Nghiên cứu nâng cao chất lượng điện năng và hiệu quả khai thác cho các hệ nguồn năng lượng mới và tái tạo

Luận văn tốt nghiệp Trường ðH KTCN Thái Nguyên ðặng Thị Phương Thanh – Cao học K13 Nghành TB,M và NMð 1 LỜI CAM ðOAN Tác giả xin cam ñoan luận văn này là công trình do tôi tổng hợp và nghiên cứu. Trong luận văn có sử dụng các tài liệu tham khảo như ñã nêu trong phần tài liệu tham khảo. Tác giả luận văn ðặng Thị Phương Thanh Luận văn tốt nghiệp Trường ðH KTCN Thái Nguyên ðặng Thị Phương Thanh – Cao học K13 Nghành TB,M và NMð 2 MỤC LỤC LỜI CAM ðOAN 1 MỤC LỤC 2 LỜI NÓI ðẦU 6 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 8 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 9 DANH MỤC CÁC BẢNG 12 CHƯƠNG I:TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO 13 1.1. Tổng quan về các dạng năng lượng mới và tái tạo……………….13 1.2. Năng lượng Mặt trời 15 1.2.1. Sự hình thành năng lượng Mặt trời 15 1.2.2. Tiềm năng năng lượng Mặt trời 15 1.2.3. Công nghệ sử dụng năng lượng Mặt trời 17 1.3. Năng lượng gió 18 1.3.1. Sự hình thành năng lượng gió 18 1.3.2. Tiềm năng gió 19 1.3.3. Công nghệ sử dụng năng lượng gió 21 1.4. Thủy ñiện nhỏ 22 1.4.1. Khái niệm chung về thủy ñiện nhỏ 22 1.4.2. Tiềm năng và tình hình khai thác ở Việt Nam 22 1.4.3. Công nghệ thủy ñiện nhỏ 23 1.5. Năng lượng ñịa nhiệt 24 1.5.1. Sự hình thành năng lượng ñịa nhiệt 24 1.5.2. Tiềm năng năng lượng ñịa nhiệt 24 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn tốt nghiệp Trường ðH KTCN Thái Nguyên ðặng Thị Phương Thanh – Cao học K13 Nghành TB,M và NMð 3 1.5.3. Công nghệ khai thác ñịa nhiệt 26 1.6. Năng lượng thủy triều và sóng biển 27 1.6.1. Sự hình thành năng lượng thủy triều và sóng biển 27 1.6.2. Tiềm năng năng lượng thủy triều và sóng biển 27 1.6.3. Công nghệ khai thác 28 CHƯƠNG II: HỆ NGUỒN PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 31 2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt ñộng của pin Mặt trời 31 2.1.1 Cấu tạo của pin Mặt trời 31 2.1.2. Nguyên lý hoạt ñộng của pin Mặt trời 32 2.2. Các ñặc trưng quang ñiện của pin Mặt trời 34 2.2.1. ðặc tính V-I của PV 35 2.2.2. Những ñiểm ñặc biệt của ñặc tính V-I 37 2.3. Ghép nối mdule pin Mặt trời 42 2.4. Các mô tả toán học pin Mặt trời 44 2.5. Ghép nối các module tạo thành hệ thống mảng (Array) 48 2.5.1. Ghép nối tiếp các module PV giống nhau 48 2.5.2. Khi ghép nối tiếp các module không giống nhau 50 2.5.3 Ghép song song các module PV giống nhau 52 2.5.4 Khi ghép song song các module không giống nhau 53 2.6 Kết luận 57 CHƯƠNG III: MẠNG ðIỆN CỤC BỘ NGUỒN PIN MẶT TRỜI 58 3.1 Tổng quan về hệ thống ñiện 58 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn tốt nghiệp Trường ðH KTCN Thái Nguyên ðặng Thị Phương Thanh – Cao học K13 Nghành TB,M và NMð 4 3.2. Mạng ñiện cục bộ nguồn pin Mặt trời 59 3.2.1 Mạng ñiện cục bộ gia ñình 59 3.2.2 Mạng PV có kết nối lưới quốc gia 60 3.3 Mô tả và chức năng của các khối 61 3.3.1 Khối nguồn PV cell 62 3.3.2 Khối ñiều khiển (controller) và battery 63 3.3.3. Bộ biến ñổi DC/DC 64 3.3.4 Bộ duy trì ñiểm công suất cực ñại (MPPT) 68 3.3.5 Bộ biến ñổi DC/AC (nghịch lưu áp) 71 a. Bộ nghịch lưu áp 1 pha 72 b. Bộ nghịch lưu áp 3 pha. 73 3.4 Thiết kế nguồn pin Mặt trời trong mạng ñiện cục bộ 76 3.4.1 Lựa chọn sơ ñồ khối: 76 3.4.2 Tính toán thiết kế 77 3.4.3 Tính toán thiết kế một mạng ñiện cụ thể 82 3.5 Kết luận chương 3 86 CHƯƠNG 4: MỘT SỐ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB – SIMULINK 88 4.1 Mô phỏng một số kết quả nguyên cứu bằng Matlab-Simulink… 88 4.1.1 Mô phỏng ñặc tính V-A của PV với các mức chiếu xạ Mặt trời khác nhau 88 4.1.2 Mô phỏng ñặc tính V-A của PV gồm các module nối tiếp 89 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn tốt nghiệp Trường ðH KTCN Thái Nguyên ðặng Thị Phương Thanh – Cao học K13 Nghành TB,M và NMð 5 4.1.3 Mô phỏng tác dụng của bộ tự ñộng chọn ñiểm làm việc công suất cực ñại MPPT 90 4.2 Kết luận chương 4 92 KẾT LUẬN 94 TÀI LIỆU THAM KHẢO 95 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn tốt nghiệp Trường ðH KTCN Thái Nguyên ðặng Thị Phương Thanh – Cao học K13 Nghành TB,M và NMð 6 LỜI NÓI ðẦU Ngày nay do nhu cầu dùng ñiện tăng cao, việc sản xuất ñiện năng và cung cấp ñủ ñiện năng cho phụ tải ngày càng là một vấn ñề cấp thiết của toàn xã hội. ðặc biệt trong những thập niên gần ñây các nguồn năng lượng truyền thống như dầu mỏ, than ñá, khí ñốt ñang dần ñi vào cạn kiệt. Mặt khác việc sử dụng các nguồn nhiên liệu này ñã và ñang ảnh hưởng không nhỏ tới môi trường sống, tới hệ sinh thái. Do vậy, việc tìm kiếm một nguồn năng lượng mới, năng lượng xanh, sạch và có khả năng tái tạo ñã và ñang ñược quan rất quan tâm. Năng lượng tái tạo là năng lượng từ nguồn liên tục mà theo chuẩn mực của con người là vô hạn, là nguồn năng lượng thân thiện với môi trường, có thể khai thác vô tận. Chính vì vậy, tương lai con người có thể kỳ vọng vào các dạng năng lượng tái tạo như năng lượng Mặt trời, gió, thủy triều, ñịa nhiệt, ñộ chênh nhiệt ñộ giữa nước mặt và nước sâu của ñại dương, sử dụng chất thải, kể cả chất thải ñộng vật vào mục ñích sản xuất ra năng lượng. Trên thực tế nhiều nước, trong ñó có Việt Nam ñã và ñang tập trung ñầu tư nghiên cứu và ứng dụng các nguồn năng lượng mới này. Song việc sử dụng năng lượng mới và tái tạo còn rất hạn chế so với tiềm năng do giá thành các thiết bị tiếp nhận năng lượng sơ cấp và thiết bị lưu trữ năng lượng còn khá cao. Trong phạm vi luận văn với ñề tài:“ Nghiên cứu nâng cao chất lượng ñiện năng và hiệu quả khai thác cho các hệ nguồn năng lượng mới và tái tạo” em xin tập trung nghiên cứu, tìm hiểu phương pháp lưu trữ năng lượng ñể nâng cao chất lượng ñiện năng và hiệu quả khai thác cho các nguồn năng lượng mới và tái tạo, giúp mở rộng khả năng sử dụng năng lượng mới và năng lượng tái tạo trong thực tiễn. Nội dung luận văn ñược trình bày trong 4 chương: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn tốt nghiệp Trường ðH KTCN Thái Nguyên ðặng Thị Phương Thanh – Cao học K13 Nghành TB,M và NMð 7 Chương 1: Tổng quan về năng lượng mới và tái tạo Chương 2: Hệ nguồn pin năng lượng Mặt trời Chương 3: Mạng ñiện cục bộ nguồn pin năng lượng Mặt trời Chương 4. Một số kết quả mô phỏng bằng Matlab-Simulik Kết luận. Em xin trân thành cảm ơn thầy giáo TS. Ngô ðức Minh ñã dành nhiều thời gian cho sự chỉ bảo và hướng dẫn giúp em hoàn thành bản luận văn này. Thái Nguyên, ngày tháng 2012 Học viên ðặng Thị Phương Thanh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn tốt nghiệp Trường ðH KTCN Thái Nguyên ðặng Thị Phương Thanh – Cao học K13 Nghành TB,M và NMð 8 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT PMT Pin mặt trời NL Năng lượng BXMT Bức xạ Mặt trời NLMT Năng lượng Mặt trời NLG Năng lượng gió TN Thủy năng HTð Hệ thống ñiện DC Dòng một chiều AC Dòng xoay chiều ISC Inverter- Solar Charger (Bộ biến tần nạp năng lượng Mặt trời) GTSI Grid- Tie solar Inverter MPPT Maximum Power Point Tracker (Bộ duy trì ñiểm công suất cực ñại) MOSFET ðiện trở trường PWM Bộ ñiều chế xung rộng RAMP Máy phát chuyển tiếp SPWM Bộ nghịch lưu M Bộ ñiều chế P-MOSFET Bóng công suất trường BðK Bộ ñiều khiển T Transistor (ðiện trở) TB Thiết bị EMC Tương thích ñiện từ PV Photo Voltaics ( pin quang ñiện) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn tốt nghiệp Trường ðH KTCN Thái Nguyên ðặng Thị Phương Thanh – Cao học K13 Nghành TB,M và NMð 9 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Các nguồn năng lượng tái tạo trên thế giới năm 2006………… 13 Hình 1.2: Sự hình thành năng lượng gió………………………………… 18 Hình 1.3: Tốc ñộ triển khai năng lượng gió giai ñoạn 1997-2010 trên thế giới………………………………………………………………………….19 Hình 1.4a: Sơ ñồ máy phát ñiện sức gió của máy phát nối lưới……………21 Hình 1.4b: Sơ ñồ nối lưới không ñồng bộ nguồn kép………… ………….21 Hình 1.5: Nhà máy ñiện thủy triều Rance, CH Pháp ……………………….30 Hình 1.6: Trạm phát ñiện sử dụng dòng hải lưu SeaGen, Bắc Ailen……….30 Hình 2.1: Cấu tạo pin Mặt trời 32 Hình 2.2: Nguyên lý hoạt ñộng của pin Mặt trời. 34 Hình 2.3: Sơ ñồ thay thế lớp tiếp giáp 35 Hình 2.4: Sơ ñồ tương ñương và ñặc tính V- I…………………………… 36 Hình 2.5: Sơ ñồ tương ñương Pin mặt trời 38 Hình 2.6: ðặc tính V-A của pin Mặt trời phụ thuộc vào BXMT 39 Hình 2.7a: Quá trình ảnh hưởng bởi G a 41 Hình 2.7b: Quá trình ảnh hưởng bởi T ac 41 Hình 2.8: Mô hình kết nối một hệ thống PV cell 42 Hình 2.9: Các module PV bao gồm chi nhánh N PM song song, mỗi N SM các tế bào năng lượng Mặt trời trong loạt 43 Hình 2.10: Quá trình tạo module 43 Hình 2.11: ðặc tính ñiện áp ra tương ứng số lượng cell 44 Hình 2.12a: Hệ PV mắc nối tiếp 2 modun giống nhau 49 Hình 2.12b: ðặc tính của hệ PV mắc song song 2 module giống nhau 49 Hình 2.13: Các ñường ñặc tính VA của hệ PV mắc nối tiếp 2 module 51 Hình 2.14a: Hệ PV mắc song song 2 module giống nhau 53 Hình 2.14b: ðặc tính của hệ PV mắc song song 2 module giống nhau 53 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn tốt nghiệp Trường ðH KTCN Thái Nguyên ðặng Thị Phương Thanh – Cao học K13 Nghành TB,M và NMð 10 Hình 2.15: Các ñường ñặc trưng VA của hệ PV mắc song song 2 module không giống nhau 54 Hình 2.16: Sơ ñồ mắc Diot ñể bảo vệ module và dàn PMT 55 Hình 2.17: Sơ ñồ mắc các Diot bảo vệ trong dàn PMT 56 Hình 3.1: Sơ ñồ hệ thống ñiện 58 Hình 3.2: Mô hình mạng ñiện ñọc lập sử dụng nguồ PV 60 Hình 3.3: Mô hình mạng ñiện lai nguồn PV – lưới 60 Hình 3.4: Sơ ñồ khai thác pin năng lượng Mặt trời 62 Hình 3.5: Sơ ñồ nguyên lý bộ biến ñổi DC- DC 64 Hình 3.6: Sơ ñồ nguyên lý bộ tăng thế DC-DC và các sơ ñồ tương ñương khi K ñóng và mở 65 Hình 3.7: Dòng ñiện trên tải sau bộ ñổi ñiện DC/DC 66 Hình 3.8: Các sơ ñồ chuyển mạch Transistor 67 Hình 3.9: Cấu trúc hệ thống DC/DC có khối MPPT 69 Hình 3.10: Các mạch cung cấp tín hiệu tỷ lệ với công suất ñầu vào của máy phát. a) Bằng bộ nhân analog b) Bằng sơn………………………….69 Hình 3.11: ðiều chế và giải mã cho quá trình duy trì ñiểm công suất cực ñại (MPPT) 70 Hình 3.12: Sơ ñồ mạch MPPT vi phân 70 Hình 3.13: Sơ ñồ mạch ñiều chế xung rộng 71 Hình 3.14: Sơ ñồ nghịch lưu 1 pha 72 Hình 3.15: Dòng ñiện qua tải và ñiện áp ra của nghịch lưu 1 pha 73 Hình 3.16: Sơ ñồ nghịch lưu 1 pha 73 Hình 3.17: ðiện áp ra của nghịch lưu 3 pha và ñiện áp ño trên tải 74 Hình 3.18: Cấu trúc của mạch lực bộ nghịch lưu 3 pha…………………….75 Hình 3.19: ðiện áp và dòng ñiện của nghịch lưu SVM cấp cho tải 76 Hình 3.20: Sử dụng mạng ñiện nguồn PMT 76 Hình 4.1: Cấu trúc mô phỏng xác ñịnh ñặc tính V-A của hệ PV………… 88 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn [...]... h i công ngh cao và v n ñ u tư l n Vi c khai thác trên quy mô h gia ñình cũng r t thi t th c và ñem l i hi u qu to l n Cho ñ n nay v i s n l c vư t b c c a các Nhà khoa h c trên toàn Th gi i và s phát tri n ñ ng b c a các lĩnh v c khoa h c, các nghiên c u v t nhiên môi trư ng,… r t nhi u d ng năng lư ng m i ñã ñư c ñưa vào khai thác s d ng m t cách khá hi u qu Ví d như: năng lư ng gió, năng lư ng M... M t tr i Các ngu n năng lư ng hóa th ch ñã ñư c khai thác và s d ng t r t lâu và ñang d n c n ki t Cùng v i s tăng trư ng v kinh t , nhu c u v năng lư ng cho s n xu t và ñ i s ng ngày càng gia tăng do ñó vi c tìm ki m các công ngh s d ng năng lư ng tái t o như th y ñi n, năng lư ng gió, năng lư ng M t tr i, năng lư ng sinh kh i, năng lư ng ñ a nhi t… có ý nghĩa s ng còn ñ i v i nhân lo i và ñư c s... i c a th k XX và nh ng năm g n ñây do kh ng ho ng năng lư ng, cho nên công tác nghiên c u, thăm dò, khai thác và s d ng năng lư ng tái t o ñư c nhi u qu c gia chú ý và ñ t ñư c thành t u ñáng k ð c ñi m chung c a các ngu n năng lư ng m i là m c dù chúng có m t kh p nơi trên trái ñ t dư i d ng nư c, gió, ánh sáng M t tr i, rác th i… nhưng chúng thư ng phân tán, khó khai thác Vi c khai thác trên quy... nhi t năng, s d ng cho bình ñun nư c M t tr i, ho c làm sôi nư c trong các máy nhi t ñi n c a tháp M t tr i, ho c v n ñ ng các h th ng nhi t như máy ñi u hòa M t tr i Năng lư ng c a các photon có th ñư c h p th và chuy n hóa thành năng lư ng trong các liên k t hóa h c c a các ph n ng quang hóa 1.2.2 Ti m năng năng lư ng M t tr i - Ti m năng trên th gi i: Ti m năng v năng lư ng M t tr i c a các nư... toán thi t k 86 ð ng Th Phương Thanh – Cao h c K13 Nghành TB,M và NMð Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 13 Trư ng ðH KTCN Thái Nguyên Lu n văn t t nghi p CHƯƠNG 1 T NG QUAN V NĂNG LƯ NG M I VÀ TÁI T O 1.1 T ng quan v các d ng năng lư ng m i và tái t o [1,2] Năng lư ng tái t o hay năng lư ng tái sinh là năng lư ng t nh ng ngu n liên t c mà theo chu... b c x , năng lư ng sóng ph thu c bư c sóng (ph sóng), không ph i là truy n nhi t ñ n trái ñ t Mu n khai thác năng lư ng M t tr i (NLMT) ph i có thi t b h p th năng lư ng c a các sóng b c x , t ñó hình thành nhi u công ngh khai thác khác nhau d a trên các nguyên t c ch y u sau: - BXMT - ñi n năng – ph t i ñi n - BXMT - nhi t năng – ph t i nhi t - BXMT - nhi t năng – ñi n năng – ph t i ñi n Năng lư ng... c h n h p, ñư c khai thác cho m c ñích ñ a nhi t thương m i và s y sư i - Các ngu n nhi t trong ñá nóng n m khá sâu trong lòng ñ t vào kho ng 4000 m và sâu hơn, hi n ñang ñư c t p trung nghiên c u nhưng chưa ñư c khai thác thương m i Các ngu n th y nhi t có th cung c p năng lư ng trong kho ng 10-50 năm, còn các ngu n nhi t trong ñá nóng có th cung c p năng lư ng lâu hơn nhi u Năng lư ng ñ a nhi t có... khoan và các thi t b trong nhà máy ñi n Nhà máy nhi t ñi n bao g m m t ho c nhi u t turbine hơi-máy phát ñi n Các ngu n th y nhi t có nhi t ñ th p dư i 1000 C, nhi t ñ trung bình t 1000C ñ n 2000C còn các ngu n nhi t ñ cao trên 2000C Ch có các ngu n th y nhi t trung bình và cao là có giá tr khai thác ñi n thương m i 1.6 Năng lư ng th y tri u và sóng bi n 1.6.1 S hình thành năng lư ng th y tri u và sóng... d ng năng lư ng tái sinh là tách m t ph n năng lư ng t các quy trình di n bi n liên t c trong môi trư ng t nhiên và ñưa vào trong các s d ng k thu t cho m t m c ñích nào ñó c a con ngư i Các quy trình này luôn tuân theo quy lu t ñư c thúc ñ y t M t tr i Vô h n có hai nghĩa: ho c là năng lư ng t n t i nhi u ñ n m c mà không th tr thành c n ki t (ví d như năng lư ng M t tr i) ho c là năng lư ng t tái. .. i v i các nhà máy th y ñi n l n, th y năng (TN) ñư c t p trung trên nh ng dòng ch y (sông) l n Trong khi ñó, th y ñi n nh l i khai thác t nhi u d ng thái th y năng khác nhau t các dòng ch y nh , su i - TN – Cơ năng – Máy xay, bơm nư c - TN – Cơ năng – Máy phát ñi n Khi nghiên c u v các d ng năng lư ng s ch ch qaun tâm ñ n công ngh khai thác th y ñi n nh trên các dòng su i hay th y ñi n nh có kênh . nghiên cứu, tìm hiểu phương pháp lưu trữ năng lượng ñể nâng cao chất lượng ñiện năng và hiệu quả khai thác cho các nguồn năng lượng mới và tái tạo, giúp mở rộng khả năng sử dụng năng lượng mới và. trữ năng lượng còn khá cao. Trong phạm vi luận văn với ñề tài:“ Nghiên cứu nâng cao chất lượng ñiện năng và hiệu quả khai thác cho các hệ nguồn năng lượng mới và tái tạo em xin tập trung nghiên. – Cao học K13 Nghành TB,M và NMð 13 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO 1.1. Tổng quan về các dạng năng lượng mới và tái tạo [1,2] Năng lượng tái tạo hay năng lượng tái