Luận văn thạc sĩ Thiết bị, mạng và nhà máy điện: Ứng dụng thuật toán Neural Network trong việc tích hợp năng lượng tái tạo vào lưới điện thông minh

Từ mô hình tích hợp các nguôn năng lượng tái tạo vào lưới điện thông minhta xây dựng mang neural dé có thé ứng dụng điều khiển tích hợp nguồn năng lượngtai tạo vào lưới điện thông minh..

CAO MINH TUẦN

CHUYÊN NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HO CHÍ MINH, THANG 6 NĂM 2012

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠITRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOAĐẠI HỌC QUOC GIA TP HO CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Hồ Pham Huy Anh

Cán bộ châm nhận xét Ï: + TS S12 113 115515811113 113 1551151155151 1 55511 8n ra

Cán bộ châm nhận xét 2: 2 CS S13 1311581581111 1 1315511511511 51 155511 8n sa

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, DHQG Tp.

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quan lý chuyền ngành

ĐẠI HỌC QUOC GIA TP HCM CỘNG HOA XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM

TRƯƠNG DAI HOC BACH KHOA Độc lập - Tự Do - Hanh Phúc

Tp HCM, ngày tháng năm

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ho và tên học viên: Cao Minh Tuan Gidi tính: NamNgày, tháng, năm sinh: 24/7/1986 Nơi sinh: Vĩnh LongChuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện

Khoá (năm trúng tuyển): 20101- TEN DE TÀI: Ứng dụng thuật toán Neural network trong việc tích hợpnăng lượng tái tạo vào lưới điện thông minh.

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

- Tìm hiểu năng lương tái tạo, mang neural và lưới điện thông minh.- Xây dựng mô hình tích hợp nguôn năng lượng tái tạo vào lưới điệnthông minh.

- Xây dựng giải thuật điều khiến việc tích hợp năng lượng tái tạo

vào lưới điện thông minh dựa trên Neural Network.

- Mô phỏng giải thuật điều khiển trên phan mềm MatLab.3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 06/02/2012

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 24/6/2012.5- HO VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DAN: TS Hồ Phạm Huy AnhNội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội đồng Chuyên ngànhthông qua.

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BO MÔN ˆ KHOA QL CHUYEN NGÀNH

QUAN LÝ CHUYÊN NGANH

TS Hồ Phạm Huy Ánh

Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thay Hồ Phạm Huy Anh đã tận tìnhhướng dẫn em trong quá trình làm luận văn, đồng thời em cũng gửi lời cảm ơn đếncác thây, cô của khoa Điện — Điện Tử đã tạo điều kiện tốt dé em hoàn thành luậnvăn này Ngoài ra, em cũng xin gửi lời cảm ơn gia đình và tất cả bạn bè đã luôngiúp đỡ, động viên em trong suốt khóa học đến khi hoàn thành luận văn.

Cuối lời, em xin kính chúc sức khỏe và thành công đến quý thay cô, gia đìnhvà tat cả các bạn

Tuy nhiên, do còn hạn chế về kiến thức, kinh nghiệm thực tế, về tài liệu thamkhảo, thời gian thực hiện dé tài, nên không tránh khỏi những sai lầm, thiếu sót Kínhmong thay hướng dan, qui thay, cô cùng các bạn góp ý để luận văn này được hoànthiện hơn.

Xin chân thành cảm ơn!

TP H6 Chi Minh, ngày 24 tháng 6 năm 2012

Học viên thực hiện

Cao Minh Tuấn

TÓM TAT LUẬN VANLuận văn thực hiện nhiệm vụ tìm hiểu về các nguồn năng lượng tái tạo vàkhả năng được ứng dụng các nguồn năng lượng tái tạo trong tương lại Thêm vào đóluận văn còn tìm hiểu về sự tiến bộ của lưới điện truyền thống về mặt công nghệhay còn goi là lưới điện thông minh.

Luận văn còn xây dựng mô hình của hệ thống điện trong tương lai khi tíchhợp các nguon năng lượng tái tạo vào lưới điện

Từ mô hình tích hợp các nguôn năng lượng tái tạo vào lưới điện thông minhta xây dựng mang neural dé có thé ứng dụng điều khiển tích hợp nguồn năng lượngtai tạo vào lưới điện thông minh.

Mô phỏng kết quả huấn luyện mạng neural trong việc tích hợp các nguồnnăng lượng tai tạo vào lưới điện thông minh dựa vào phần mềm MatLab

MỤC LỤC

EU | ah 4ru 118 5Mục LUC 00 eee eee cc eeccceccceeecececccuccccececsuccaeceuscecacecuvececeeaeeeaeseuseecaeereeeuteerseaaecenteeaaeenes 6Mục lục hình ecccceccececaccuscececececceuececscecsececeuecereeececeseeeseeeeeseseenaees 10

Chương 1: Mở đâầu - + ¿+ s1 12311 5 EES11151 151111 5E11E111 111 110101121111 kh 16V1 Dat Vat an dd l61.2 Mục tiêu của để tài: 5: 2222 2121122121121121121121121 11011110110 ru 171.3 Nhiệm vụ của đỀ tài: - 2c nc n2 2112112112121121212111121011 re 171.4 Pham vi nghién COU: 2.14 171.5 Kết quả dự kiến dat QUOC? c.c.cccceccccccceccscseececececceeecececsveveseseeeeciesseveeseveveveeeeeeen 17

Chương 2: Giới thiệu về năng lượng tái tạO 5c s21 11511 15151 E1 tk 192.1 Lý thuyết về năng lượng tái {ạO S111 11111121 E1 E8 HH Hit 192.1.1 Khái niệm về năng lượng tái {ạO cc co 22c 2n S2 se 192.1.2 Nguồn gốc năng lượng tái {ạO - nàn 1112111121111 8E tri 192.1.3 Phân loại nguồn năng lượng tái tạO 5: 1t 1E E211 EErrekrrei 212.1.4 Vai trò và tam quan trọng của nang lượng tái tạo 5c sec se2 212.2 Năng lượng BØIÓ -c c2 c2 22 2221 22 2 0c nH TH nn TH n nen Tnhh he 232.2.1 Tổng quan về năng lượng 8iÓ .- c1 S31 1E2153E5E111 1811151115 EEEEtei 232.2.1.1 Khái niệm - L c1 2 21212011 11111111111 1111111211111 1kg khen 232.2.1.2 Lịch sử và sự hình thành ngu6n năng lượng gió 555-555: 232.2.1.3 Các đại lượng liên quan đến năng lượng gió eee eeeeeeee 242.2.2 Câu tạo và nguyên lý hoạt động của Tua bin gió - 5 2 sec eens 262.2.2.1 Cau tạo Tuabin gió 5 + tt Sv TS E3 11115212111 111101 11111121 Ha 272.2.2.2 Nguyên lý hoạt động của TuabIn Ø1ó cc c2 c2 302.2.2.3 Một số mô hình kết nối Tuabin gió với lưới điện -. eee 31

2.2.3 Các yếu tố quan tâm khi sử dụng năng lượng gió 5-5 cc+scz sex se2 322.2.3.1 Chi phí sản xuất điện năng phát ra từ năng lượng gió 322.2.3.2 Điều kiện giÓ - 1 1 S1S111 1 1211111111111 1111111111111 1111 ng 332.2.3.3 Ảnh hưởng đến con nBười : + k3 x TS 21111111 8111p 1tr 332.2.3.4 Độ nhấp nhô va sự dịch chuyỀn - c2 ESz SE S22 EEEEErkekskred 332.2.3.5 Sự chuyển động không điều của không khí 2: 5s se cszsxe2 332.2.4 Ưu điểm và nhược điểm của năng 8ió 5-5 SE S211 EEEEErkerskrei 332.2.4.1 Ưu điỂm 5-52 222212212212212212212112212112111112112112 re 332.2.4.2 Nhược điỀm -. -: c2 2 11221211211211211111211112121 02 Hee 342.3 Năng lượng mặt trỜI - c c2 222210022210 121 21121120 1111111111111 kk nhe 352.3.1 Tổng quan về năng lượng mặt trời + + x+SEEEEEEESEEEEEEEEEErkereksed 352.3.1.1 Khái niệm về năng lượng mặt trỜi - +2 ++c+‡+‡‡c‡sesssssss 352.3.1.2 Đặc điểm của năng lượng mặt trỜI .- - << <2 << c2 362.3.1.3 Một số công nghệ biến đồi năng lượng mặt trời + +s+scs¿ 362.3.1.4 Các ứng dung của năng lượng mặt trờỜi - - 372.3.2 Pin mặt trời (P V) -cc 7220111111111 12211151111 Hn kh TH nh ca 372.3.2.1 Khái niệm - L Q0 2202121 2111111192111 111111 2111111 K khen nhe 372.3.2.2 Cầu tạO 2.0L 2L 1 ,.110121101111121212221211121 re 382.3.2.3 Nguyên lý hoạt động CT1 1111111111111 11111111 ky sa 382.3.2.4 Một số mô hình hệ thông PIN mặt trỜI - ‹ -⁄ c2 <<: 392.3.3 Nha máy điện năng lượng mặt trời dưới dạng nhiệt (CSP) 4I12.3.3.1 Hệ thống tháp năng lượng mặt trời -. ¿- + 2 cv EEeEeEsxekskred 412.3.3.2 Hệ thống thu năng lượng mặt trời kiéu máng lõm eee 432.3.3.3 Hệ thống đĩa Parabol kết hợp với động cơ Stirling 43Chương 3: Giới thiệu về lưới điện thông minh : 2+ 2 SE E‡EEEEEzEEEeErezsree 453.1.Tổng quan về lưới điện truyền thống + k2 E x21 SE SE ket 453.1.1 Sơ lượt về lưới điện truyền thống -k 2s 1211121 EEEEEEkErren 453.1.2 Đặc điểm và chức năng của lưới điện truyền thong cece eee eee 483.1.3 Lợi ích và hạn chế của lưới điện truyền thống ¬————— 49

3.2 Tổng quan lưới điện thông minh (chú ý các khả năng ổn áp, nâng cao chấtlượng điện năng của lưới điện thông minh) - - 2 2+ 2+2 ‡‡‡‡++eexxeeesesss 493.2.1 Sơ lượt về lưới điện thông minh cee 2t SE SE 3212323 EEEEEEEEkEErkrkrkrees 493.2.2 Đặc điểm và chức năng của lưới điện thông minh eee eee 543.2.3 Những thuận loi của lưới điện thông minh (Chat lượng điện năng, kiểmsoát được phụ tai, giảm hiệu ứng nhà kính ) - 5-5 555552252 ++ss*s+sssss+ 573.2.4 Những van dé cần quan tâm khi thực hiện lưới điện thông minh 583.3 Tích hợp năng lượng tai tạo vào lưới điện thông mĩnh - - - : 633.3.1 Giới thiệu chung về việc tích hợp năng lượng tái tạo vào lưới điện thông

3.3.2 Kỹ thuật tích hợp năng lượng tái tạo vào lưới điện thông minh 643.3.3 Các vân đề cần quan tâm khi tích hợp nguồn năng lượng tái tạo vào lướiđiện thông minh C22 2111111111111 11111 1111111111111 11 111111 1 vi nen 70Chương 4: Giới thiệu về mạng neural - + SE Ek*EE9EEEEEEEE S21 E1 krkrr ren 774.1 Sơ lượt về Neural NetwWorK - ST TH n1 TnE ng TH TH k TH TH HT nhe nha 774.1.1 Khái niệm cơ bản ceecccecccueceecccececeeecececececaueeaucceveneeeuevereveeanens 774.1.1.1 Mô hình neural sinh hoc 2.0.00 cece cece eeeeceeccececueccececuceeeeecueeeeeseeaeees 774.1.1.2 Mang Neural nhân tạo cee 1 1111111111111 111v se 784.1.1.3 Neural (Phan tử xử lý, hàm tích hợp, hàm kích hoạt) 804.1.1.4 Phân loại mang Neural (Mang truyền thang, mang hồi quy) 824.1.1.5 Huan luyện mạng (mạng học) c2 22333213 xsxes 834.1.2 Quá trình hình thành, phát triển của mạng Neural 5 552cc xss2 844.2 Mạng truyền thăng nhiều lớp (MLPNN) và thuật toán lan truyền ngược (Back -0910191720017 ằẻằăăă.ằ.ằ 854.2.1 Mang truyền thang 1 lớp (Single — Layer Perceptron Networks) 854.2.2 Mang truyền thang nhiều lớp (MLPNN) c.cccccccescseseceseeeseseeeceeeeeeeeeeeees 864.2.3 Một số van dé cần chú ý khi sử dụng mạng MLPNN -cccss¿ 874.2.4 Giải thuật huan luyện mang lan truyền ngược (Back Propagation) 884.2.5 Các thông số của luật học lan truyền ngược ¿ sscxsscstsrexerski 91

4.3 Ứng dụng mạng Neural - + 2E EsS 5E SE 1155112111111 111 1 1t HH re 91Chương 5: Ung dụng mang neural dé điều khiển việc tích hợp năng lượng tái taovào lưới điện thông minh - - + - + + + cc + 22 2222222133333 11331 111151111115 11 1115111111111 1 1kg 935,1 Ý tưởng của bai toán - cv TT SE E1 1T HH HH Hưng 935.2 Xây dựng mô hình mạng neural dé điều khiến việc tích hop năng lượng tái tạovào lưới điện thông minh - - + - + + + cc + 22 2222222133333 11331 111151111115 11 1115111111111 1 1kg 935.2.1 Mô hình tích hợp ngu6n năng lượng mặt trời vào lưới điện thông minh 935.2.2 Mô hình tích hợp nguồn năng lượng gió vào lưới điện thông minh 1045.2.3 Mô hình tích hợp nguồn năng lượng gió va năng lượng mặt trời vào lướiđiện thông minh 2 22111 11111111111 11111111111 111 111111111111 1 vớ 1145.2.3.1 Mô hình tích hợp nguồn năng lượng gió và nang lượng mặt trời vàolưới điện thông minh không có hệ thống tích trữ năng lượng : 1145.2.3.2 Mô hình tích hợp nguồn năng lượng gió và nang lượng mặt trời vàolưới điện thông minh có hệ thống tích trữ năng lượng -:-¿ 2 sxccsx+s£zzee: 128Chương 6: Kết luận về dé tài và hướng phát triển tương lai - 7c s55: 1446.1 Kết luận VE để tài 5: 21 2 21122111211112112112112112111121121121 01101 ke 1446.2 Hướng phát triển của dé tải - 5S 1 1111 1111111115521 1115111511511111 11111 r 1446u anh a 1458/0070 00 s‹s=.ăăă.ă `Ô 146Lý lịch trích ngang - -ccc c2 2 2c 202210110210 112 2111 11118 1111 nh nhe 145

MỤC LỤC HÌNHHình 2.1: Hình dang khối khí - -k s+EE x21 *5EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEkEEsrerrke 24

Hình 2.2: Khối lượng không khí qua mặt cắt ngang hình tròn 25

Hình 2.3: Cau tạo Tuabin g1Ó - - - tCSE1 S211 2512111 115111111111E 8 ket rkg 27Hình 2.4: Hai dạng tháp của Tuab1m 8I1Ó c2 222332 28Hình 2.5: Hình ảnh TuabIn 81ó E21 111111111 1111111111111 sea 30Hình 2.6: Mô hình Tuabin gió với tốc độ cô định -s- cv xe2 31Hình 2.7: Mô hình Tuabin gió với tốc độ thay đỔi 5-5 sec 31Hình 2.8: Mô hình Tuabin gió kết nối với lưới điện eee eeeeeeee 32Hình 2.9: Mô phỏng bức xạ mặt trỜI CS 13111211111 ea ee eae 35Hình 2.10: Hình ảnh Pin mặt trời - ¿+ + SE 221822 E2 xe reg 38Hình 2.11: Sơ đồ khối hệ thống Pin năng lượng mặt trod eee 39Hình 2.12: Mô hình đơn giản của Pin mặt trời kết nối với lưới điện 40

Hình 2.13: Mô hình Pin mặt trời kết nối với lưới điện có bộ tích trữ năng0ò e:Ie20 07 ằa aa a 40

Hình 2.14: Tháp năng lượng tai Negev — Israel -cccccccc‡sss+ssssess2 4]Hình 2.15: Mô hình nhà máy nhiệt điện mặt trời kiểu tháp - 42

Hình 3.1: Tổng quan của lưới điện truyền thống .- 5-22 cscszssec: 45Hình 3.2: Mô hình lưới điện thông minh trong tương laI 50

Hình 3.3: Hình ảnh cấu trúc co bản của công tơ điện thông minh 60

Hình 3.4: Mô hình kết nói vào lưới điện của năng lượng mặt trời 64

Hình 3.5: Mô hình kết nói vào lưới điện của năng lượng gió - 64

Hình 3.6: Hình minh họa ứng dụng bộ biến đổi công suất khi tích hợp nguồnnăng lượng tái tạo vào lưới điện C22 22121112 1111111111111 11111111111 x1 66Hình 3.7: Mô hình của hệ thống tích trữ năng lượng băng việc bom nước thủylÀ) L9): gHI<RIIiIiíắỒắđađắắẳ 68

Hình 3.8: Mô hình của hệ thống tích trữ năng lượng bang khí nén 69

Hình 4.1: Mô hình neural sinh học eee cc - c E11 211111131 kỲ ky su 77Hình 4.2: Sơ đồ đơn giản của mạng noron nhân tạo - :-: - 79

Hình 4.3: Mang neural nhân tạo - 2222121211111 111111 reg 80Hình 4.4: Mang neural truyền thang một lớp va nhiều Lop cece 82Hình 4.5: Mang neural hôi tiếp don va nhiều lớp 5-5- cssscxcz£szz +2 83Hình 4.6: Mang neural truyền thắng 1 1Op oo cceccceecseseseeceseseseeeseeeseeees 86Hình 4.7: Mang neural truyền thắng nhiều lớp s22 xxx £srsrxxe2 86Hình 4.8: Mang truyền thang nhiều lớp với 1 tín hiệu ra - 2s: 88Hình 4.9: Mạng truyền thang nhiều lớp voip tín hiệu ra - eee 89Hình 5.1: So đồ đơn tuyến của mô hình tích hop hệ thống năng lượng mặt trờivào lưới điện thông minih - - - + + c2 2222222133333 133 3311115811115 11111511 1111111111 kg 93Hình 5.2: Cau trúc mang neural đối với mô hình tích hợp nguồn nang lượngmặt trời vào lưới điện thông minh - 2 2c 2 2222221211113 1 111111111 51115155 11111111 x£ 9Hình 5.3: Kết qua huấn luyện của mang neural về lý thuyết trong mô hình tíchhop năng lượng mặt trời vào lưới điện thông minh 555cc ‡‡‡‡‡‡+‡++++3 99Hình 5.4 : Kết quả huấn luyện của mạng neural sau khi huấn luyện trong môhình tích hợp năng lượng mặt trời vào lưới điện thông minh - - 100Hình 5.5 : Kết quả kiểm tra của mang neural sau khi huấn luyện trong mô hìnhtích hợp năng lượng mặt trời vào lưới điện thông minh - c5: 102Hình 5.6: Sơ đồ tổng quát của quá trình tích hợp nguồn năng lượng mặt trờivào lưới điện thông minh - - c 2 2c 2c 2222222111113 1 11313111511 111115 1111111111111 11 11k 105Hình 5.7: Sơ đỗ đơn tuyến của mô hình tích hợp hệ thống năng lượng gió vàolưới điện thông minh . - cc c2 c2 222222122221 32383 11111511111511 11151111 tk 104Hình 5.§: Cấu trúc mạng neural đối với mô hình tích hợp nguồn năng lượng210 vào lưới điện thông minh - + c2 2222122222 122251 211111111 111111 155511558282 11 106Hình 5.9: Kết quả huấn luyện của mang neural về lý thuyết trong mô hình tíchhop năng lượng gió vào lưới điện thông minh 25c < + x+s+2 109Hình 5.10 : Kết quả huan luyện của mang neural sau khi huấn luyện trong môhình tích hợp năng lượng gió vào lưới điện thông minh - c+ 5555: II0Hình 5.11 : Kết quả kiểm tra của mạng neural sau khi huấn luyện trong môhình tích hợp năng lượng gió vào lưới điện thông minh - c+ 5555: 112

Hình 5.12: Sơ đồ tổng quát quá trình tích hợp nguồn năng lượng gió vào lướiđiện thông minh ccc cece eee cece ase 111 1111111111111 1 1111111110 1 vớ 113Hình 5.13: Sơ đỗ đơn tuyến của mô hình tích hợp năng lượng mặt trời và nănglượng gió vào lưới điện thông minh - - - c + 2c c2 2223 3*23 333555 xse2 114Hình 5.14: Cấu trúc mạng neural đối với mô hình tích hợp nguồn năng lượngø1Ó và năng lượng mặt trời vào lưới điện thông minh . s5 <5: 117Hình 5.15: Kết quả huấn luyện của mang neural về lý thuyết trong mô hìnhtích hợp năng lượng g1ó và năng lượng mặt trời vào lưới điện thông mình 12]

Hình 5.16 : Kết qua huan luyện của mang neural sau khi huấn luyện trong môhình tích hợp năng lượng gid và năng lượng mặt trời vào lưới điện thông minh 123Hình 5.17 : Kết quả kiểm tra của mạng neural sau khi huấn luyện trong môhình tích hợp năng lượng gid và năng lượng mặt trời vào lưới điện thông minh 126Hình 5.18 : Sơ đồ tổng quát quá trình tích hợp nguôn năng lượng gió và nănglượng mặt trời vào lưới điện thông minh - - 2 222 ‡22£++£+++xekeessesesss 127Hình 5.19 : Sơ đỗ đơn tuyến của mô hình tích hợp hệ thống năng lượng mặttrời và năng lượng gió vào lưới điện thông minh có hệ thống tích trữ năng lượng.128Hình 5.20: Cấu trúc mạng neural đối với mô hình tích hợp nguồn năng lượnggió và năng lượng mặt trời vào lưới điện thông minh có hệ thống tích trữ năng

Hình 5.21: Kết quả huấn luyện của mạng neural về lý thuyết trong mô hìnhtích hợp năng lượng gió và năng lượng mặt trời vào lưới điện thông minh cósim 137Hình 5.22 : Kết qua huan luyện của mang neural sau khi huấn luyện trong môhình tích hop năng lượng gió và năng lượng mặt trời vào lưới điện thông minh cósim 159Hình 5.23 : Kết quả kiểm tra của mạng neural sau khi huấn luyện trong môhình tích hop năng lượng gió và năng lượng mặt trời vào lưới điện thông minh có

Hình 5.24 : Sơ đồ tổng quát quá trình tích hợp nguôn năng lượng gió và nănglượng mặt trời vào lưới điện thông minh có HT TTNL - 143

MỤC LUC BANGBang 2.1: Gia tri cua hé số ma sát mặt đất + + s1 S11 E1 an 26Bảng 3.1: So sánh sự khác nhau giữa lưới điện truyền thống và thông minh53Bang 3.2: Giới hạn điện áp ứng với thời gian giải phóng cho phép 73Bang 3.3: Giới hạn tan số cho phép va thời gian đáp ứng tương ứng với tanBảng 5.1: Trạng thái hoạt động của 03 thiết bị chuyển mạch trong mô hìnhtích hợp năng lượng mặt trời vào lưới điện thông minh 555 c5 5 ‡‡+++ 2 95

Bảng 5.2: Kết quả của 03 thiết bị chuyển mạch đâu ra của mạng neural trongmô hình tích hợp năng lượng mặt trời vào lưới điện thông minh 97

Bảng 5.3: Thông số của hệ thống điện trong mô hình tích hợp năng lượngmặt trời vào lưới điện thông minh ccc 2 2122211111111 11111 1111111111111 11 11x55 98

Bảng 5.4 : Thông số của hệ thống điện dùng để kiểm tra mang neural sau khihuấn luyện trong mô hình tích hợp năng lượng mặt trời vào lưới điện thông minh.101

Bảng 5.5: Trạng thái hoạt động của 03 thiết bị chuyển mạch trong mô hìnhtích hợp năng lượng gió vào lưới điện thông minh cc 5c + + ‡+‡++++2 106

Bảng 5.6: Kết quả của 03 thiết bị chuyển mạch đâu ra của mạng neural trongmô hình tích hop năng lượng gió vào lưới điện thông minh - - - 107

Bảng 5.7: Thông số của hệ thống điện trong mô hình tích hợp năng lượng gióvào lưới điện thông minh - - c 2 2c 2c 2222222111113 1 11313111511 111115 1111111111111 11 11k 105

Bảng 5.8: Thông số của hệ thống điện dùng để kiểm tra mạng neural sau khihuấn luyện trong mô hình tích hợp năng lượng gió vào lưới điện thông minh 111Bảng 5.9: Trạng thái hoạt động của 03 thiết bị chuyển mạch trong mô hìnhtích hợp năng lượng gió và năng lượng mặt trời vào lưới điện thông minh 116

Bang 5.10: Kết qua của 05 thiết bị chuyển mach dau ra của mang neuraltrong mô hình tích hợp năng lượng gid và nang lượng mặt trời vào lưới điện thông¡0 — 118

Bảng 5.11: Thông số của hệ thống điện trong mô hình tích hợp năng lượnggió và năng lượng mặt trời vào lưới điện thông minh không có hệ thống tích trữ1501010672077 ẽ 119

Bảng 5.12: Thông số của hệ thống điện dùng dé kiểm tra mang neural saukhi huấn luyện trong mô hình tích hợp năng lượng gió và năng lượng mặt trời vàolưới điện thông minh . - cc c2 c2 222222122221 32383 11111511111511 11151111 tk 124Bảng 5.13: Trạng thái hoạt động của 06 thiết bị chuyển mạch trong mô hìnhtích hop năng lượng gió và năng lượng mặt trời vào lưới điện thông minh có hệthống tích trữ năng lượng . - ¿+ tt SE 11111111111 1E1E1 1111111111111 Egrrri 131

Bang 5.14: Kết quả của 06 thiết bị chuyển mach dau ra của mang neuraltrong mô hình tích hợp năng lượng gid và nang lượng mặt trời vào lưới điện thôngminh có hệ thống tích trữ năng lượng . - + S2 E31 SE SE EEEEEEEErkserrrrrd 134

Bảng 5.15: Thông số của hệ thống điện trong mô hình tích hop năng lượng210 và năng lượng mặt trời vào lưới điện thông minh có HTƯTNL 135Bảng 5.16: Thông số của hệ thống điện dùng dé kiểm tra mang neural saukhi huấn luyện trong mô hình tích hợp năng lượng gió và năng lượng mặt trời vàolưới điện thông minh có HÏI”IIENL -c các + +22 2223332333555 Esk2 140

Chương 1

1.1 Đặt Vấn Đề:Ngày nay có thể nói điện năng đóng vai trò thiết yếu cho sự tôn tại và pháttriển của xã hội Năng lượng điện được xem là huyết mạch của nền kinh tế, mộtquốc gia không thể phát triển bền vững nếu thiếu hụt năng lượng điện Hiện nayphan lớn năng lượng điện được sản xuất từ năng lượng hóa thạch (than đá, dầu mỏ,khí đốt ) là nguồn năng lượng không thé tái tạo Trước tinh trạng nguồn nănglượng này đang dan cạn kiệt trong vai thập niên nữa với tốc độ sử dụng như hiệnnay, không những thế việc sử dụng nguồn năng lượng này đã và đang gây ra nhiềuvan dé về 6 nhiễm nghiêm trọng cho môi trường ảnh hưởng đến điều kiện sống, nhưviệc thải ra các khí thải gây hiệu ứng nhà kính, trái đất nóng dân lên, nước biểndang cao, khói bụi, và hiện tượng mưa axit nhiều nơi trên thế giới VÌ vậy VIỆCnghiên cứu ứng dụng và tìm nguồn năng lượng thay thế cho nguồn năng lượng hóathạch đang dần cạn kiệt cảng trở nên cấp thiết cho mỗi quốc gia, nguồn năng lượngchúng ta dang nói đến là nguồn năng lượng tái tạo như gió, mặt trời, thủy triều

Bên cạnh đó cùng với sự phát triển không ngừng của xã hội thì yêu cầu cungcấp va sử dụng năng lượng điện một cách có hiệu quả, tin cậy luôn là van dé bứcthiết của mọi quốc gia Vì thế việc xây dựng lưới điện thông minh (smart grid) đểphù hợp với nhu câu xã hội hiện đại ngày nay chính là một trong những triển vọngmới cho sự phát triển của ngành năng lượng Lưới điện thông minh được xem nhưhệ thống chủ chốt cho cả các quốc gia phát triển cũng như các quốc gia đang pháttriển trong việc giảm lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính, bằng cách cải thiện sựôn định, sự an toàn, nâng cao độ tinh cậy và tính hiệu quả của các hệ thống điện

Có nhiều phương pháp dé điều khiển việc kết hợp nguồn năng lượng tái tạovào lưới điện thông minh như: Fuzzy Logic (logic mờ), Neural Network (mangneural), Genetic Algorithms (giải thuật di truyền) Trong đó mang neural là công cụ

mạnh để giải quyết các bài toán phi tuyến, phức tạp và đặc biệt trong các trườnghợp mà mối quan hệ giữa các quá trình không dễ thiết lập một cách tường minh.

Xuất phát từ các lý do trên em chọn đề tài “ Ứng dụng thuật toán NeuralNetwork trong việc tích hợp năng lượng tái tạo vào lưới điện thông minh” làmđối tượng nghiên cứu cho luận văn này

1.2 Mục tiêu của đề tài:Nghiên cứu việc kết hợp năng lượng tái tạo vào lưới điện thông minh dé thayrõ lợi ích to lớn mà nó đem lại đối với toàn xã hội về các vấn đề cấp thiết đang đượcquan tâm hiện nay Thêm vào đó, trong luận văn này còn nghiên cứu việc ứng dụngmạng neural trong việc tích hợp năng lượng tái tạo vào lưới điện thông minh.

1.3 Nhiệm vụ của đề tài:- Tìm hiểu về năng lượng tái tạo và lưới điện thông minh.- Tìm hiéu về Neural Network

- Xây dựng giải thuật điều khiến việc tích hợp năng lượng tái tạo vao lướiđiện thông minh dựa trên Neural Network.

- Mô phỏng giải thuật trên phần mềm Matlab.1.4 Phạm vi nghiên cứu:

Trong luận văn này tập trung nghiên cứu, xây dựng mạng neural để điềukhiến việc tích hop năng lượng gió, năng lượng mặt trời vào lưới điện thông minh.1.5 Kết quả dự kiến đạt được:

Xây dựng được mô hình về hệ thống điện trong tương lai và những hiệu quảmang lại từ việc tích hợp nguồn năng lượng tái tạo vào lưới điện thông minh

Thiết lập được cấu trúc mạng neural trong việc tích hợp các nguồn nănglượng tái tạo vào lưới điện thông minh và mô phỏng kết quả huấn luyện mạngneural trên phần mềm MatLab

1.6 Nội dung luận văn

1 Chương 1: Mở dau.2 Chương 2: Giới thiệu về năng lượng tái tạo.3 Chương 3: Giới thiệu về lưới điện thông minh

4 Chương 4: Giới thiệu về mạng neural.5 Chương 5: Ứng dụng mạng neural trong việc tích hợp nguồn năng lượngtai tạo vào lưới điện thông minh.

6 Chương 6: Kết luận và hướng phát triển của dé tai.7 Tài liệu tham khảo

2.1.2 Nguồn gốc năng lượng tái tạoHau hết các nguôn năng lượng tái tạo đều có nguồn gốc từ mặt trời va đượcbiến đồi thành các dạng năng lượng hay các vật mang năng lượng khác nhau Tùytheo trường hợp mà năng lượng này được sử dụng trực tiếp hay gián tiếp

Quá trình bức xạ mặt trời đến bề mặt trái dat được phan bố như sau:Giả sử răng nếu nguồn bức xa từ mặt trời là 100% thì 30% bị phản hồi vàokhông gian trước khi đến trái đất, 19% khí quyền sẽ hấp thụ, 47% sẽ được trái đấthap thụ còn lại 4% sẽ phản hôi lại không gian khi bức xạ đến trái dat

+ Năng lượng tái tạo có nguồn gốc từ năng lượng mặt trời được sử dụngtrực tiếp:

Bức xạ mặt trời được chuyên thành năng lượng có ích được sử dụng trực tiếpbăng nhiều công nghệ khác nhau Với nhiều công nghệ tiên tiến hiện nay thì nănglượng mặt trời được sử dụng rât đa dang như chuyền bức xạ mặt trời thành nhiệtdùng dé phát điện, cung cấp nước nóng, sưởi 4m Ngoai ra có một ứng dụng quantrọng khác là bức xạ mặt trời có thé được biến đổi trực tiếp thành điện năng thôngqua việc sử dụng các Modun Pin mặt trời hay còn gọi là PV.

+ Năng lượng tái tạo có nguồn gốc từ năng lượng mặt trời được sử dụnggián tiếp:

Bức xạ mặt trời được sử dụng gián tiếp thông qua các dạng năng lượng khácnhau như: Thủy điện, năng lượng gió, năng lượng sóng biển, năng lượng sinh khối

Thủy điện: Là nguồn điện có được từ năng lượng nước và năng lượng nướcbắt nguon từ năng lượng mặt trời Vì bức xa mặt trời chiếu đến trái đất và được hấpthụ bởi biển, dẫn đến nước biển ấm lên và cung cấp hơi nước vao khí quyền, hơinước ngưng tụ tạo thành mưa cung cấp nước cho các dòng sông

Năng lượng gió: Là một trong những nguôn năng lượng gián tiếp từ nguồnnăng lượng mặt trời Vì bức xạ mặt trời xuống bề mặt trái đất không đều làm chobau khí quyền, nước, không khí nóng không đều dẫn đên sự chênh lệch về nhiệt độvà áp suất, thêm vào đó trái đất quay tròn với những yếu tố đó gió được sinh ra

Năng lượng sóng biến: Gió thổi liên tục trên biển tao ra sóng, có nhiềuphương pháp dé khai thác tiềm năng của dang năng lượng này

Năng lượng sinh khối: Hay còn gọi là nguồn năng lượng vi sinh, nănglượng sinh khối là dạng gián tiếp của năng lượng mặt trời vì năng lượng mặt trờiđược tích lũy trong thực vật thông qua quá trình quang hợp.

+ Năng lượng tai tao không mặt trời:Nguồn năng lượng tái tạo không mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo khôngphụ thuộc vào bức xạ mặt trời, gồm có năng lượng thủy triều, địa nhiệt

Năng lượng thủy triều: Là các sóng nước được tạo ra bởi các lực từ mặttrăng, mặt trời và các hành tinh khác lên các chất điểm nước trên đại dương Nanglượng thủy triều có thể được khai thác băng việc xây dựng các đập thấp để giữ nướclại khi thủy triều lên, sau đó cho nước chảy qua các Tuabin để phát điện

Năng lượng địa nhiệt: Là một dạng năng lượng được tích tụ dưới hình thứcnhiệt lượng năm ngay dưới lớp dat của vỏ trái đất Nhiệt độ cao bên trong được xuấtphát từ sự co bóp của hành tinh như là nó đã được hình thành, thêm vào đó sự phânrã của những chất phóng xạ bên trong nhân trái dat cũng góp phan làm tăng nhiệt độ

Ở độ sâu từ 5Km đên 10Km có rât nhiêu nguôn nước nóng ngâm (có những nguôn

có nhiệt độ lên đến 6000°C) ta có thé dùng nguồn năng lượng này để biển đổi thànhnăng lượng điện, sưởi ấm, dùng trong nông nghiệp.

2.1.3 Phân loại nguồn năng lượng tái tạoNguồn năng lượng tái tạo có thể được phân loại thành một sỐ dang như sau:Nguồn gốc bức xạ từ mặt trời: Năng lượng gid, mặt trời, sóng biển, thủy điện,sinh khối

Nguồn gốc từ nhiệt năng của trái đất: Năng lượng địa nhiệt.Nguồn gốc từ hệ động năng trai dat — Mặt trăng: Năng lượng thủy triều.Các nguồn năng lượng tái tạo nhỏ khác: Được ứng dụng trong một số vậtdụng.

2.1.4 Vai trò và tam quan trong của năng lượng tái tạo.+ Vai trò của năng lượng tái tao

Năng lượng tái tạo cung cấp một tỷ lệ đáng kế nhu cầu năng lượng của nhânloại, tạo ra nhiều lợi ích cho các quốc gia bao gom lợi ích về mặt môi trường, lợi íchvề kinh tế xã hội và an ninh quốc gia

Y Về môi trường:Năng lượng tái tạo thân thiện với môi trường rất nhiều so với nguồn nănglượng hóa thạch hiện nay, sử dụng nguôn năng lượng này không sinh ra khí Carbon,giảm ô nhiễm môi trường và hạn chế các khí thải gây hiệu ứng nhà kính từ việc sửdụng nguồn năng lượng truyền thống

Việc sử dụng năng lượng tái tạo sẽ mang lại nhiều lợi ích về mặt sinh thái,bên cạnh đó còn giúp cho việc cải thiện khí hậu, chống hiệu ứng nhà kính làm trảiđất nóng lên

VY Về kinh tế xã hội:Giảm sự phụ thuộc và đầu tư vào nhập khẩu nhiên liệu.Sử dụng nguôn năng lượng tái tạo giúp cho sự phát triển về kinh tế xã hộingày càng bền vững, đem lại nhiều công ăn việc làm Thị trường năng lượng tái tạophát triển không ngừng đã mang lại hàng triệu công ăn việc làm và con số này đangø1a tăng một cách nhanh chóng.

Tăng cường sự linh hoạt của hệ thông năng lượng khi nhu cau năng lượngthay đổi.

Y Về an ninh quốc giaNăng lượng tái tạo có ý nghĩa rất quan trọng về an ninh quốc gia vì đối vớimột quốc gia thì việc không phụ thuộc vào nguồn năng lượng truyền thống có ýnghĩa rat to lớn Một khi đã đây mạnh việc sử dụng năng lượng tái tạo thì mức độ anninh quốc phòng được đảm bảo thêm vì không còn phụ thuộc vảo nguồn nănglượng từ các quốc gia khác

Trong tương lai, đây là nguồn năng lượng không bao giờ bị cạn kiệt vì vậysẽ không có những cuộc khủng hoảng năng lượng xảy ra trên thế giới vào nhữngthập niên 70.

Việc sử dụng nguồn năng lượng tái tạo giúp giảm mức sản xuất chất thảiphóng xạ và sự lan rộng của vũ khí nguyên tử.

+ Tầm quan trọng của nguén năng lượng tái tạoNguồn năng lượng mà chúng ta đang sử dụng ngày nay chủ yếu là nănglượng hóa thạch như: Than đá, dầu mỏ, các sản phẩm từ dâu mỏ, khí thiên nhiên Các nguôn năng lượng này là hữu hạn, chúng chỉ có thể đảm bảo nhu cầu về nănglượng cho nhân loại trong một thời gian nhất định Do đó, nhân loại đang lo ngại vềsự xuất hiện một cuộc khủng hoảng năng lượng như những năm 70 làm thay đôinên văn minh của nhân loại

Dưới sự gia tang dân số như hiện nay và nhu cau của con người ngày cảngđược nâng cao thì việc sử dụng năng lượng ngày càng đóng vai tro quan trọng Mặtkhác, việc sử dụng nguôn năng lượng hóa thạch dé lại nhiều hậu quả về mặt môitrường, gây ra hiệu ứng nhà kính, góp phan làm gia tăng nhiệt độ trái đất Vớinhững nguyên nhân trên thì việc nghiên cứu, khai thác va sử dụng nguồn nănglượng tái tạo có một vai trò rất quan trọng cho nhân loại của chúng ta

2.2 Năng lượng gid2.2.1 Tong quan về năng lượng gió

2.2.1.1 Khái niệm

Ngoài ánh sáng mặt trời, gid cũng là một năng lượng thiên nhiên mà loàingười đang hướng đến cho nhu cầu năng lượng trên thế giới trong tương lai Hiệnnay năng lượng gió đã mang đến nhiều hứa hẹn

Năng lượng gió là hình thức gián tiếp của năng lượng mặt trời, vì gió đượchình thành từ sự hâm nóng bau khí quyền quanh mặt trời, do sự chuyển vận của tráiđất và sự không đồng đều trên mặt dat Ba yếu tố trên là ba nguyên nhân chính taothành gió Hay nói cách khác năng lượng gió là động năng của không khí di chuyểntrong bau khí quyền trái dat

2.2.1.2 Lịch sử và sự hình thành nguồn năng lượng gióNăng lượng gió đã được sử dụng ít nhất cách đây 3000 năm, loài người đãbiết vận dụng gió để làm lực đây các tàu trên sông Nile ở Ai Cập Vào khoảng 200năm trước công nguyên, người Trung Hoa đã biết dùng cánh quạt gió để đưa nướcvào điền Trong lúc đó người Ba tư và các dân tộc dùng quạt gió có trục đứng đểxoay lúa mì và các loại hạt.

Vào thé ky XX, năng lượng gió đã trai qua nhiều giai đoạn thăng trầm tùythuộc vao tình hình thế giới cũng như nguồn nhiên liệu cung cấp như dau hỏa, thanđá Ngay sau khi thế chiến thứ II kết thúc, giá dầu hỏa giảm mạnh điều này dẫn đếnnăng lượng gió dường như bị ngưng trệ hoàn toàn Nhưng vào thập niên 70 vớicuộc khủng hoảng dâu hỏa diễn ra thì sự xuất hiện trở lại của nguồn năng lượng giólà nổi bậc nhất Thời gian này, việc nghiên cứu và phát triển dùng năng lượng giódé sản xuất điện năng rat được quan tâm Với phương pháp này có thé cung cấpnguon năng lượng điện tin cậy va thiết thực hơn khi sử dụng các kỹ thuật nănglượng khác.

Bức xạ của mặt trời bức xạ xuống bé mặt trái đất làm hâm nóng bầu khí quyền,nước và không khí không đồng đều Bên cạnh đó, một nửa bề mặt của trái đất bị chekhuât không nhận được sự bức xạ từ mặt trời, hơn nữa sự bức xạ của mặt trời ở các

vùng gân xích đạo sẽ nhiều hơn, điều đó dẫn đến sự chênh lệch về nhiệt độ và ápsuất Ngoài ra, không khí của các vùng xích đạo khác với những vùng ở hai cực, vàkhông khí giữa ban ngày và ban đêm cũng khác nhau Thêm vào đó, yếu tố trái đấtquay tròn cũng góp phan làm xoáy không khí Với những yếu tổ trên đã hình thànhnguôn năng lượng gió.

2.2.1.3 Các đại lượng liên quan đến năng lượng gió+ Công suất gió

a ⁄ /

⁄ J

sf £# ⁄

⁄ ⁄sả ⁄ a

⁄ đ“ A á

4 ⁄/ Ả f ⁄

%9z

Hình 2.1: Hình dạng khối khí

Giả sử khối khí có hình dạng như hình 2.1Năng lượng của khối khí có trọng lượng m, thôi với vận tốc v (m/s) theochiều x (m) là

|

E=—mvy’ (J).5 mv’ (J)Với m là khối lượng không khí qua mặt cắt ngang hình tròn có diện tích là A(m') va bán kính r (m):

Hình 2.2: Khối lượng không khí qua mặt cắt ngang hình tròn

Mặt phang hình tròn có diện tích là A và bán kính r

m= ÐV =p.A.x>E= 2(0.43)9° = sar pay (J)

Với V là thé tích khối lượng khối khí.Với khối khí có dạng như hình 2.1, ta thây răng năng lượng của khối khí sẽtăng theo x khi khối khí di chuyển theo hướng x và di chuyển với vận tốc v > côngsuất gió P là đạo hàm của năng lượng của khối khí theo thời gian:

K =3,2 hệ số cơ ban của Tuabin.A, diện tích quét của cánh Tuabin (m').T số Tuabin

+ Độ caoKhi di chuyển lên cao so với mặt đất thì vận tốc gió cũng tăng theo độ cao vàđiêu này được tính toán với biêu thức sau:

Với vị vận tôc gió do được ở độ cao hyvạ van tôc gid đo được ở độ cao hạa là hệ sô ma sát mặt dat Hệ sô này có giá trị thap tại những vùng băng phăngvà ngược lại có giá trị cao tại những nơi không băng phang Giá tri œ được cho theobảng như sau:

Loại địa hình aAo, hô, đại dương và những vùng dat cứng băng phang 0,1Cánh đồng cỏ, vùng dat gô ghê 0,15Cây trông cao, hàng rào, bụi cây 0,2Thị tran nhỏ với một vai cây to và bụi cây 0,3Thành phô và những tòa nhà cao tâng 0,4Bang 2.1: Gia tri cua hé s6 ma sat mat dat

2.2.2 Cau tạo và nguyên lý hoạt động của Tua bin gióTuabin gió là một hệ thống có tác dụng chuyển đổi động năng của gió thànhnăng lượng cơ hay năng lượng điện Tuabin gió được giới thiệu vào thời kỳ đầu củathế ky XX, kỹ thuật năng lượng gió được cải tiến từng bước đến thập niên 70 vacuối thập niên 90 năng lượng gió đã quay trở lại như một trong những nguồn nănglượng quan trọng Đến giai đoạn hiện nay, năng lượng gió ngày càng được ứngdụng rộng rãi và ngày càng hoàn thiện về kỹ thuật như là phát triển về kích cỡ vàcông suất, cụ thể vào năm 1985 công suất là 50kW với chiều dài cánh quạt là 15m,đến năm 1989 công suất là 300 kW với chiều dài cánh quạt là 30m, đến năm 2004công suất là 4500kW — 5000kW với chiều dài cánh quạt là 112m — 128m

2.2.2.1 Câu tạo Tuabin gió

Cánh quạt được làm từ Fibre thủy tinh hay Fibre được gia cố thêm Polyesterhoặc Epoxy, bên cạnh đó Fibre Cacbon là vật liêu rat tốt việc chế tạo cánh quạtnhưng giá thành qua cao.

Tuabin gió thường có một, hai hoặc ba cánh quạt, trong những năm gan đâythường sử dụng nhất là loại ba cánh quạt

+ Tháp (Tower).

| |

—

Tháp Dạng Tam Giác Tháp Dạng Trụ

Hình 2.4: Hai dạng tháp của Tuabin gió

Tháp là trụ chính để đỡ toàn bộ hệ thống của Tuabin gió Tháp có 2 dạng:Dạng tháp hình trụ và dạng tháp tam giác.

Dạng tháp hình trụ: Được làm bằng thép và được đúc dưới dạng hình ốngthon từ gốc đến ngọn, tháp được dùng thích hợp cho những vùng có thời tiết xấu,thông thường tháp được chế tạo có kích thướt từ 20 m đến 30 m

Dạng tháp hình tam giác: Được làm bằng nhiều đoạn thép nghiêng liên kếtlại với nhau, loại tháp này có giá thành tương đối rẽ nhưng không có tính thâm mỹcao vi thế những năm gan đây rat ít sử dụng

+ Hệ thống hãm (Brake)Công suất gió tỉ lệ tuyến tính bậc ba với vận tốc gió, vì vậy công suất gió sẽthay đổi rất lớn khi vận tốc gió thay đồi, khi công suất gió lớn sẽ ảnh hưởng đến độbên cơ, hư hỏng đến Tuabin gió Bên cạnh đó việc dừng han tat cả các thành phancủa Tuabin gió trong quá trình công nhân duy tu, sửa chữa là rất cần thiết Vớinhững nguyên nhân đó thì trong Tuabin gió phải được thiết kế bộ hãm phanh.

Có hai loại hệ thống hãm: Ham động lực và ham cơHam động lực: Ham động lực hoạt động bang cách nhận năng lượng từ cánhquạt hay từ sự thay đổi hướng của cánh quạt dé làm giảm độ lớn của lực tac độnglên cánh quạt.

Hãm cơ: Hãm cơ được đặt trên trục truyền động chính, tác dụng của nó làhạn chế tốc độ quay của roto va có thé làm roto dừng han Vị trí thích hợp cho việcđặt bộ ham cơ là ở giữa roto và hộp sé Tuy nhién moment 6 truc tốc độ thấp rat lớnnên nhà chế tạo đặt bộ hãm cơ ở trục tốc độ cao giữa hộp số và máy phát

+ Bộ điều khiến (Controller): Là một hệ thống máy tính có thé giám sát vàđiều khiến hoạt động của Tuabin Chăng hạn, như khi gió thay đổi hướng thì bộđiều khiến này sẽ điều chỉnh để xoay cánh quạt luôn luôn vuông góc với hướng,hoặc thay đổi góc Pitch dé thu năng lượng tối ưu nhất Khi có gió bão, sự có hệthống thì bộ điều khiến sẽ cho dừng toàn bộ hệ thống để đảm bảo an toản

+ Hộp số (Gear Box): Là bộ bánh răng, hộp số được liên kết giữa trục tốcđộ thập với trục tốc độ cao Hộp số được dùng dé chuyén đổi vận tốc quay từ trụctốc độ thấp sang trục tốc độ cao Hộp số nay có giá thành rat cao và nó chính là mộtphan của động cơ và Tuabin gió

+ Máy phát điện (Generator): Là thiết bị được kết nối vào trục tốc độ cao.Là bộ phận chính dé chuyển đổi năng lượng cơ thành năng lượng điện

Máy phát sử dụng trong Tuabin gió thường là: Máy điện một chiều, máy điệnđông bộ, máy điện không đồng bộ Nhưng hiện nay máy phát đồng bộ và máy phátkhông đồng bộ được sử dụng nhiều

+ Trục truyền động ở tốc độ thấp (Low Speed shaft): Là trục quay ở tốcđộ thấp.

+ Trục truyền động ở tốc độ cao (High Speed shaft): Là trục truyền độngcủa máy phát ở tốc độ cao

+ Máy đo tốc độ gió (Anemometer): Thiết bị này dùng để đo lường tốc độgió và truyền đữ liệu đo tốc độ gió đến bộ điều khiến

+ Máy đo hướng gió (Wind Vane): Là thiết bị dùng dé xác định hướng gió

và liên lạc với Yan drive để định hướng Tuabin

+ Hệ thống điều chỉnh hướng gió (Yaw drive): Đây là thiết bị có nhiệm vụxoay cánh quạt luôn hướng vuông góc với hướng gio.

+ Động cơ điều chỉnh hướng gió (Yaw motor): Thiết bị này có nhiệm vụđiều chỉnh Tuabin đúng với hướng gió khi thay đồi

+ Vỏ Tuabin (Nacelle): Vỏ Tuabin dùng để chứa toàn bộ hệ thống củaTuabin ngoại trừ cánh Tuabin Vỏ Tuabm thông thường được làm từ thép và đượcthiết kế lớn dé công nhân có thé đứng làm việc bên trong

2.2.2.2 Nguyên lý hoạt động của Tuabin gió

Hình 2.5: Hình ảnh Tuabin gió

Quá trình chuyển tải nguồn năng lượng gió thành điện cần phải qua nhiềugiai đoạn: Tuabin gió biến động năng của gió thành cơ năng, chính cơ năng nàyđược chuyển thành điện năng thông qua máy phát Hay nói cách khác các Tuabin

gió hoạt động theo nguyên lý rất đơn giản, năng lượng gió làm cho các cánh quạtquay quanh roto và roto được nối với trục chính, trục chính này sẽ truyền động làmquay trục quay của máy phat dé tạo ra điện.

2.2.2.3 Một số mô hình kết nối Tuabin gió với lưới điệnNăng lượng gió thì không liên tục nên việc sản xuất năng lượng điện từ giócũng không liên tục, để tăng độ tin cậy cho lưới điện thì Tuabin gió thường được sửdụng kết hợp với các nguồn năng lượng khác

Gear box +

——*> CapacitorsHình 2.6: Mô hình Tuabin gió với tốc độ cô định

Speed IncreaserPower Transmission Shaft

Generator

Hub

Brake Device LoadRotor Shaft Yaw Driving Device

Indirect Grid Connection Method

- AOUD | DƠAC i Transformer Ƒ-—|F totection System ae

Converter Inverter for Grd Connection

Nacelle E

" :

a °

T |_| Protection Systemower Transformer FÌ for Gnd Connechon ¬

Direct Grid Connection Method

Chi phi được ước tinh băng công thức sau:

E là lượng điện sản xuất hàng năm của trang trại gió.M là chi phí vận hành và bao tri hàng năm của trang trại g10.2.2.3.2 Điều kiện gió

Van dé cần được quan tâm nhất là việc quyết định chọn địa điểm thích hợpcho việc lắp đặt thiệt bị phát điện sử dụng nguon năng lượng gi0 Để tìm được diađiểm thích hợp thì cần quan tâm đến điều kiện gió hay nói cách khác là vận tốc gió.Vận tốc gió bị chi phối bởi nhiều thông số khác nhau như: Độ nhấp nhô của bề mặtđất, sự chuyển động không đều của dòng không khí

2.2.3.3 Ảnh hưởng đến con ngườiCó 3 yếu tố cơ bản có thé ảnh hưởng đến con người khi sử dụng nguồn nănglượng gió, đó là tầm nhìn, tiếng ồn, hiệu ứng bóng ram Các yếu tố trên rất đượcquan tâm khi chọn địa điểm xây dựng các trang trại sản xuất điện từ năng lượng gióđể tránh ảnh hưởng đến đời sống sinh hoạt của người dân

2.2.3.4 Độ nhấp nhô và sự dịch chuyểnĐộ nhấp nhô của bé mặt đất càng lớn thì gió sẽ bị cản trở càng mạnh Điềunày được minh chứng rất rõ nét trong những khu vực có công trình xây dựng lớn.Ngược lại, với những vùng có bề mặt dat bang phang thì gió không bị cản trở nhiễu

Vận tốc của gió sẽ giảm nhiều theo độ cao hay nói cách khác càng gần mặtdat thì vận tốc gió càng giảm điều nay còn gọi là sự dịch chuyền của gió

2.2.3.5 Sự chuyển động không điều của không khíViệc chuyển động không đều của không khí được tạo ra bởi các rào chăn,các rào chăn này làm giảm vận tốc của gió và làm cho không khí chuyển động hỗnloạn.

2.2.4 Ưu điểm và nhược điểm của năng gió2.2.4.1 Ưu điểm

Nguồn năng lượng gió đã đem lại rất nhiều ưu điểm, và đó là lý do tại saokhiến cho năng lượng gió phát triển nhanh trên thế giới trong những thập niên gầnđây.

Năng lượng gió là nguồn năng lượng sạch vì nhiên liệu được dùng là gió

Nguồn năng lượng này không gây ô nhiễm không khí như các nhà máy sảnxuất điện từ nguồn năng lượng truyền thống.

Nguồn năng lượng gió là nguôn năng lượng vô tận.Các cánh đồng Tuabin gió có thé xây dựng trên các nông trại đây là điềukiện rất thuận lợi cho các vùng nông thôn Các chủ trang trại và nông dân vẫn có thểtiếp tục canh tác trên dat của họ vi Tuabin gió chỉ chiếm một phan nhỏ dat canh tác

2.2.4.2 Nhược điểmBên cạnh những thuận lợi thì nguồn năng lượng gió cũng có những nhượcđiểm

Nguồn năng lượng gid không 6n định tùy thuộc vào điều kiện thiên nhiên Gióđược hình thành từ thiên nhiên vi thé con người không thé kiểm soát được nguồnnăng lượng gió, nguồn năng gió không thé tích trữ được

Hiện nay có nhiều ứng dụng kỹ thuật công nghệ cao được áp dụng cho nguồnnăng lượng gió, nhưng giá thành đầu tư cho nguồn năng lượng này vẫn còn cao hơnso với các nguôn năng lượng truyén thống

Không có nguồn năng lượng nao mà không ảnh hưởng đến môi trường vì thénguôn năng lượng gió vẫn không thé thoát khỏi quy luật đó Các Tuabin gió gây ratiếng ôn, làm đảo lộn hệ sinh thái của các loài chim hoang đã và làm nhiễu trong quatrình phát tuyến trong truyền hình và truyền thông

2.3 Năng lượng mặt trời2.3.1 Tông quan về năng lượng mặt trời

2.3.1.1 Khái niệm về năng lượng mặt tròi

NLMT và các dạng NL khác "

Hình 2.9: Mô phỏng bức xạ mặt trời

Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1390x10° Km, khoang cachđến trái dat là 150x10° Km, khối lượng mặt trời là 2x10” Kg Nhiệt độ trung tâmcủa mặt trời thay đổi trong khoảng từ 10x10” K” đến 20x10” KỶ, nhiệt độ trung bìnhkhoảng 15.6x10° K”

Bức xạ mặt trời là sức nóng, ánh sáng dưới dạng các chùm tia do mặt trờiphát ra trong quá trình tự đốt cháy minh Mặt trời chứa đựng một nguồn năng lượngkhong 16 và là nguồn gốc của mọi quá trình tự nhiên trên trái dat

Bức xạ mặt trời một phân biến thành nhiệt trong khí quyền nhưng chủ yếu làbiến thành nhiệt chủ yếu ở mặt đất Theo nghiên cứu, trong một phút trái đất hấpthu được một lượng bức xạ mặt trời bằng 25x10!” Cal, trung binh mỗi cm” mặt dattrong một năm nhận được 2.6x10'’Cal, trong 1.5 ngày đêm mặt trời cung cấp cho

trái đất năng lượng băng tổng năng lượng của tất cả các nhà máy điện trên thế giớicung cấp suốt một năm.

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng ma con người biết sử dụng từ rấtsớm, nhưng ứng dụng năng lượng mặt trời vào công nghệ sản xuất va trên quy môrộng thì thực sự vào cuối thế kỷ XVIII và cũng chủ yếu ở những nước nhiều nănglượng mặt trời, những vùng sa mạc.

Năng lượng mặt trời là năng lượng của dòng bức xạ điện từ được sinh ra từmặt trời, cộng với một sỐ phần nhỏ năng lượng của các hạt nguyên tử khác phóng ratừ hành tinh này Năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng quan trong trongviệc điều khiển các quá trình của khí tượng học và duy trì sự sống trên trái đất, cóthể nói năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng vô tận, lại là nguồn năng lượngsạch không gây ô nhiễm môi trường, đây được xem là một trong những ưu điểm nổibậc nhất của năng lượng mặt trời so với các nguồn năng lượng khác như dau mỏ,than đá, khí đốt vì chúng gây ra ô nhiễm môi trường và ngày cảng cạn kiệt

2.3.1.2 Đặc điểm của năng lượng mặt trờiHau hết các nguồn năng lượng tái tạo đều có nguồn gốc từ nguồn năng lượngmặt trời Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng vô tận

Việc khai thác năng lượng mặt trời không tác động xấu đến môi trường sinhthái.

Nang lượng mặt trời phụ thuộc vào chu kỳ ngày đêm, do đó can phải có thiếtbị lưu trữ néu muốn nguôn năng lượng liên tục Năng lượng mặt trời phụ thuộc vàothời tiết

2.3.1.3 Một số công nghệ biến đỗi năng lượng mặt trờiTừ lâu nhiệt năng từ bức xạ mặt trời đã được dùng để phơi sấy, sưởi ấm một cách tự nhiên Hiện nay nhờ sự phát triển của khoa học kỹ thuật hiện đại nênnhiệt mặt trời được sử dụng hiệu quả hơn, nhưng hiện nay có hai công nghệ chủ yếudùng để khai thác năng lượng mặt trời đó là: Công nghệ nhiệt năng mặt trời và côngnghệ điện mặt trời.

+ Công nghề nhiệt năng mặt trời: Là công nghệ dựa trên hiệu ứng nhà kínhvà hiệu ứng hội tụ bức xạ mặt trời nhăm chuyển đổi nguồn năng lượng mặt trờithành nhiệt thông qua các thiết bị thu nhiệt được sử dụng với nhiều mục đích khácnhau.

+ Công nghệ điện mặt trời: Có hai kỹ thuật được ứng dụng để chuyển đổinăng lượng mặt trời thành năng lượng điện đó là sử dung Pin mặt trời (PV) và nhàmáy nhiệt điện mặt trời (CSP).

2.3.1.4 Các ứng dụng của năng lượng mặt trờiNăng lượng mặt trời được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực:Thực hiện một số phản ứng hóa học dé sản xuất một số hóa chất, đăc biệt làsản xuất Hydro (Solar Chemistry)

Biến trực tiếp năng lượng mặt trời thành nhiệt được sử dụng với nhiều mụcđích khác nhau như: Bếp nâu sử dụng nguồn năng lượng mặt trời, hệ thống cungcấp nước dùng năng lượng mặt trời, hệ thống phơi sấy dùng năng lượng mặt trời

Sản xuất điện trực tiếp từ năng lượng mặt trời thông qua những tam pin mặttrời.

Ứng dụng năng lượng mặt trời để tạo ra điện băng việc xây dựng nhà máynhiệt điện mặt trời.

Sử dụng năng lượng mặt trời dùng dé chiếu sáng.2.3.2 Pin mặt trời (PV)

2.3.2.1 Khái niệmPin mặt trời hay còn gọi là pin quang điện (PV) là phương pháp sản xuấtđiện trực tiếp từ năng lượng mặt trời thông qua thiết bị biến đổi quang điện Hiệuứng quang điện được phát hiện đầu tiên vào năm 1839 bởi Alexandre EdmondBecquerel, nhưng cho đến năm 1883 pin mặt trời mới được tạo thành bởi CharlesFritts Pin mặt trời có ưu điểm gọn nhẹ có thé lắp đặt bat kỳ nơi đâu có ánh sángmặt trời, pin mặt trời được ứng dụng trong nhiêu lĩnh vực Năng lượng trời đượcứng dụng dưới dang pin mặt trời được phát triển rất nhanh

2.3.2.2 Cau tạo

Hình 2.10: Hình ảnh Pin mặt trờiCau tạo của pin mặt trời là một lớp tiếp xúc bán dẫn N - P có kha năng biếnđôi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điệnbên trong Loại pin mặt trời thông dụng nhất hiện nay là loại sử dụng tỉnh thể silic(Si), tinh thể silic có hóa trị 4

Tinh thể silic là một chất dẫn điện kém vì các điện tử bị giam gitt bởi các liênkết mạng nên không có điện tử do Chỉ trong điều kiện kích thích quang hay nhiệtthì các điện tử bị bức ra khỏi liên kết điều này đưa đến việc chúng dẫn điện Để tăngkhả năng dẫn điện người ta kết hop tinh thé silic với một số tạp chat

Trước tiên tinh thể silic được kết hợp với tạp chất phospho (P), phospho cóđiện tử ở lớp ngoài cùng nên khi liên kết trong tinh thé Si sẽ dư ra một điện tử, điệntử này trong điều kiện kích thích sẽ bức ra khỏi liên kết khếch tán trong mạng tinhthé Chat bán dẫn có pha tạp chất P được gọi là chat bán dẫn loại P Nếu chat bandẫn loại N thi chúng ta pha tạp chat Boron (Bo) với tinh thé Si

2.3.2.3 Nguyên lý hoạt độngKhi cho 2 lớp bán dẫn loại N và bán dẫn loại P tiếp xúc với nhau, khi đó ởgiữa chỗ tiếp xúc giữa 2 lớp ban dẫn sẽ xuất hiện hiện tượng di chuyển điện tích tựdo từ lớp bán dẫn loại N sang lớp ban dẫn loại P Khi di chuyên như thé ban dẫn

loại N mất điện tử nên mang điện tích dương ngược lại bán dẫn loại P mang điệntích âm, lúc này giữa 2 lớp bán dẫn tích điện trái chiều nhau điều này dẫn đến sẽxuất hiện một điện trường giữa 2 lớp bán dẫn.

Khi ánh sáng chiếu vào pin mặt trời hay lớp bán dẫn loại N — P thì một phầnánh sáng sẽ bị phản xạ và một phân sẽ được hấp thụ khi truyền qua lớp bán dẫn loạiN Một phan đến được lớp chuyển tiếp nơi có các cặp electron và 16 trống nămtrong điện trường Những cặp electron và lỗ trông nay được kích thích va cùng dướitác dụng của điện trường do đó electron sẽ bị kéo về phía bán dẫn loại N còn lỗtrống sẽ bị kéo về phía bán dẫn loại P, kết nối hai điện cực vào hai phan bán dẫnloại N và bán dẫn loại P sẽ thu được một hiệu điện thế

2.3.2.4 Một số mô hình hệ thống pin mặt trời

Nguồn điện | Bộ điều | Bộ đổi điện Phụ

Pin mat trai | | khiển ‘| DC-AC tải

Pin Mặt Trời

Lưới Điện

Thiết BịChuyển Đổi =

Pin mat troi