lưới điện quốc gia, vừa có ắc quy dự trữ điện để phục vụ cho các nhu cầu cần thiết

2.2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Các thành phần cơ bản cấu tạo nên hệ thống điện năng lượng mặt trời bao gồm: các tấm pin mặt trời, biến tần chuyển đổi điện (inverter), sạc năng lượng mặt trời, hệ thống ắc quy lưu trữ Mỗi bộ phận này đóng một vai trò quan trọng khác nhau giúp tạo nên một hệ thống điện mặt trời hoạt động hiệu quả nhất, cụ thể như Hình 2.11:

- Hệ thống pin năng lượng mặt trời: Thành phần chính trong pin mặt trời là silic tinh khiết – có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các cảm biến ánh sáng là diode quang có nhiệm vụ thu nhận và chuyển hóa năng lượng mặt trời thành điện năng, sau đó cung cấp nguồn điện cho cả hệ thống hoạt động

- Bộ biến tần Inverter: Có nhiệm vụ chuyển đổi nguồn điện một chiều DC của pin mặt trời sang điện xoay chiều AC để sử dụng cho các thiết bị điện

- Sạc năng lượng mặt trời: Có nhiệm vụ đảm bảo sạc năng lượng từ pin mặt trời sang hệ thống ắc quy, giúp cho ắc quy cũng như hệ thống hoạt động tốt hơn và nâng cao tuổi thọ

- Hệ thống ắc quy lưu trữ: Vì điện mặt trời không được sản xuất liên tục do thời gian chiếu sáng cố định, bởi vậy các bình ắc quy khi này được sử dụng để lưu trữ nguồn điện Khi điện lưới bị mất hoặc hệ thống điện mặt trời không sản xuất ra điện thì các bình ắc quy lưu trữ này sẽ cung cấp cho các tải tiêu thụ từ hệ thống điện lưới

Hình 2.11 Cấu tạo của hệ thống điện mặt trời

SVTH: Võ Văn Trường GVHD: TS Trần Lê Nhật Hoàng 23

Cơ chế hoạt động của hệ thống điện năng lượng mặt trời dựa trên hiệu ứng quang điện trong vật lý học:

- Hệ thống những tấm pin năng lượng mặt trời được lắp lên mái nhà hoặc những vị trí có nhiều ánh sáng mặt trời nhiều nhất Những tấm pin sẽ có tác dụng hấp thu các photon trong ánh sáng mặt trời và sản sinh thành dòng điện một chiều

- Dòng điện một chiều này thông qua bộ chuyển đổi inverter sẽ chuyển dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều Dòng điện xoay chiều này có cùng công suất và cùng tần số với điện hòa lưới

- Tiếp đến, hệ thống này sử dụng sạc năng lượng mặt trời để sạc đầy các ắc quy lưu trữ, rồi hòa vào mạng lưới điện của nhà nước Từ đó, cả hai nguồn điện này sẽ cùng lúc cung cấp điện cho các tải tiêu thụ Tuy nhiên hệ thống sẽ tự động ưu tiên sử dụng nguồn điện mặt trời chỉ khi hệ thống điện mặt trời không sản sinh và cung cấp đủ nguồn điện sử dụng thì sẽ chuyển sang sử dụng nguồn điện lưới

Hình 2.12 Mô hình hoạt động của hệ thống điện mặt trời [21]

2.2.3 Các hình thức kết nối mảng PV

a) Nối nối tiếp nhiều PV Module

Hình 2.13 Nối nối tiếp nhiều PV Module Kết nối các tấm pin mặt trời với nhau theo mạch nối tiếp được sử dụng nhằm mục đích tăng tổng điện áp hệ thống Để nối tiếp các tấm pin với nhau, ta kết nối cực dương với cực âm của mỗi tấm pin kế tiếp cho đến khi còn lại với một cực dương và âm duy nhất Khi đó, giá trị điện áp và dòng điện của hệ thống được tính như sau:

Trong đó: I1 , I2 , I3,I4: dòng điện của mỗi tấm pin trong hệ thống

V1 ,V2 , V3 , V4: điện áp của mỗi tấm pin trong hệ thống

b) Nối song song nhiều PV Module

Hình 2.14 Nối song song nhiều PV Module Kết nối các tấm pin mặt trời với nhau theo mạch mắc song song được sử dụng để tăng tổng công suất hệ thống Để nối dãy các tấm pin với nhau, ta kết nối cực dương với cực dương của mỗi tấm pin kế tiếp và cực âm với cực âm của mỗi tấm pin kế tiếp Khi đó, giá trị điện áp và dòng điện của hệ thống được tính như sau:

V1

+ _

PV Module

_ +