thiết kế điều khiển hệ thống điện sử dụng năng lượng mặt trời hòa lưới điện quốc gia

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐH KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ------ DƯƠNG QUỲNH NGA THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN SỬ DỤNG NĂN

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐH KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

- -

DƯƠNG QUỲNH NGA

THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN

SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI HÒA LƯỚI ĐIỆN QUỐC GIA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA

Thái Nguyên, 2012

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐH KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

- -

DƯƠNG QUỲNH NGA

THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN

SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI HÒA LƯỚI ĐIỆN QUỐC GIA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

NAM

THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

PGS TS LẠI KHẮC LÃI

HỌC VIÊN

DƯƠNG QUỲNH NGA

THÁI NGUYÊN, 2012

MỤC LỤC

17

1.1.4.2 Sự giảm năng lượng mặt trời phụ thuộc vào độ dài đường đi

1.1.4.3 Cường độ bức xạ mặt trời biến đổi theo thời gian 22 1.1.4.4 Cường độ bức xạ mặt trời biến đổi theo không gian 23

1.2.1 Tổng quan về thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời 24

28

29

29

3.2.2 Chuyển hệ tọa độ (α, β) sang hệ tọa độ (d, q) cho véc tơ không

3.2.3 Trạng thái của van và các véc tơ biên chuẩn 57

3.3.2 Thiết kế mạch điều khiển cho bộ Boost Converter 66 3.3.3 Thiết kế mạch điều khiển cho bộ nghịch lưu áp ba pha DC/AC

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là Dương Quỳnh Nga

Sinh ngày 20 tháng 11 năm 1985

Học viên lớp cao học khóa 13 - Tự động hóa - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Hiện đang công tác tại Khoa Điện - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Tôi xin cam đoan: Bản luận văn: “Thiết kế điều khiển hệ thống điện sử dụng năng lượng mặt trời hòa lưới điện quốc gia” do thầy giáo PGS.TS Lại

Khắc Lãi hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi Tất cả các tài liệu

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

Thái Nguyên, Ngày tháng 12 năm 2012

Tác giả luận văn

Dương Quỳnh Nga

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian nghiên cứu, được sự động viên, giúp đỡ và hướng dẫn

tận tình của thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Lại Khắc Lãi, luận văn với đề tài

“Thiết kế điều khiển hệ thống điện sử dụng năng lượng mặt trời hòa lưới điện quốc gia” đã hoàn thành

Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến:

Thầy giáo hướng dẫn PSG TS Lại Khắc Lãi đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ

tác giả hoàn thành luận văn này

Phòng quản lý đào tạo sau đại học, các thầy giáo, cô giáo Khoa Điện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đặc biệt là thầy giáo TS.Đặng Danh Hoằng đã giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập cũng như trong quá trình nghiên cứu đề tài

Toàn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình và người thân đã quan tâm, động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn

Tác giả luận văn

Dương Quỳnh Nga

IS: dòng bão hoà (A/m2);

n: được gọi là thừa số lý tưởng phụ thuộc vào các mức độ hoàn thiện công nghệ chế tạo pin mặt trời Gần đúng có thể lấy n = 1;

RS: điện trở nối tiếp (điện trở trong) của pin mặt trời ( /m2

);

Rsh: điện trở sơn (điện trở dò) ( /m2

) q: điện tích của điện tử (C)

UDC: Điện áp một chiều Q: hàm đo chất lượng của mạch

UPV, IPV: là điện áp và dòng điện của dàn Pin mặt trời

UL, IL: là dòng điện ba pha của Lưới điện

CDC: điện dung của bộ DC link

isu, isv, isw là ba dòng điện pha của lưới điện ba pha

u, v, w là ba cuộn dây pha của lưới

s s

i là véc tơ dòng is quan sát trên hệ tọa độ αβ

f s

i là véc tơ dòng is quan sát trên hệ tọa độ dq

Uoc là điện áp hở mạch của Pin mặt trời

Isc (short circuit current) dòng điện mạch ngắn trong Pin mặt trời

DC – DC: Bộ biến đổi một chiều - một chiều (Bộ tăng thế hay bộ Boost Converter)

DC – AC: Bộ biến đổi một chiều – xoay chiều (Bộ nghịch lưu)

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Phân bố phổ bức xạ mặt trời theo bước sóng 10 Bảng 1.2 Màu sắc và bước sóng của ánh sáng mặt trời 11 Bảng 3.1 Bảng các điện áp pha và dây của lưới 50 Bảng 3.2 Bảng lựa chọn véc tơ biên chuẩn và véc tơ không 51

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.2 Thang sóng điện từ của bức xạ mặt trời 10

Hình 1.3 Định nghĩa các vĩ tuyến (a) và kinh tuyến (b) 13

Hình1.4 Phổ bức xạ mặt trời bên trong và ngoài bầu khí quyển 14

Hình 2.1 Sơ đồ khối tổng quát của một hệ nguồn điện Mặt trời 24

Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới 25

Hình 2.5 Bộ Boost Converter đóng cắt bằng MOSFET 29

Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển cho bộ Boost

Hình 2.8 Sơ đồ mạch động lực bộ nghịch lưu DC/AC 33

Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý điều khiển toàn hệ thống 36

Hình 3.1 Biểu diễn dòng điện is dưới dạng véc tơ không gian với 46

các phần tử isα và isβ thuộc hệ tọa độ αβ

Hình 3.2 Biểu diễn véc tơ không gian trên hệ tọa độ dq 47

Hình 3.4 Các khả năng xảy ra khi đóng mở các van của bộ nghịch

Hình 3.5 Các véc tơ biên chuẩn và các góc phần sáu 50

Hình 3.6 Mô tả Pin Mặt trời sử dụng Matlab Simulink 53

Hình 3.7 Đặc tính dòng áp của dàn Pin mặt trời 55

Hình 3.9 Đặc tính dòng áp của dàn Pin mặt trời qua mô phỏng trên

Hình 3.10 Sơ đồ mô phỏng bộ Boost Converter trên Matlab 57

Hình 3.11: Hình 3.11: Thông số mạch Boost Converter 57

Hình 3.12 Hình 3.12: Mô tả bộ điều khiển DC-DC (MPPT) 58

Hình 3.13 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển MPPT 59

Hình 3.14 Các mạch cung cấp tín hiệu tỷ lệ với công suất đầu vào

của máy phát: (a)- Bằng bộ nhân analog, (b)- Bằng sơn 59

Hình 3.15 Điều chế và giải mã cho quá trình duy trì iểm công suất

Hình 3.18 Lưu đồ thuật toán xác định điểm công suất cực đại 62

Hình 3.20 Đồ thị điện áp đầu vào bộ Boost Converter 63

Hình 3.21 Đồ thị điện áp ra bộ Boost Converter 63

Hình 3.22 Sơ đồ mô tả điều khiển bộ nghịch lưu DC/AC 65

Hình 3.23 Thông số của mạch điều khiển nghịch lưu DC/AC 65

Hình 3.24 Sơ đồ mô tả bộ điều khiển nghịch lưu 66

Hình 3.28 Mô tả mạch vòng khóa pha PLL và các khối đo lường 67

Hình 3.32: Điện áp đầu ra hệ thống khi nối lưới 71

CHƯƠNG 1 TÌM HIỂU VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ CÁC PHƯƠNG

PHÁP KHAI THÁC, SỬ DỤNG ĐẶT VẤN ĐỀ

Hiện nay, việc khai thác các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng gió, năng lượng mặt trời đang được phát triển khuyến khích trên thế giới, đi đầu

là các quốc gia: Đức, Đan Mạch, Nhật Bản, Hà Lan và Mỹ Việt Nam có vị trí địa lý nằm trong khu vực cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao, trong đó nhiều nhất là thành phố Hồ Chí Minh tiếp đến là các vùng Tây Bắc (Sơn La, Lai Châu, Lào Cai ) và vùng Bắc Trung Bộ (Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh…) nên việc khai thác nguồn năng lượng mặt trời đang được các nhà khoa học trong nước quan tâm

Năng lượng mặt trời có những ưu điểm như: sạch, chi phí nhiên liệu và bảo dưỡng thấp, an toàn cho người sử dụng… Đồng thời, phát triển ngành công nghiệp sản xuất pin mặt trời sẽ góp phần thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch, giảm phát khí thải nhà kính, bảo vệ môi trường Vì thế, đây được coi là nguồn năng lượng quý giá, có thể thay thế những dạng năng lượng cũ đang ngày càng cạn kiệt Gần đây số lượng các hệ thống phát năng lượng mặt trời tăng nhanh dẫn tới hình thành sự cung cấp điện dịch vụ mới và đạt tiêu chuẩn ứng với nguồn năng lượng sạch Đặc biệt, việc chuyển điện năng từ nguồn năng lượng mặt trời vào nguồn điện lưới sẽ làm giảm chỉ số tiêu thụ điện từ lưới cho mỗi đơn vị sử dụng Công nghệ này cho ta khả năng khai thác hiệu quả tài nguyên đóng góp trực tiếp vào các nguồn cung cấp phân bố trên diện rộng dựa trên mạng lưới điện quốc gia

1.1 Nguồn năng lƣợng mặt trời

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

vô tận Tuy nhiên, để khai thác, sử dụng nguồn năng lượng này cần phải biết các đặc trưng và tính chất cơ bản của nó, đặc biệt khi tới bề mặt trái đất

1.1.1 Cấu trúc của mặt trời

Có thể xem mặt trời là một quả cầu khí ở cách quả đất 1,49.108

km Từ trái đất chúng ta nhìn mặt trời dưới một góc mở là 31’59 Từ đó có thể tính được đường kính của mặt trời là R = 1,4.106

km, tức là bằng 109 lần đường kính quả đất và do đó thể tích của mặt trời lớn hơn thể tích quả đất 130.104

lần Từ định luật hấp dẫn người ta cũng tính được khối lượng của mặt trời là 1,989.1027

tấn, lớn hơn khối lượng quả đất 33.104

lần Mật độ trung bình của mặt trời là 1,4g/cm3, lớn hơn khối lượng riêng của nước (1g/cm3) khoảng 50% Tuy nhiên mật độ ở các lớp vỏ khác nhau của mặt trời rất khác nhau Ở phần lõi của mặt trời, do bị nén với áp suất rất cao nên mật độ lên tới 160 g/cm3

, nhưng càng ra phía ngoài mật độ càng giảm và giảm rất nhanh

Một cách khái quát có thể chia mặt trời thành hai phần chính: phần phía trong và phần khí quyển bên ngoài (hình 1.1) Phần khí quyển bên ngoài lại gồm

3 miền và được gọi là quang cầu, sắc cầu và nhật miện Còn phần bên trong của

nó cũng có thể chia thành 3 lớp và gọi là tầng đối lưu, tầng trung gian và lõi mặt

trời Một số thông số của các lớp của mặt trời được cho trên hình 1.1

Từ mặt đất nhìn lên ta có cảm giác mặt trời là một quả cầu lửa ổn định Thực

ra bên trong mặt trời luôn luôn có sự vận động mạnh mẽ không ngừng Sự ẩn hiện của các đám đen, sự biến đổi của quầng sáng và sự bùng phát dữ dội của khu vực xung quanh các đám đen là bằng chứng về sự vận động không ngừng trong lòng mặt trời Ngoài ra, bằng kính thiên văn có thể quan sát được cấu trúc hạt, vật thể hình kim, hiện tượng phụt khói, phát xung sáng, luôn luôn thay đổi

và rất dữ dội

1.1.2 Năng lƣợng mặt trời

Về mặt vật chất thì mặt trời chứa đến 78,4% khí Hydro (H2), Heli (He) chiếm 19,8%, các nguyên tố kim loại và các nguyên tố khác chỉ chiếm 1,8% Năng lượng do mặt trời bức xạ ra vũ trụ là một lượng khổng lồ Mỗi giây nó phát ra 3,865.1026 J, tương đương với năng lượng đốt cháy hết 1,32.1016 tấn than

đá tiêu chuẩn Nhưng bề mặt quả đất chỉ nhận được một năng lượng rất nhỏ và bằng 17,57.1016J hay tương đương năng lượng đốt cháy của 6.106

tấn than đá Năng lượng khổng lồ từ mặt trời được xác định là sản phẩm của các phản ứng nhiệt hạt nhân Theo thuyết tương đối của Anhstanh và qua phản ứng nhiệt nhiệt hạt nhân khối lượng có thể chuyển thành năng lượng Nhiệt độ mặt ngoài của mặt trời khoảng 60000K, còn ở bên trong mặt trời nhiệt độ có thể lên đến

Hình 1.1 Cấu trúc mặt trời

hàng triệu độ Áp suất bên trong mặt trời cao hơn 340.108

MPa Do nhiệt độ và

áp suất bên trong mặt trời cao như vậy nên vật chất đã nhanh chóng bị ion hoá

và chuyển động với năng lượng rất lớn Chúng va chạm vào nhau và gây ra hàng loạt các phản ứng hạt nhân Người ta đã xác định được nguồn năng lượng của mặt trời chủ yếu do hai loại phản ứng hạt nhân gây ra Đó là các phản ứng tuần hoàn giữa các hạt nhân Cacbon và Nitơ (C.N) và phản ứng hạt nhân Proton.Proton

Khối lượng của mặt trời xấp xỉ 2.1027

tấn Như vậy để mặt trời chuyến hoá hết khối lượng của nó thành năng lượng cần một khoảng thời gian là 15.1013

năm Từ đó có thể thấy rằng nguồn năng lượng mặt trời là khổng lồ và lâu dài

Trong chân không vận tốc truyền của sóng điện từ gần đúng bằng c = 3.108

m/s Còn trong môi trường vật chất, vận tốc truyền của sóng nhỏ hơn và bằng v

= c/n, trong đó n được gọi là chiết suất tuyệt đối của môi trường, với n 1 Các sóng điện từ có bước sóng trải dài trong một phạm vi rất rộng từ 10.7

nm (nano met) đến hàng nghìn km Hình 1.2 trình bày thang sóng điện từ của bức xạ mặt trời

Tia hồng ngoại

Sóng ngắn Sóng vô tuyến

điện

( m) Tia

Hình 1.2 Thang sóng điện từ của bức xạ mặt trời

Ánh sáng nhìn thấy có bước sóng từ 0,4 m đến gần 0,8 m, chỉ chiếm một phần rất nhỏ của phổ sóng điện từ của bức xạ mặt trời Mặc dù có cùng bản chất

là sóng điện từ nhưng các loại sóng điện từ có bước sóng khác nhau thì gây

ra các tác dụng lý học, hoá học và sinh học rất khác nhau Nói riêng trong vùng phổ nhìn thấy được, sự khác nhau về bước sóng gây cho ta cảm giác màu sắc khác nhau của ánh sáng Khi đi từ bước sóng dài = 0,8 m đến giới hạn sóng ngắn = 0,4 m ta nhận thấy màu sắc của ánh sáng thay đổi liên tục từ đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím Mắt người nhạy nhất đối với ánh sáng màu vàng có bước sóng = 580 m Sự phân bố năng lượng đối với các bước sóng khác nhau cũng khác nhau Bảng 1.1 cho thấy quan hệ giữa mật độ năng lượng của bức xạ điện từ phụ thuộc vào bước sóng của nó, còn bảng 1.2 là quan hệ giữa màu sắc của ánh sáng và bước sóng của nó Từ bảng 1.1 ta thấy rằng mật độ năng lượng bức xạ mặt trời chủ yếu phân bố trong giải bước sóng từ = 0,2 m (tử ngoại C,

tỷ lệ mật độ năng lượng 0,57%) đến = 3.0 m (hồng ngoại, tỷ lệ mật độ năng lượng 1,93%), còn ngoài vùng đó mật độ năng lượng không đáng kể

Khi bức xạ mặt trời đi qua tầng khí quyển bao quanh quả đất, nó bị các phân tử khí, các hạt bụi, hấp thụ hoặc bị làm tán xạ, nên phổ và năng lượng mặt trời khi đến bề mặt quả đất bị thay đổi rất đáng kể

Bảng 1.1 : Phân bố phổ bức xạ mặt trời theo bước sóng

lỏng, chất rắn và các đám mây, Vì vậy, khi bức xạ mặt trời xuyên qua lớp khí quyển đó để đến được mặt đất thì năng lượng và phổ của nó bị thay đổi đáng kể

(a) (b)

Ở bên ngoài lớp khí quyển quả đất, năng lượng bức xạ mặt trời là hằng số và

có giá trị là 1353 W/m2

Giá trị này được gọi là hằng số mặt trời Phổ của bức xạ

mặt trời là một đường cong liên tục có năng lượng chủ yếu nằm trong vùng bước sóng từ 0,1 m đến ngoài 3 m (hình 1.3) Đường phân bố phổ này gần giống đường phân bố phổ bức xạ của một vật đen tuyệt đối ở nhiệt độ 57260

K Cực đại của phổ bức xạ mặt trời nằm ở bước sóng 0,48 m và ứng với mật độ năng lượng

2074 W/m2

Khi các tia mặt trời xuyên vào lớp khí quyển quả đất, gặp các phân tử khí, hơi nước, các hạt bụi, các hạt chất lỏng,… bị tán xạ, phản xạ và hấp thụ nên một phần năng lượng của nó không tới được mặt đất Đối với những ngày trong sáng thì sự suy giảm năng lượng của các tia bức xạ mặt trời do ba quá trình vật lý sau đây xảy ra một cách đồng thời:

* Sự hấp thụ chọn lọc do các phân tử hơi nước H2O, O2, O3 và CO2

* Sự tán xạ Rayleith trên các phân tử khí, các hạt bụi,…

* Tán xạ Mie

Kinh tuyÕn gèc (qua GreenWich)

Kinh tuyÕn

Cùc B¾c

Cùc Nam

O L

Hình 1.3 Định nghĩa các vĩ tuyến (a) và kinh tuyến (b)

Hình1.4 Phổ bức xạ mặt trời bên trong và ngoài bầu khí quyển

Tán xạ Rayleith là sự tán xạ của tia mặt trời lên các phân tử khí hay các hạt

bụi có kích thước rất nhỏ so với bước sóng của bức xạ Theo lý thuyết Rayleith thì hệ số tán xạ trong quá trình này tỷ lệ với .4 Một cách gần đúng, có thể đánh giá rằng, 50% năng lượng của các tia bức xạ tán xạ bị mất đi khi qua lớp khí quyển trái đất, chỉ còn 50% đến được quả đất theo các hướng khác nhau,

và được gọi là bức xạ nhiễu xạ hay bức xạ tán xạ Sự tán xạ xảy ra trên các hạt

bụi nói chung có kích thước lớn hơn nhiều so với kích thước các phân tử khí nên việc tính toán trở nên rất khó khăn Vì kích thước và mật độ của chúng biến đổi từ vùng này sang vùng khác, và còn phụ thuộc cả vào độ cao và thời gian

Tán xạ Mie là tán xạ xảy ra khi kích thước của các hạt bụi lớn hơn bước

sóng của bức xạ, khi đó sự suy giảm cường độ bức xạ do hai nguyên nhân: do

sự tán xạ thực sự (phân bố lại năng lượng tới) và do sự hấp thụ bức xạ bởi các hạt bụi Trong nguyên nhân thứ 2, một phần năng lượng của bức xạ biến thành nhiệt Phần bức xạ còn lại sau tán xạ Mie, hướng đến quả đất nên cũng được gọi

là bức xạ nhiễu xạ

Do bức xạ bị hấp thụ bởi các phân tử khí O2, O3 ở các vùng cao của lớp khí quyển nên vùng bước sóng tử ngoại < 0,29 m trong phổ mặt trời đã bị biến

Bước sóng ( m)

m=0, E 0 =1353W/m2Vật đen bức xạ ở T=5726K, chuẩn về E 0 =1353W/m2 m=2, E=691,2W/m2 m=2, không bị hấp thụ phân tử

mất khi đến mặt đất Trong vùng hồng ngoại, sự hấp thụ xảy ra chủ yếu do hơi nước H2O và CO2 Kết quả của các quá trình nói trên làm cho cường độ bức xạ mặt trời tới mặt đất yếu đi rất nhiều so với ở ngoài vũ trụ và đường cong phân

bố phổ của nó ở mặt đất không còn được liên tục như ở ngoài khí quyển quả đất, mà bị “xẻ” thành nhiều “rãnh” hoặc các “vùng rãnh” như đã chỉ ra trên hình 1.4

Trong các ngày mây mù, sự suy giảm bức xạ mặt trời xảy ra còn mạnh hơn Một phần đáng kể bức xạ mặt trời bị phản xạ trở lại vũ trụ từ các đám mây, một

phần khác bị các đám mây hấp thụ, phần còn lại truyền đến quả đất như là bức

xạ nhiễu xạ Tổng các bức xạ mặt trời bị phản xạ trở lại vũ trụ do phản xạ và tán

xạ từ các đám mây, từ các phân tử khí, từ các hạt bụi và phản xạ từ mặt đất (bao

gồm các vật cản như nhà cửa, cây cối, ) được gọi là Albedo của hệ khí quyển

quả đất, và có giá trị vào khoảng 30%

Tóm lại ở mặt đất nhận được hai thành phần bức xạ:

Bức xạ trực tiếp (còn gọi là Trực xạ) là các tia sáng mặt trời đi thẳng từ mặt

trời đến mặt đất, không bị thay đổi hướng khi qua lớp khí quyển

Bức xạ Nhiễu xạ hay bức xạ khuếch tán gọi tắt là tán xạ là thành phần các

tia mặt trời bị thay đổi hướng ban đầu do các nguyên nhân như tán xạ, phản xạ,

Hướng của tia trực xạ phụ thuộc vào vị trí của mặt trời trên bầu trời, tức là phụ thuộc vào thời gian và địa điểm quan sát Trong khi đó đối với bức xạ nhiễu

xạ không có hướng xác định mà đến điểm quan sát từ mọi điểm trên bầu trời

Tổng hai thành phần bức xạ này được gọi là tổng xạ, nó chiếm khoảng 70%

toàn bộ bức xạ mặt trời hướng về quả đất

1.1.4.2 Sự giảm năng lượng mặt trời phụ thuộc vào độ dài đường đi của tia sáng qua lớp khí quyển (air mass)

Do các quá trình hấp thụ, tán xạ, phản xạ của tia mặt trời xảy ra khi nó đi qua lớp khí quyển nên cường độ bức xạ khi tới mặt đất phụ thuộc vào độ dài

đường đi của tia trong lớp khí quyển Độ dài này laị phụ thuộc vào độ cao của mặt trời Ví dụ, khi mặt trời ở điểm Zenith (ở đỉnh đầu) thì các tia bức xạ mặt trời khi xuyên qua lớp khí quyển bị tán xạ và hấp thụ là ít nhất, vì đường đi ngắn nhất Còn ở các điểm “chân trời”, lúc mặt trời mọc hoặc lặn thì đường đi của tia bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển là dài nhất, nên bức xạ bị tán xạ và hấp thụ nhiều nhất Để đặc trưng cho sự mất mát năng lượng phụ thuộc độ dài đường đi của tia bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển người ta đưa vào một đại

lượng được gọi là “Air mass”, ký hiệu m (hay AM) và được định nghĩa như sau:

Từ hình 1.4 ta thấy, nếu tia mặt trời đến điểm A trên mặt đất theo hướng

BA, thì airmass đối với vị trí đó của mặt trời và đối với điểm điểm A trên mặt đất có thể được xác định bởi công thức sau:

H

R H

R H

R CA

BA

2 2

- Ở ngoài khí quyển quả đất : m = 0, E = 1 353W/m2

- Khi mặt trời ở điểm Zenith (đỉnh đầu) : m =1, E = 924,9 W/m2

Khi góc Zenith Z = 600 : m = 2, E = 691,2 W/m2

m =

Độ dài của tia trực xạ xuyên qua lớp khí quyển theo phương quan sát

Độ dày của lớp khí quyển theo phương vuông góc với mặt biển

1.1.4.3 Cường độ bức xạ mặt trời biến đổi theo thời gian

Mô hình lý thuyết để tính toán cường độ bức xạ mặt trời trực tiếp gọi tắt là

trực xạ được xây dựng dựa trên các tài liệu đo đạc khí tượng trong nhiều năm

Mô hình này dựa trên giả thiết cho rằng mặc dù các thông số khí quyển thay đổi

từ miền này đến miền khác và từ thời gian này đến thời gian khác, nhưng hệ số truyền qua hiệu dụng của bầu trời thay đổi không nhiều Vì khi lượng nước có thể ngưng tụ trong khí quyển giảm, thì lượng bụi lại tăng lên và ngược lại

Theo định nghĩa “khí quyển chuẩn” (đối với ngày trong tháng) là khí quyển

mà lượng hơi nước có thể ngưng tụ là 15 mm, lượng Ozon là 2,5 mm, bụi có mật độ 300 hạt/cm3

và ở áp suất 760 mmHg và với hằng số mặt trời 1.353 W/m2 Khi đó cường độ bức xạ trực tiếp được tính theo biểu thức:

m

I N

) 3135 , 0 ( 1

1000 (0,8507))

8644,0(

Z

C

H R Líp khÝ quyÓn

Hình 1.5 Định nghĩa và cách xác định airmas

1.1.4.4 Cường độ bức xạ mặt trời biến đổi theo không gian

Như đã phân tích, bức xạ nhiễu xạ tới mặt đất từ tất cả mọi phía của vòm bầu trời và là do sự tán xạ, phản xạ của tia bức xạ mặt trời trong khí quyển quả đất Ngay cả những ngày trời đẹp nhất, khi bầu trời rất trong sáng, vẫn có bức

xạ nhiễu xạ phụ thuộc vào lượng bụi, Ozon và hơi nước trong khí quyển Trong những ngày mây mù, lúc ta không nhìn thấy mặt trời, thì toàn bộ bức xạ đến được quả đất chỉ là bức xạ nhiễu xạ Việc tính toán bức xạ nhiễu xạ là rất khó khăn do thiếu các số liệu về bầu khí quyển Ngoài ra, do sự biến đổi của thời tiết nên sự phân bố bức xạ nhiễu xạ cũng biến đổi ngẫu nhiên theo không gian và thời gian Những công thức tính toán lý thuyết thành phần này của bức xạ mặt trời đều phải dựa trên một số giả thiết để làm đơn giản bài toán Theo lý thuyết của Buckuist và King thì hệ số truyền qua ụS, đặc trưng cho bức xạ nhiễu xạ tới một mặt phẳng nằm ngang ở trên mặt đất được xác định bởi biểu thức:

) exp(

4 ) 4 4 (

1

exp ) 2 1 ( 2 1 2 634 , 0

0 1

0 0

0

L L

L

L S

K K

K a

K

(1.4)

Trong đó: 0 = 1/m , m: airmass; KL: độ dày quang học (quang lộ) của lớp khí quyển; a1 : tham số tán xạ dị hướng

Mô hình lý thuyết này chỉ có giá trị đối với bầu trời không có mây mù

1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP KHAI THÁC, SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Việt Nam là một quốc gia đang phát triển, do đó nhu cầu năng lượng ngày

càng tăng với tốc độ tăng trưởng khoảng (15-20)% Hiện tại chính sách quốc gia

của Việt Nam về nhu cầu năng lượng dựa vào việc thiết lập hệ thống các nhà

thủy điện, nhà máy nhiệt điện tua bin hơi và tua bin khí, một số nhà máy điện

nguyên tử…

Tuy nhiên, để đảm bảo phát triển bền vững và đặc biệt cân bằng được năng lượng của quốc gia trong tương lai, Việt Nam đã và đang tập trung nghiên cứu

phát triển các nguồn năng lượng mới trong đó Năng lượng mặt trời vẫn là một

nguồn năng lượng tối ưu trong tương lai cho điều kiện Việt Nam đứng về

phương diện địa dư và nhu cầu phát triển kinh tế Nguồn năng lượng này sẽ góp phần vào:

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

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

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

Vị trí địa lý đã ưu ái cho Việt Nam nguồn năng lượng tái tạo vô cùng lớn, đặc biệt là năng lượng mặt trời Việt Nam nằm trong khu vực có cường độ bức

xạ mặt trời tương đối cao, trong đó nhiều nhất phải kể đến TPHCM, tiế

1.2.1 Tổng quan về thiết bị sử dụng năng lƣợng mặt trời

18

sau:

– Solar power tower”

Tháp năng lượng mặt trời Nhà máy điện mặt trời

Hình 1.7 Nhà máy sử dụng Năng lượng mặt trời

Hình 1.9 Bếp nấu dùng năng lượng mặt trời

–

Việt Nam

cung cấ

Hình 1.12 Thái dương năng

100 – 175 kcal/cm2

ít

ồ:

- -

85o

-,

khu dân cư

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

Dòng điện sinh ra từ hệ thống pin mặt trời được sử dụng cho các thiết bị điện trong nhà để thay cho điện lưới Nếu công suất điện sinh ra lớn hơn công suất điện tiêu thụ thì lượng điện thừa sẽ được nạp vào hệ thống tồn trữ (ắc quy) Ngược lại, khi lượng điện tiêu thụ lớn hơn lượng điện mặt trời sinh ra (vào ban đêm, hay lúc trời nhiều mây…) thì dòng điện sẽ được lấy thêm từ lưới điện như bình thường, hoặc từ hệ thống tồn trữ (nếu điện lưới bị cắt)

1.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Năng lượng mặt trời là một dạng năng lượng tái tạo vô tận với trữ lượng lớn Đó là một trong các nguồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất mà thiên nhiên ban tặng cho hành tinh chúng ta Đồng thời nó cũng là nguồn gốc của các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió, năng lượng sinh khối, năng lượng các dòng sông,… Năng lượng mặt trời có thể nói là vô tận Tuy nhiên, để khai thác, sử dụng nguồn năng lượng này cần phải biết các đặc trưng và tính chất cơ bản của nó, đặc biệt khi tới bề mặt quả đất

Chương 1 đã giới thiệu được các vấn đề:

- Cấu trúc của mặt trời và đặc điểm của nguồn năng lượng mặt trời

- Các phương pháp khai thác, sử dụng năng lượng mặt trời hiện nay

Trong đó tác giả cũng nhấn mạnh vấn đề sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng mặt trời và hệ thống điện mặt trời hòa lưới là một phương thức sử dụng năng lượng mặt trời rất kinh tế Đây là lĩnh vực đang có xu hướng nghiên cứu

để đưa vào sử dụng rộng rãi và cũng là vấn đề mà luận văn nghiên cứu

CHƯƠNG 2

HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Trong thực tế, hệ thống điện năng lượng mặt trời có hai loại phổ biến là hệ thống điện năng lượng mặt trời độc lập và hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới

2.1 Hệ thống điện năng lượng mặt trời độc lập

Hệ thống điện mặt trời độc lập là hệ nguồn không nối với mạng lưới điện quốc gia hay địa phương Hệ nguồn này được ứng dụng ở các khu vực không có lưới điện Ngoài dàn pin Mặt trời, trong một hệ nguồn điện mặt trời còn có các thành phần khác nhau trong sơ đồ:

Hình 2.1: Sơ đồ khối tổng quát của một hệ nguồn điện Mặt trời

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

với nhau Pin mặt trời được ghép nối từ nhiều tế bào quang điện, tế bào quang điện là thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các Điot P - N, duới ánh sáng mặt trời nó

có khả năng tạo ra dòng điện tức là có khả năng chuyển đổi quang năng thành điện năng Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện Người ta có thể ghép nối nhiều tấm pin mặt trời thành hệ thống pin mặt trời Pin năng lượng mặt trời (NLMT) có dạng đơn tinh thể (monocrystalline) hoặc đa tinh thể (polycrystalline) Tùy loại, các tấm pin có thể có hiệu suất từ 15% đến 18%, công suất từ 25Wp đến 200Wp và có tuổi thọ trung bình khoảng 25 - 30 năm Tùy yêu cầu về công suất, điện thế và dòng điện mà các môđun PMT được ghép nối tiếp, song song hay hỗn hợp Hàng ngày khi có ánh sáng mặt trời chiếu vào

dàn Pin mặt trời thì dàn pin mặt trời sẽ phát ra dòng điện một chiều Công suất phát của dàn pin tỷ lệ thuận với cường độ bức xạ Mặt trời

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

tiếp, song song hay hỗn hợp Nhiệm vụ của nó là tích trữ điện năng để cung cấp cho các thiết bị tiêu thụ điện hay còn gọi là các tải Trong thời gian không có ánh sáng Mặt trời (ban đêm, những hôm trời mưa ) Dung lượng của ắc quy (đo bằng Ah hay Wh) phải được tính toán phù hợp với công suất dàn pin Mặt trời

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

hòa các quá trình dàn Pin mặt trời nạp điện cho bộ ắc quy cấp điện cho các tải

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

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

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

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

dụng điện 220V, 50Hz)

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

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

Trong thực tế chúng ta đã gặp rất nhiều nguồn điện Mặt trời độc lập Công nghệ nguồn loại này thường được ứng dụng cho các khu vực không có lưới điện

công nghiệp hoặc cho các tải tiêu thụ đặc biệt, công suất nhỏ Nhược điểm của công nghệ nguồn độc lập là phải dùng bộ ắc quy, vừa đắt tiền, vừa phải chăm sóc thường xuyên và vừa gây ô nhiễm môi trường Mặt khác bộ ắc quy cũng chỉ tích được một lượng điện năng có hạn, còn với các dàn pin mặt trời hàng chục hay hàng trăm kW thì sử dụng ắc quy tích điện là một vấn đề khó khăn rất lớn, thậm chí là không thể

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

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

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

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

Ví dụ, ở các nước Nhật Bản, Đức, Mỹ… trên mái nhà mỗi gia đình người ta lắp một dàn pin mặt trời có công suất 3,5 đến 4 kWp Ban ngày dàn pin hấp thu năng lượng Mặt trời và phát điện Nhờ bộ biến đổi điện và hệ thống dây điện của dàn pin được tải lên lưới (qua một công tơ để chi số điện năng phát lên lưới) Khi dùng điện người ta lấy điện từ lưới qua một công tơ thứ hai Hàng tháng người ta lấy số chỉ của các công tơ và sẽ biết chủ hộ được nhận tiền điện (nếu số chỉ của công tơ sử dụng ít hơn số chỉ của công tơ phát lên lưới) hay phải trả thêm tiền điện (nếu ngược lại) từ các công ty điện

2.2 LÝ THUYẾT HỆ THỐNG ĐIỆN SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI NỐI LƯỚI

Hình 2.2 trình bày tổng quan về hệ thống điện Năng lượng Mặt trời nối lưới

Bộ đóng cắt mềm PS

~

=

Boost Converter

ắc quy

controller

các tín hiệu phản hồi dòng, áp, tốc độ

các giá trị đặt

Bộ đóng cắt mềm l-ới

quang điện

Cỏc pin năng lượng mặt trời cú nhiều ứng dụng Chỳng đặc biệt thớch hợp cho cỏc vựng mà điện năng trong mạng lưới chưa vươn tới, cỏc vệ tinh quay xung quanh quỹ đạo trỏi đất, mỏy tớnh cầm tay, cỏc mỏy điện thoại cầm tay từ

xa, thiết bị bơm nước Pin năng lượng mặt trời (tạo thành cỏc module hay cỏc tấm năng lượng mặt trời) xuất hiện trờn núc cỏc tũa nhà nơi chỳng cú thể kết nối với bộ chuyển đổi của mạng lưới điện

Hiệu suất là tỉ số của năng lượng điện từ ỏnh sỏng mặt trời Vào buổi trưa một ngày trời trong, ỏnh mặt trời tỏa nhiệt khoảng 1000 W/m² Trong đú, 10%

hiệu suất của 1module 1m² cung cấp năng lượng khoảng 100 W Hiệu suất của pin mặt trời thay đổi từ 6% từ pin mặt trời làm từ Silic không thù hình, và có thể

lên đến 30% hay cao hơn nữa

Pin mặt trời được sản xuất và ứng dụng phổ biến hiện nay là các pin mặt trời được chế tạo từ vật liệu tinh thể bán dẫn Silicon (Si) có hoá trị 4 Từ tinh thể Si tinh khiết, để có vật liệu tinh thể bán dẫn Si loại n, người ta pha tạp chất Donor là Photpho (P) có hoá trị 5 Còn để có vật liệu bán dẫn tinh thể loại p thì tạp chất Acceptor được dùng để pha vào Si là Bo có hoá trị 3 Đối với pin mặt trời từ vật liệu tinh thể Si khi được chiếu sáng thì hiệu điện thế hở mạch giữa hai cực vào khoảng 0,55V, còn dòng ngắn mạch của nó dưới bức xạ mặt trời 1000W/m2 vào khoảng (25 30) mA/cm3 Hiện nay cũng đã có các pin mặt trời bằng vật liệu Si vô định hình (a-Si) Pin mặt trời a-Si có ưu điểm là tiết kiệm được vật liệu trong sản xuất do đó có thể có giá thành rẻ hơn Tuy nhiên, so với pin mặt trời tinh thể thì hiệu suất biến đổi quang điện của nó thấp và kém ổn định khi làm việc ngoài trời

Khi được chiếu sáng, nếu nối các bán dẫn P và N của một tiếp xúc P-N bằng một dây dẫn thì pin Mặt trời phát ra một dòng quang điện Iph Vì vậy trước hết pin mặt trời có thể xem tương đương như một nguồn dòng

Lớp tiếp xúc bán dẫn P-N có tính chỉnh lưu tương đương với một Điốt Tuy nhiên khi phân cực ngược, do điện trở lớp tiếp xúc có giới hạn, nên vẫn có một dòng điện được gọi là dòng dò qua nó Đặc trưng cho dòng dò qua lớp tiếp xúc P-N người ta đưa vào đại lượng điện trở sơn Rsh

Khi dòng quang điện chạy trong mạch, nó phải đi qua lớp bán dẫn P và N, các điện cực, các tiếp xúc,… Đặc trưng cho tổng các điện trở của các lớp đó là một điện trở Rs nối tiếp trong mạch (có thể coi là điện trở trong của pin mặt trời)

Sơ đồ điện tương đương của Pin mặt trời: