Nghiên cứu điều khiển tối ưu công suất cho hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới

TÓM TẮTLuận văn tập trung các vấn đề liên quan đến “Nghiên cứu điều khiển tối ưu công suất cho hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới” bao gồm các nội dung như sau: - Chương 1: Giới

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

-

LƯƠNG HOÀNG NAM

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT CHO HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG

MẶT TRỜI NỐI LƯỚI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số ngành: 60520202

TP Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2016

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

-

LƯƠNG HOÀNG NAM

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT CHO HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG

MẶT TRỜI NỐI LƯỚI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: HUỲNH CHÂU DUY

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP HCM ngày 25 tháng 9 năm 2016

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá sau khi Luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

PHÒNG QLKH – ĐTSĐH Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Tp.HCM, ngày tháng 6 năm 2016

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngày, tháng, năm sinh: 06/6/1973 Nơi sinh: Tỉnh Đồng Tháp

I- Tên đề tài:

“NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT CHO HỆ THỐNG ĐIỆN

NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI NỐI LƯỚI”

II- Nhiệm vụ và nội dung:

- Tổng quan tình hình khai thác và sử dụng năng lượng điện mặt trời trên thế giới và tại Việt Nam

- Nghiên cứu pin quang điện và các đặc tính V-I và V-P của nó

- Nghiên cứu thuật toán điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ pin quang điện

- Nghiên cứu nối lưới hệ thống điện năng lượng mặt trời

III- Ngày giao nhiệm vụ:

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ:

V- Cán bộ hướng dẫn: TS HUỲNH CHÂU DUY

CÁN BỘ HUỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

LỜI CAM ÐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng Tôi Các số liệu

và kết quả nghiên cứu được trình bày trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố ở bất kỳ đâu

Tôi xin cam đoan mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã được cảm ơn

Tôi cũng xin cam đoan các nội dung tham khảo trong Luận văn đã được trích dẫn đầy đủ nguồn gốc

Học viên thực hiện Luận văn

Lương Hoàng Nam

LỜI CÁM ƠN Đầu tiên, xin chân thành cám ơn Thầy TS HUỲNH CHÂU DUY đã tận

tình hướng dẫn, giúp đỡ và đóng góp những ý kiến quý báu cho quá trình thực hiện Luận văn này

Xin cám ơn quý Thầy, Cô đã trang bị cho Tôi các kiến thức quý báu trong quá trình học tập giúp Tôi đủ năng lực để thực hiện Luận văn này

Xin cảm ơn tập thể lớp 14SMĐ21 đã động viên và giúp đỡ Tôi trong quá trình thực hiện Luận văn này

Cuối cùng, xin cám ơn Trường Đại học Công nghệ Tp HCM; Khoa Cơ - Điện - Điện tử; Phòng Quản lý Khoa học - Đào tạo sau Đại học và Cơ quan nơi Tôi đang công tác đã tạo các điều kiện tốt nhất cho tôi thực hiện Luận văn này

Lương Hoàng Nam

TÓM TẮTLuận văn tập trung các vấn đề liên quan đến “Nghiên cứu điều khiển tối

ưu công suất cho hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới” bao gồm các

nội dung như sau:

- Chương 1: Giới thiệu chung

- Chương 2: Tổng quan tình hình nghiên cứu và khai thác nguồn năng lượng

điện mặt trời và pin quang điện

- Chương 3: Pin quang điện và hệ thống pin quang điện kết nối lưới

- Chương 4: Thuật toán bám điểm công suất cực đại

- Chương 5: Mô phỏng điều khiển tối ưu công suất và kết nối lưới của một hệ

thống điện năng lượng mặt trời

- Chương 6: Kết luận và hướng phát triển tương lai

ABSTRACT

The thesis presents issues relating to "Maximum power point tracking control of a grid-connected solar energy systems" that includes the following contents:

- Chapter 1: Introduction

- Chapter 2: Literature review of the exploitation and utilization of the solar

energy source and photovoltaic cell

- Chapter 3: Photovoltaic cell and grid-connected solar photovoltaic system

- Chapter 4: Algorithms for maximum power point tracking

- Chapter 5: Simulation results of a grid-connected solar energy system

with maximum power point tracking

- Chapter 6: Conclusions and future works

MỤC LỤC

LỜI CAM ÐOAN i

LỜI CÁM ƠN ii

TÓM TẮT iii

ABSTRACT iv

MỤC LỤC v

DANH SÁCH HÌNH VẼ viii

DANH SÁCH BẢNG xiii

CHƯƠNG 1 - GIỚI THIỆU CHUNG 1

1.1 Giới thiệu 1

1.2 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 2

1.3 Tính cấp thiết của đề tài 2

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

1.5 Ý nghĩa của đề tài 3

1.5.1 Ý nghĩa khoa học 3

1.5.2 Ý nghĩa thực tiễn 3

1.6 Phương pháp nghiên cứu 4

1.7 Bố cục của luận văn 4

CHƯƠNG 2 - TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ KHAI THÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI VÀ PIN QUANG ĐIỆN 5

2.1 Cấu trúc mặt trời 5

2.2 Quỹ đạo của trái đất quanh mặt trời 7

2.3 Góc cao độ của mặt trời vào buổi trưa 8

2.4 Bức xạ mặt trời 10

2.5 Ứng dụng năng lượng mặt trời 14

2.5.1 Pin mặt trời 15

2.5.2 Nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời 16

2.5.3 Động cơ Stirling chạy bằng năng lượng mặt trời 17

2.5.4 Thiết bị đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời 18

2.5.5 Thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí dùng năng lượng mặt trời 19

2.6 Tình hình khai thác năng lượng mặt trời tại Việt Nam 20

2.7 Tổng quan tình hình nghiên cứu 24

CHƯƠNG 3 - PIN QUANG ĐIỆN VÀ HỆ THỐNG PIN QUANG ĐIỆN KẾT NỐI LƯỚI 28

3.1 Giới thiệu 28

3.2 Sơ đồ thay thế đơn giản của PV 30

3.3 Sơ đồ thay thế của PV có xét đến các tổn hao 32

3.4 Module PV 32

3.5 Mảng PV 34

3.5.1 Nối nối tiếp nhiều module PV 34

3.5.2 Nối song song nhiều module PV 34

3.5.3 Nối hỗn hợp nhiều module PV 35

3.6 Các ảnh hưởng đến PV 35

3.6.1 Ảnh hưởng của cường độ chiếu sáng 35

3.6.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ 36

3.6.3 Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm 37

3.7 Các hệ thống PV ứng dụng 41

3.7.1 Hệ thống PV độc lập 41

3.7.2 Hệ thống PV kết nối lưới 41

3.8 Cấu hình DC/DC - DC/AC 47

3.8.1 Bộ biến đổi DC/DC 47

3.8.2 Bộ biến đổi DC/AC 51

CHƯƠNG 4 - THUẬT TOÁN BÁM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI 61

4.1 Giới thiệu 61

4.2 Thuật toán P&O (Perturbation & Observation) 62

4.3 Thuật toán điện dẫn gia tăng (InC - Incremental Conductance) 66

4.4 Thuật toán điện áp hằng số 68

4.5 Phương pháp điều khiển MPPT 70

4.5.1 Phương pháp điều khiển PI 70

4.5.2 Phương pháp điều khiển trực tiếp 71

4.5.3 Phương pháp điều khiển đo trực tiếp tín hiệu ra 73

4.6 Đề xuất thuật toán bám điểm công suất cực đại 74

CHƯƠNG 5- MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT VÀ KẾT NỐI LƯỚI CỦA MỘT HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 76

5.1 Giới thiệu 76

5.2 Mô phỏng pin quang điện 77

5.3 Khối DC/DC MPPT 81

5.4 Kết quả mô phỏng tương ứng với điều kiện bức xạ thay đổi và nhiệt độ không đổi 81

5.4.1 Điều kiện bức xạ, G = 1 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C 81

5.4.2 Điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C 85

5.4.3 Điều kiện bức xạ, G = 0,6 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C 87

5.5 Kết quả mô phỏng tương ứng với điều kiện bức xạ không đổi và nhiệt độ thay đổi 90

5.5.1 Điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 150C 90

5.5.2 Điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C 93

5.5.3 Điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 300C 95

5.5.4 Điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 350C 98

CHƯƠNG 6 - KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN TƯƠNG LAI 102

6.1 Kết luận 102

6.2 Hướng phát triển tương lai 102

Tài liệu tham khảo 103

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 2.1 Cấu trúc của mặt trời 5

Hình 2.2 Quỹ đạo trái đất quay quanh mặt trời 8

Hình 2.3 Quỹ đạo trái đất 9

Hình 2.4 Góc cao độ mặt trời 9

Hình 2.5 Dải bức xạ điện từ 10

Hình 2.6 Góc nhìn mặt trời 11

Hình 2.7 Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển của trái đất 13

Hình 2.8 Hệ thống pin mặt trời 15

Hình 2.9 Nhà máy điện mặt trời 16

Hình 2.10 Tháp năng lượng mặt trời 17

Hình 2.11 Động cơ Stirling dùng năng lượng mặt trời 17

Hình 2.12 Hệ thống cung cấp nước nóng dùng năng lượng mặt trời 19

Hình 2.13 Hệ thống máy lạnh dùng năng lượng mặt trời 20

Hình 3.1 Phổ năng lượng mặt trời 28

Hình 3.2 Nguyên tắc chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện của PV 29

Hình 3.3 Mô hình đơn giản của PV 30

Hình 3.4 Sơ đồ thay thế đơn giản của PV 30

Hình 3.5 Các tham số quan trọng của PV: dòng điện ngắn mạch, Isc và điện áp hở mạch, Voc 31

Hình 3.6 Mô hình thay thế PV có xét đến các tổn hao 32

Hình 3.7 Đặc tính PV có xét đến các ảnh hưởng của Rs và Rp 32

Hình 3.8 Module PV 33

Hình 3.9 Đặc tính của module PV 33

Hình 3.10 Các module PV được kết hợp nối tiếp với nhau 34

Hình 3.11 Các module PV được kết hợp song song với nhau 34

Hình 3.12 Các module PV được kết hợp hỗn hợp với nhau 35

Hình 3.13 Đặc tuyến V-I của PV với các cường độ chiếu sáng khác nhau và

nhiệt độ PV không đổi, 250C 36

Hình 3.14 Đặc tuyến V-I của PV với các nhiệt độ khác nhau và cường độ chiếu sáng không đổi 1 kW/m2 36

Hình 3.15 Module PV với n PV trong trường hợp module không bị che khuất 37 Hình 3.16 Module PV với n PV trong trường hợp module bị che khuất một phần 37

Hình 3.17 Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm đối với module PV 38

Hình 3.18 Module PV với nhiều PV bị che khuất 39

Hình 3.19 Module PV sử dụng diode bypass 39

Hình 3.20 Đặc tính của PV trong trường hợp sử dụng diode bypass 40

Hình 3.21 Đánh giá so sánh giữa các trường hợp có và không có diode bypass40 Hình 3.22 Hệ thống PV kết nối lưới 41

Hình 3.23 Hệ thống PV độc lập 43

Hình 3.24 Hệ thống PV kết hợp 44

Hình 3.25 Sơ đồ pha của hệ PV kết nối với lưới điện 44

Hình 3.26 Hệ PV kết nối lưới điện đơn giản 45

Hình 3.27 Sơ đồ khối mô tả hệ PV kết nối lưới 46

Hình 3.28 Kiểu máy biến áp tần số thấp và cao 46

Hình 3.29 Kiểu không cách ly bằng máy biến áp 47

Hình 3.30 Các bộ biến đổi DC-DC chuyển mạch cổ điển 48

Hình 3.31 Bộ biến đổi Buck-Boost 48

Hình 3.32 Sơ đồ xung kích, dòng tải và dòng qua cuộn cảm 50

Hình 3.33 Sơ đồ nghịch lưu 3 pha hòa lưới 51

Hình 3.34 Bộ điều khiển nghịch lưu 3 pha hòa lưới 52

Hình 3.35 Sơ đồ hệ thống điều khiển PLL 53

Hình 3.36 Tín hiệu ngõ ra VCO 54

Hình 3.37 Sơ đồ thực hiện bộ PLL 3 pha 55

Hình 3.38 Hệ trục tọa độ  56

Hình 3.39 Hệ trục tọa độ dq 58

Hình 3.40 Toàn bộ hệ thống nghịch lưu hòa lưới sử dụng PLL 59

Hình 4.1 Quan hệ điện áp và dòng điện của PV 61

Hình 4.2 Thuật toán P&O khi tìm điểm làm việc có công suất lớn nhất 62

Hình 4.3 Lưu đồ thuật toán P&O 64

Hình 4.4 Sự thay đổi điểm MPP theo gia tăng bức xạ 65

Hình 4.5 Thuật toán InC 66

Hình 4.6 Lưu đồ thuật toán InC 68

Hình 4.7 Lưu đồ thuật toán điện áp không đổi 69

Hình 4.8 Sơ đồ khối phương pháp điều khiển MPPT sử dụng bộ bù PI 70

Hình 4.9 Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển trực tiếp MPPT 71

Hình 4.10 Mối quan hệ giữa tổng trở vào Rin và hệ số làm việc D 73

Hình 5.1 Sơ đồ hệ thống điện năng lượng mặt trời bám điểm công suất cực đại và nối lưới 76

Hình 5.2 Sơ đồ mô phỏng hệ thống điện năng lượng mặt trời bám điểm công suất cực đại và nối lưới 77

Hình 5.3 Hệ pin quang điện (10 nối tiếp x 02 song song) 78

Hình 5.4 Hệ pin quang điện tương ứng với các điều kiện bức xạ, G (kW/m2) và nhiệt độ, T (0C) khác nhau 78

Hình 5.5 Lưới 3 pha điện áp 220 V và tần số 50 Hz 79

Hình 5.6 Đặc tuyến V-I tương ứng với các điều kiện bức xạ 1 kW/m2; 0,8 kW/m2 và 0,6 kW/m2 và nhiệt độ môi trường 250C 80

Hình 5.7 Đặc tuyến V-P tương ứng với các điều kiện bức xạ 1 kW/m2; 0,8 kW/m2 và 0,6 kW/m2 và nhiệt độ môi trường 250C 80

Hình 5.8 Bộ biến đổi DC/DC và bám điểm công suất cực đại (MPPT) 81

Hình 5.9 Điện áp, Vdc 82

Hình 5.10 Cường độ dòng điện của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều kiện bức xạ G = 1 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250 C 82

Hình 5.11 Điện áp của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều kiện bức xạ G = 1 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C 83

Hình 5.12 Công suất của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều kiện bức xạ G = 1 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C 84

Hình 5.13 Cường độ dòng điện của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương

ứng với điều kiện bức xạ G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C 85 Hình 5.14 Điện áp của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều

kiện bức xạ G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250

C 85 Hình 5.15 Công suất của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều

kiện bức xạ G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250

C 86 Hình 5.16 Cường độ dòng điện của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương

ứng với điều kiện bức xạ G = 0,6 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C 87 Hình 5.17 Công suất của hệ PV sử dụng thuật toán P&O và P&O thích nghi

với G thay đổi bậc thang 88 Hình 5.18 Công suất của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều

kiện bức xạ G = 0,6 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250

C 88 Hình 5.19 Đặc tuyến V-P tương ứng với các điều kiện bức xạ 0,8 kW/m2 và

nhiệt độ môi trường 150C 90 Hình 5.20 Cường độ dòng điện của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương

ứng với điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 150C 90 Hình 5.21 Điện áp của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều

kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 150C 91 Hình 5.22 Công suất của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều

kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 150

C 92 Hình 5.23 Cường độ dòng điện của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương

ứng với điều kiện bức xạ G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C 93 Hình 5.24 Điện áp của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều

kiện bức xạ G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C 93 Hình 5.25 Công suất của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều

kiện bức xạ G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250

C 94 Hình 5.26 Đặc tuyến V-P tương ứng với các điều kiện bức xạ 0,8 kW/m2 và

nhiệt độ môi trường 300C 95 Hình 5.27 Cường độ dòng điện của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương

ứng với điều kiện bức xạ G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 300C 95

Hình 5.28 Điện áp của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều

kiện bức xạ G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 300C 96 Hình 5.29 Công suất của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều

kiện bức xạ G = 0,8 kW/m2

và nhiệt độ, T = 300C 97 Hình 5.30 Đặc tuyến V-P tương ứng với các điều kiện bức xạ 0,8 kW/m2 và

nhiệt độ môi trường 350

C 98 Hình 5.31 Cường độ dòng điện của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương

ứng với điều kiện bức xạ G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 350C 98 Hình 5.32 Điện áp của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều

kiện bức xạ G = 0,8 kW/m2

và nhiệt độ, T = 350C 99 Hình 5.33 Công suất của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều

kiện bức xạ G = 0,8 kW/m2

và nhiệt độ, T = 350C 100

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 2.1 Bảng ngày số n của ngày đầu tiên của mỗi tháng 8 Bảng 2.2 Bảng thống kê góc  của ngày 21 mỗi tháng 9 Bảng 2.3 Tiềm năng năng lượng mặt trời tại Việt Nam 21 Bảng 3.1 Bảng phân loại tuần hoàn trích lược với tinh thể Silicon thuộc nhóm

IV 29 Bảng 4.1 Bảng tóm tắt thuật toán leo đồi P&O 63 Bảng 5.1 Thông số của 01 PV và hệ với 10 PV 78 Bảng 5.2 So sánh các kết quả mô phỏng tương ứng với điều kiện bức xạ thay

đổi, G = 1; 0,8 và 0,6 kW/m2; nhiệt độ, T = 250C không thay đổi 89 Bảng 5.3 So sánh các kết quả mô phỏng tương ứng với điều kiện nhiệt độ thay

đổi khác nhau, T = 15; 25; 30 và 350C; và bức xạ, G = 0,8 kW/m2 không thay đổi 101

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Giới thiệu

Ngành năng lượng điện của Việt Nam và thế giới hiện đang gặp phải những khó khăn như: nhu cầu năng lượng ngày càng tăng nhanh; sự khan hiếm của các nguồn nhiên liệu hóa thạch; sức ép phải giảm thải khí CO2 do ảnh hưởng đến môi trường Điều này đã thúc đẩy các nỗ lực tìm kiếm nguồn năng lượng khác thay thế bên cạnh việc sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả

Việt Nam có vị trí địa lý nằm gần xích đạo, có số giờ nắng trung bình 2.000 giờ/năm ở hầu hết các tỉnh Tại các khu vực đô thị lớn, tiềm năng năng lượng mặt trời có thể đạt 4,08 - 5,15 kWh/m2/ngày Điều này chứng tỏ rằng điều kiện tự nhiên của Việt Nam rất thuận lợi cho sự phát triển và sử dụng các năng lượng tái tạo nói chung và năng lượng mặt trời nói riêng Ngoài ra, có thể nhận thấy rằng năng lượng mặt trời là một trong những nguồn năng lượng có độ tin cậy cao, có thể dự đoán được và đặc biệt là có năng suất rất cao vào những giờ cao điểm về tiêu thụ điện Các nguồn năng lượng tái tạo nói chung và năng lượng mặt trời nói riêng ngày càng có tầm quan trọng hơn Tuy nhiên, do đặc thù riêng trong việc áp dụng nên phần lớn các công nghệ năng lượng mặt trời vẫn có giá khá cao và vẫn cần các biện pháp trợ giá để thúc đẩy phát triển trong tương lai Điều này thôi thúc các nhà khoa học không ngừng tìm tòi để nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn năng lượng này Bên cạnh đó, việc kết nối lưới hệ thống điện năng lượng mặt trời cũng là một trong các giải pháp được xem xét cho bài toán lưu trữ năng lượng điện mặt trời mà đang phải gánh chịu các chỉ trích mạnh mẽ liên quan đến ô nhiễm môi trường khi con người sử dụng các phương án lưu trữ thông qua ắc-quy

Với các phân tích trên, cho thấy rằng giải pháp “Nghiên cứu điều khiển tối ưu

công suất cho hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới” cũng không nằm ngoài

mục tiêu chung đó, nhằm cung cấp công suất điện tối đa trong mọi điều kiện môi trường và đặc biệt hơn là hệ thống điện năng lượng mặt trời này sẽ được nối lưới

1.2 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

Đề tài “Nghiên cứu điều khiển tối ưu công suất cho hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới” sẽ được thực hiện với các mục tiêu và nội dung như sau:

- Khảo sát tình hình khai thác và sử dụng năng lượng điện mặt trời trên thế giới và tại Việt Nam

- Nghiên cứu pin quang điện và các đặc tính V-I và V-P của nó

- Nghiên cứu thuật toán điều khiển tối ưu công suất một hệ thống điện năng lượng mặt trời thông qua PV

- Nghiên cứu nối lưới hệ thống điện năng lượng mặt trời

1.3 Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay, nguồn điện để phát triển kinh tế xã hội tại Việt Nam phụ thuộc rất lớn vào nguồn nhiệu liệu hóa thạch và khí chiếm 53,61%, và nguồn thủy điện chiếm 46,08% Tuy nhiên, nguồn điện sử dụng từ nguồn nhiên liệu hóa thạch và khí ngày càng cạn kiệt, giá thành cao; đối với nguồn thủy điện thì có diễn biến rất thất thường do biến đổi khí hậu toàn cầu Từ đó, năng lượng tái tạo nổi lên như một nguồn năng lượng thay thế tất yếu trong hiện tại và tương lai

Nhận thức được tầm quan trọng, lợi thế và lợi ích của các nguồn năng lượng tái tạo trước nhu cầu tiêu thụ điện ngày càng tăng phục vụ phát triển kinh tế, theo

dự báo tăng trưởng điện thương phẩm tại Việt Nam bình quân từ 10,5 - 11%, gần đây Chính phủ Việt Nam đã xem xét việc nghiên cứu, khảo sát, khuyến khích phát triển năng lượng mới và năng lượng tái tạo

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là một hệ thống pin quang điện mặt trời, một mảng gồm nhiều mô-đun với mỗi mô-đun có nhiều tế bào pin mặt trời kết nối với nhau theo một cấu hình cụ thể

Phạm vi nghiên cứu của đề tài là tìm điểm công suất cực đại của hệ thống điện năng lượng mặt trời dưới các điều kiện bức xạ và nhiệt độ khác nhau sao cho có thể

tối ưu hóa năng lượng thu được Đồng thời, hệ thống điện năng lượng mặt trời này

sẽ được nghiên cứu để kết nối với lưới điện

1.5 Ý nghĩa của đề tài

1.5.1 Ý nghĩa khoa học

Hiện nay, có nhiều đề tài nghiên cứu về kỹ thuật điều khiển bám điểm công suất cực đại (MPPT) cho hệ thống pin quang điện mặt trời Trên cơ sở đó, các thuật toán tìm kiếm điểm công suất cực đại lần lượt được đề xuất như thuật toán P&O (Perturbation and Observation), thuật toán InC (Incremental Conductance), thuật toán dựa trên kỹ thuật logic mờ, thuật toán dựa trên mạng nơ-rôn,

Đề tài khai thác ưu điểm của các thuật toán trên đề xuất một thuật toán bám điểm công suất cực đại theo một cách tiếp cận cải tiến nhằm nâng cao hiệu quả bám điểm công suất cực đại so với các thuật toán khác đang sử dụng

Đồng thời, giải pháp kết nối hệ thống điện năng lượng mặt trời với lưới điện cũng góp phần chia sẻ gánh nặng về khả năng cung cấp điện của các nguồn điện truyền thống mà hoàn toán phù hợp với Quyết định số 2068/QĐ-TTg của Thủ tướng chính phủ về phê duyệt chiến lược phát triển năng lượng tái tạo của Việt Nam đến năm 2030, tầm nhìn đến năm 2050, trong đó liên quan trực tiếp đến định hướng phát triển nguồn năng lượng mặt trời để cung cấp điện cho hệ thống điện quốc gia

và khu vực biên giới, hải đảo, vùng sâu, vùng xa chưa thể cấp điện từ nguồn điện lưới quốc gia [1]

1.6 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu các tài liệu về điều khiển tối ưu và kết nối lưới của một hệ thống

điện năng lượng mặt trời của Việt Nam và các nước trên thế giới

Phân tích, tổng hợp và đề xuất các thuật toán điều khiển tối ưu và kết nối lưới

của một hệ thống điện năng lượng mặt trời

1.7 Bố cục của luận văn

Bố cục của luận văn gồm 6 chương:

- Chương 1: Giới thiệu chung

- Chương 2: Tổng quan tình hình nghiên cứu và khai thác nguồn năng lượng điện

mặt trời và pin quang điện

- Chương 3: Pin quang điện và hệ thống pin quang điện kết nối lưới

- Chương 4: Thuật toán bám điểm công suất cực đại

- Chương 5: Mô phỏng điều khiển tối ưu công suất và kết nối lưới của một hệ

thống điện năng lượng mặt trời

- Chương 6: Kết luận và hướng phát triển tương lai

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ KHAI THÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI VÀ

PIN QUANG ĐIỆN2.1 Cấu trúc mặt trời [2]

Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1,390.106

km (lớn hơn 110 lần đường kính Trái đất), cách xa trái đất 150.106 km (bằng một đơn vị thiên văn

AU ánh sáng Mặt trời cần khoảng 8 phút để vượt qua khoảng này đến Trái đất) Khối lượng Mặt trời khoảng M0 =2.1030 kg Nhiệt độ T0 trung tâm mặt trời thay đổi trong khoảng từ 10.106 0K đến 20.106 0K, trung bình khoảng 15.600.000

0K Ở nhiệt độ như vậy vật chất không thể giữ được cấu trúc trật tự thông thường gồm các nguyên tử và phân tử Nó trở thành plasma trong đó các hạt nhân của nguyên tử chuyển động tách biệt với các electron Khi các hạt nhân tự do có va chạm với nhau sẽ xuất hiện những vụ nổ nhiệt hạch Khi quan sát tính chất của vật chất nguội hơn trên bề mặt nhìn thấy được của Mặt trời, các nhà khoa học đã kết luận rằng có phản ứng nhiệt hạch xảy ra ở trong lòng Mặt trời

Hình 2.1 Cấu trúc của mặt trời

Về cấu trúc, Mặt trời có thể chia làm 4 vùng, tất cả hợp thành một khối cầu khí khổng lồ, hình 2.1 Vùng giữa gọi là nhân hay “lõi” có những chuyển động đối lưu, nơi xảy ra những phản ứng nhiệt hạt nhân tạo nên nguồn năng lượng mặt trời, vùng

này có bán kính khoảng 175.000 km, khối lượng riêng 160 kg/dm3

, nhiệt độ ước tính từ 14 đến 20 triệu độ, áp suất vào khoảng hàng trăm tỷ atmotphe

Vùng kế tiếp là vùng trung gian còn gọi là vùng “đổi ngược” qua đó năng lượng truyền từ trong ra ngoài, vật chất ở vùng này gồm có sắt (Fe), canxi (Ca), natri (Na), stronti (Sr), crôm (Cr), niken (Ni), cacbon ( C), silic (Si) và các khí như hiđrô (H2), hêli (He), chiều dày vùng này khoảng 400.000 km Tiếp theo là vùng

“đối lưu” dày 125.000 km và vùng “quang cầu” có nhiệt độ khoảng 6.000 0

K, dày 1.000 km, ở vùng này gồm các bọt khí sôi sục, có chỗ tạo ra các vết đen, là các hố xoáy có nhiệt độ thấp khoảng 4.500 0K và các tai lửa có nhiệt độ từ 7.000 0

K 10.000 0K

-Vùng ngoài cùng là vùng bất định và gọi là “khí quyển” của Mặt trời Nhiệt độ

bề mặt của Mặt trời là 5.762 0K nghĩa là có giá trị đủ lớn để các nguyên tử tồn tại trong trạng thái kích thích, đồng thời đủ nhỏ để ở đây thỉnh thoảng lại xuất hiện những nguyên tử bình thường và các cấu trúc phân tử Dựa trên cơ sở phân tích các phổ bức xạ và hấp thụ của Mặt trời người ta xác định được rằng trên mặt trời có ít nhất 2/3 số nguyên tố tìm thấy trên Trái đất Nguyên tố phổ biến nhất trên Mặt trời

là nguyên tố nhẹ nhất Hydrogen Vật chất của Mặt trời bao gồm khoảng 73,46% là Hydrogen và gần 24,85% là Hêlium, còn lại là các nguyên tố và các chất khác như Oxygen 0,77%, Carbon 0,29%, Iron 0,16%, Neon 0,12%, Nitrogen 0,09%, Silicon 0,07%, Magnesium 0,05% và Sulphur 0,04%

Nguồn năng lượng bức xạ chủ yếu của Mặt trời là do phản ứng nhiệt hạch tổng hợp hạt nhân Hyđrô, phản ứng này đưa đến sự tạo thành Hêli Hạt nhân của Hyđrô

có một hạt mang điện dương là proton Thông thường những hạt mang điện cùng dấu đẩy nhau, nhưng ở nhiệt độ đủ cao chuyển động của chúng sẽ nhanh tới mức chúng có thể tiến gần tới nhau ở một khoảng cách mà ở đó có thể kết hợp với nhau dưới tác dụng của các lực hút Khi đó cứ 4 hạt nhân Hyđrô lại tạo ra một hạt nhân Hêli, 2 Neutrino và một lượng bức xạ

Trong quá trình diễn biến của phản ứng có một lượng vật chất của Mặt trời bị mất đi Khối lượng của Mặt trời do đó mỗi giây giảm chừng 4.106 tấn, tuy nhiên theo các nhà nghiên cứu, trạng thái của Mặt trời vẫn không thay đổi trong thời gian hàng tỷ năm nữa Mỗi ngày Mặt trời sản xuất một nguồn năng lượng qua phản ứng nhiệt hạch lên đến 9.1024 kWh (tức là chưa đầy một phần triệu giây Mặt trời đã giải phóng ra một lượng năng lượng tương đương với tổng số điện năng sản xuất trong một năm trên Trái đất)

2.2 Quỹ đạo của trái đất quanh mặt trời [2]

Trái đất quay quanh mặt trời theo quỹ đạo hình elip, một vòng của trái đất quay quanh mặt trời là 365,25 ngày Điểm mà tại đó trái đất gần mặt trời nhất gọi là điểm cận nhật, xảy ra vào ngày 2 tháng 1 lúc này nó cách mặt trời khoảng 147 triệu

km Điểm mà tại đó trái đất xa mặt trời nhất xảy ra vào ngày 3 tháng 7, lúc đó nó cách mặt trời khoảng 152 triệu km

km

n d

*5

Bảng 2.1 Bảng ngày số n của ngày đầu tiên của mỗi tháng

Tháng Một Hai Ba Bốn Năm Sáu Bảy Tám Chín Mười Mười

một

Mười hai

n 1 32 60 91 121 152 182 213 244 274 305 335

2.3 Góc cao độ của mặt trời vào buổi trưa [2]

Chúng ta đều biết mặt trời mọc ở hướng đông và lặn ở hướng tây và đạt điểm cao nhất của nó vào thời gian giữa trong ngày Trong hình 2.2 trái đất quay quanh mặt trời, khó có thể xác định góc của mặt trời so với mặt phẳng trái đất

Hình 2.2 Quỹ đạo trái đất quay quanh mặt trời

Một quan điểm khác để thuận tiện cho việc xác định, trong hình 2.3 trái đất là

cố định quay quanh trục Bắc-Nam Mặt trời nằm ở một số nơi trong không gian từ

từ di chuyển lên xuống như tiến độ mùa Vào ngày 21 tháng 6 (hạ chí) mặt trời đạt đến điểm cao nhất của nó và một tia kẻ từ trung tâm của trái đất đến trung tâm của mặt trời tạo thành với mặt phẳng xích đạo một góc bằng 23,45 độ Góc này thay đổi khi trái đất di chuyển và được gọi là góc thiên độ, ký hiệu là δ Nó nằm trong khoảng từ -23,45 độ đến 23,45 độ Và một cách tính xấp xỉ gần đúng cho rằng một năm có 365 ngày và đặt xuân phân vào ngày n = 81, góc δ sẽ được tính:

Bảng 2.2 Bảng thống kê góc δ của ngày 21 mỗi tháng

Tháng Một Hai Ba Bốn Năm Sáu Bảy Tám Chín Mười Mười

một

Mười hai

δ (độ) -20.1 -11.2 0 11.6 20.1 23.4 20.4 11.8 0 -11.8 -20.4 -23.4

Hình 2.3 không thể hiện được quỹ đạo quay của trái đất quanh mặt trời, nhưng

nó lại thích hợp cho việc hiển thị các vĩ độ khác nhau và góc để tính toán thu nhận năng lượng mặt trời, cụ thể đó là góc cao độ βN của mặt trời vào buổi trưa Góc cao

độ là góc giữa tia sáng mặt trời và đường chân trời

là sóng ngắn nhất trong các sóng đó Từ tâm mặt trời đi ra do sự va chạm hoặc tán

xạ mà năng lượng của chúng giảm đi và bây giờ chúng ứng với bức xạ có bước sóng dài Như vậy, bức xạ chuyển thành bức xạ Rơngen có bước sóng dài hơn Gần đến bề mặt mặt trời nơi có nhiệt độ đủ thấp để có thể tồn tại vật chất trong trạng thái nguyên tử và các cơ chế khác bắt đầu xảy ra

Đặc trưng của bức xạ mặt trời truyền trong không gian bên ngoài mặt trời là một phổ rộng trong đó cực đại của cường độ bức xạ nằm trong dải 10-1-10µm và hầu như một nửa tổng năng lượng mặt trời tập trung trong khoảng bước sóng 0,38 - 0,78 μm đó là vùng nhìn thấy của phổ

Hình 2.5 Dải bức xạ điện từ

Chùm tia truyền thẳng từ Mặt trời gọi là bức xạ trực xạ Tổng hợp các tia trực

xạ và tán xạ gọi là tổng xạ Mật độ dòng bức xạ trực xạ ở ngoài lớp khí quyển, tính đối với với 1m2bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ, được tính theo công thức:

4 0



D T  (2.6)

Trong đó:

: Góc nhìn mặt trời

C0=5,67 W/m2.K4: Hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối

T=5762 0K: Nhiệt độ bề mặt mặt (xem giống như vật đen tuyệt đối)

Tia cosmic Tia X

Ánh sáng nhìn thấy

Tia hồng ngoại Gần Xa

Radio Radio Sóng

ngắn

Sóng dài Năng lượng mặt trời

Hình 2.6 Góc nhìn mặt trời

Như vậy:

2 4

2

/ 1353 100

5762 67 5 4

60

* 360

32

* 14 3

* 2

m W

Khi truyền qua lớp khí quyển bao bọc quanh Trái đất, các chùm tia bức xạ bị hấp thụ và tán xạ bởi tầng ôzôn, hơi nước và bụi trong khí quyển, chỉ một phần năng lượng được truyền trực tiếp tới Trái đất Đầu tiên ôxy phân tử bình thường O2phân ly thành ôxy nguyên tử O2 để phá vỡ liên kết phân tử đó, cần phải có các photon bước sóng ngắn hơn 0,18μm, do đó các photon (xem bức xạ như các hạt rời rạc - photon) có năng lượng như vậy bị hấp thụ hoàn toàn Chỉ một phần các nguyên

tử ôxy kết hợp thành các phân tử, còn đại đa số các nguyên tử tương tác với các phân tử ôxy khác để tạo thành phân tử ôzôn O3, ôzôn cũng hấp thụ bức xạ tử ngoại nhưng với mức độ thấp hơn so với ôxy, dưới tác dụng của các photon với bước sóng ngắn hơn 0,32μm, sự phân tách O3thành O2và O xảy ra Như vậy, hầu như toàn bộ năng lượng của bức xạ tử ngoại được sử dụng để duy trì quá trình phân ly và hợp nhất của O2 và O3, đó là một quá trình ổn định Do quá trình này, khi đi qua khí quyển, bức xạ tử ngoại biến đổi thành bức xạ với năng lượng nhỏ hơn

1,7%

β =

320

Các bức xạ với bước sóng ứng với các vùng nhìn thấy và vùng hồng ngoại của phổ tương tác với các phân tử khí và các hạt bụi của không khí nhưng không phá vỡ các liên kết của chúng, khi đó các photon bị tán xạ khá đều theo mọi hướng và một

số photon quay trở lại không gian vũ trụ Bức xạ chịu dạng tán xạ đó chủ yếu là bức

xạ có bước sóng ngắn nhất Sau khi phản xạ từ các phần khác nhau của khí quyển bức xạ tán xạ đi đến chúng ta mang theo màu xanh lam của bầu trời trong sáng và

có thể quan sát được ở những độ cao không lớn Các giọt nước cũng tán xạ rất mạnh bức xạ mặt trời Bức xạ mặt trời khi đi qua khí quyển còn gặp một trở ngại đáng kể nữa đó là do sự hấp thụ của các phần tử hơi nước, khí cácbônic và các hợp chất khác, mức độ của sự hấp thụ này phụ thuộc vào bước sóng, mạnh nhất ở khoảng giữa vùng hồng ngoại của phổ Phần năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới bề mặt trái đất trong những ngày quang đãng (không có mây) ở thời điểm cao nhất vào khoảng 1.000W/m2

địa lý Các mùa hình thành là do sự nghiêng của trục trái đất đối với mặt phẳng quỹ đạo của nó quanh Mặt trời gây ra Góc nghiêng vào khoảng 66,50 và thực tế xem như không đổi trong không gian Sự định hướng như vậy của trục quay trái đất trong chuyển động của nó đối với Mặt trời gây ra những sự dao động quan trọng về

độ dài ngày và đêm trong năm

2.5 Ứng dụng năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời (NLMT) là nguồn năng lượng mà con người biết sử dụng

từ rất sớm, nhưng ứng dụng năng lượng mặt trời vào các công nghệ sản xuất và trên quy mô rộng thì mới chỉ thực sự vào cuối thế kỷ 18 và cũng chủ yếu ở những nước nhiều năng lượng mặt trời, những vùng sa mạc Từ sau các cuộc khủng hoảng năng lượng thế giới năm 1968 và 1973, năng lượng mặt trời càng được đặc biệt quan tâm Các nước công nghiệp phát triển đã đi tiên phong trong việc nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời Các ứng dụng năng lượng mặt trời phổ biến hiện nay bao gồm

2 lĩnh vực chủ yếu:

Thứ nhất là năng lượng mặt trời được biến đổi trực tiếp thành điện năng nhờ các tế bào quang điện bán dẫn, hay còn gọi là Pin mặt trời, các Pin mặt trời sản xuất

ra điện năng một cách liên tục chừng nào còn có bức xạ mặt trời chiếu tới

Lĩnh vực thứ hai đó là sử dụng năng lượng mặt trời dưới dạng nhiệt năng, ở đây, chúng ta dùng các thiết bị thu bức xạ nhiệt mặt trời và tích trữ nó dưới dạng nhiệt năng để dùng vào các mục đích khác nhau

Việt Nam là nước có tiềm năng về NLMT, trải dài từ vĩ độ 80

Bắc đến 230 Bắc, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao, với trị số tổng xạ khá lớn từ 100-175 kcal/cm2.năm Do đó, việc sử dụng NLMT ở nước ta sẽ đem lại hiệu quả kinh tế lớn Thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời ở Việt Nam hiện nay chủ yếu là hệ thống cung cấp điện dùng pin mặt trời, hệ thống nấu cơm có gương phản

xạ, hệ thống cung cấp nước nóng, chưng cất nước dùng NLMT, dùng NLMT chạy các động cơ nhiệt (động cơ Stirling), và ứng dụng NLMT để làm lạnh là đề tài hấp dẫn có tính thời sự đã và đang được nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước nghiên cứu

2.5.1 Pin mặt trời

Hình 2.8 Pin mặt trời

Pin mặt trời là hình thức sản xuất điện trực tiếp từ NLMT qua thiết bị biến đổi quang điện Pin mặt trời có ưu điểm là gọn nhẹ, có thể lắp đặt tại bất kỳ vị trí nào có ánh sáng mặt trời, đặc biệt là trong lĩnh vực tàu vũ trụ

Ứng dụng NLMT dưới dạng này được phát triển với tốc độ rất nhanh, nhất là ở các nước phát triển

Ngày nay, con người đã ứng dụng pin NLMT để chạy xe thay thế dần nguồn năng lượng truyền thống.Tuy nhiên giá thành thiết bị pin mặt trời còn khá cao, trung bình hiện nay khoảng 5USD/WP, nên ở những nước đang phát triển pin mặt trời hiện mới chỉ có khả năng duy nhất là cung cấp năng lượng điện sử dụng cho các vùng sâu, xa nơi mà đường điện quốc gia chưa có.Ở Việt Nam, với sự hỗ trợ của một số tổ chức quốc tế đã thực hiện thành công việc xây dựng các trạm pin mặt trời

có công suất khác nhau phục vụ nhu cầu sinh hoạt và văn hoá của các địa phương vùng sâu, vùng xa, nhất là đồng bằng sông Cửu Long và Tây Nguyên Tuy nhiên hiện nay pin mặt trời vẫn đang còn là món hàng xa xỉ đối với các nước nghèo như chúng ta

2.5.2 Nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời

Hình 2.9 Nhà máy điện mặt trời

Điện năng còn có thể tạo ra từ NLMT dựa trên nguyên tắc tạo nhiệt độ cao bằng một hệ thống gương phản chiếu và hội tụ để gia nhiệt cho môi chất làm việc truyền động cho máy phát điện.Hiện nay trong các nhà máy nhiệt điện sử dụng NLMT có các loại hệ thống bộ thu chủ yếu sau đây:Hệ thống dùng parabol trụ để tập trung tia bức xạ mặt trời vào một ống môi chất đặt dọc theo đường hội tụ của bộ thu, nhiệt độ có thể đạt tới 4000C Hệ thống nhận nhiệt trung tâm bằng cách sử dụng các gương phản xạ có định vị theo phương mặt trời để tập trung NLMT đến bộ thu đặt trên đỉnh tháp cao, nhiệt độ có thể đạt tới trên 1.5000C Hệ thống sử dụng gương parabol tròn xoay định vị theo phương mặt trời để tập trung NLMT vào một bộ thu đặt ở tiêu điểm của gương, nhiệt độ có thể đạt trên 1.5000C

Hình 2.10 Tháp năng lượng mặt trời

2.5.3 Động cơ Stirling chạy bằng NLMT

a)

b)

Hình 2.11 Động cơ Stirling dùng NLMT

Ứng dụng NLMT để chạy các động cơ nhiệt - động cơ Stirling ngày càng được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi dùng để bơm nước sinh hoạt hay tưới cây ở các nông trại Ở Việt Nam động cơ Stirling chạy bằng NLMT cũng đã được nghiên cứu chế tạo để triển khai ứng dụng vào thực tế Như động cơ Stirling, bơm nước dùng năng lượng mặt trời

2.5.4 Thiết bị đun nước nóng bằng NLMT

Ứng dụng đơn giản, phổ biến và hiệu quả nhất hiện nay của NLMT là dùng để đun nước nóng Các hệ thống nước nóng dùng NLMT đã được dùng rộng rãi ở

nhiều nước trên thế giới

Ở Việt Nam hệ thống cung cấp nước nóng bằng NLMT đã và đang được ứng dụng rộng rãi ở Hà Nội, TP HCM và Đà Nẵng Các hệ thống này đã tiết kiệm cho người sử dụng một lượng đáng kể về năng lượng, góp phần rất lớn trong việc thực hiện chương trình tiết kiệm năng lượng của nước ta và bảo vệ môi trường chung của nhân loại

Hệ thống cung cấp nước nóng dùng NLMT hiện nay ở Việt nam cũng như trên thế giới chủ yếu dùng bộ thu cố định kiểu tấm phẳng hoặc dãy ống có cánh nhận nhiệt, với nhiệt độ nước sử dụng 60oC thì hiệu suất của bộ thu khoảng 45%, còn nếu

sử dụng ở nhiệt độ cao hơn thì hiệu suất còn thấp

a)

b)

Hình 2.12 Hệ thống cung cấp nước nóng dùng NLMT

2.5.5 Thiết bị làm lạnh và điều hoà không khí dùng NLMT

Trong số những ứng dụng của NLMT thì làm lạnh và điều hoà không khí là ứng dụng hấp dẫn nhất vì nơi nào khí hậu nóng nhất thì nơi đó có nhu cầu về làm lạnh lớn nhất, đặc biệt là ở những vùng xa xôi héo lánh thuộc các nước đang phát triển không có lưới điện quốc gia vì giá nhiên liệu quá đắt so với thu nhập trung bình của người dân Với các máy lạnh làm việc trên nguyên lý biến đổi NLMT thành điện năng nhờ pin mặt trời là thuận tiện nhất, nhưng trong giai đoạn hiện nay giá thành pin mặt trời còn quá cao Ngoài ra, các hệ thống lạnh còn được sử dụng NLMT dưới dạng nhiệt năng để chạy máy lạnh hấp thụ, loại thiết bị này ngày càng được ứng dụng nhiều trong thực tế Tuy nhiên, hiện nay các hệ thống này vẫn chưa được thương mại hóa và sử dụng rộng rãi vì giá thành còn rất cao và hơn nữa các bộ thu dùng trong các hệ thống này chủ yếu là bộ thu phẳng với hiệu suất còn thấp (dưới 45%) nên diện tích lắp đặt bộ thu cần rất lớn chưa phù hợp với yêu cầu thực

tế Ở Việt Nam cũng đã có một số nhà khoa học nghiên cứu tối ưu hoá bộ thu năng lượng mặt trời kiểu hộp phẳng mỏng cố định có gương phản xạ để ứng dụng trong

kỹ thuật lạnh, với loại bộ thu này có thể tạo được nhiệt độ cao để cấp nhiệt cho máy lạnh hấp thụ, nhưng diện tích mặt bằng cần lắp đặt hệ thống cần phải rộng

Hình 2.13 Hệ thống máy lạnh dùng NLMT

2.6 Tình hình khai thác năng lượng mặt trời tại Việt Nam

Lãnh thổ Việt Nam kéo dài từ 8–230 vĩ Bắc, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao với trị số tổng xạ khá lớn từ 100–175 kcal/cm2.năm

Do đó, việc sử dụng năng lượng mặt trời ở nước ta sẽ đem lại hiệu quả kinh tế lớn Giải pháp sử dụng năng lượng mặt trời hiện đang được cho là giải pháp tối ưu Đây

là nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường và có trữ lượng vô cùng lớn Đồng thời, việc phát triển ngành công nghiệp sản xuất PV sẽ góp phần thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch, giảm phát khí thải nhà kính và bảo vệ môi trường Đây được coi là nguồn năng lượng quý giá, có thể thay thế các dạng năng lượng cũ đang ngày càng cạn kiệt Các quốc gia trên thế giới đã sử dụng năng lượng mặt trời như một giải pháp thay thế những nguồn tài nguyên truyền thống Tuy nhiên, Việt Nam mới chỉ khai thác khoảng 25% nguồn năng lượng tái tạo này Do lãnh thổ của Việt Nam trải dài nên tiềm năng về năng lượng mặt trời ở mỗi vùng cũng khác nhau, có thể chia ra thành 5 vùng với tiềm năng tại mỗi vùng như sau:

Bảng 2.3 Tiềm năng năng lượng mặt trời tại Việt Nam

Năng lượng mặt trời trung bình (kcal/cm 2 năm)

Số giờ nắng trung bình năm (giờ/năm)

Cùng với sự hỗ trợ của nhà nước (các Bộ, Ngành) và các tổ chức quốc tế, một

số tỉnh thành của Việt Nam đã thực hiện thành công việc xây dựng các trạm PV với công suất khác nhau phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt và văn hóa của các địa phương vùng sâu, vùng xa và các công trình nằm trong khu vực không có lưới điện

Đi đầu trong việc phát triển ứng dụng này là ngành bưu chính viễn thông Các trạm PV phát điện được sử dụng làm nguồn cung cấp điện cho các thiết bị thu phát sóng của các bưu điện lớn, trạm thu phát truyền hình thông qua vệ tinh Trong ngành bảo đảm hàng hải, các trạm PV phát điện được sử dụng làm nguồn cấp điện cho các thiết bị chiếu sáng, cột hải đăng và đèn báo sông Trong ngành công nghiệp, các trạm PV phát điện được sử dụng làm nguồn cấp điện dự phòng cho các thiết bị điều khiển trạm biến áp 500 kV, thiết bị máy tính và sử dụng làm nguồn cấp điện nối với điện lưới quốc gia Trong sinh hoạt của các hộ gia đình vùng sâu, vùng xa, các trạm PV phát điện được sử dụng để thắp sáng, nghe radio, xem truyền hình Trong ngành giao thông đường bộ, các trạm PV phát điện từng bước được sử dụng làm nguồn cấp điện cho các cột đèn đường chiếu sáng

Tại khu vực phía Nam, việc ứng dụng của các dàn PV phục vụ cho thắp sáng

và sinh hoạt văn hóa tại một số vùng nông thôn xa lưới điện Các trạm điện mặt trời này có công suất từ 500–1.000 Wp và được lắp đặt ở trung tâm xã Năng lượng điện

sẽ được nạp vào ắc qui và phục vụ cho các hộ gia đình sử dụng Các dàn PV có công suất từ 250–500 Wp thông thường được sử dụng để phục vụ cho thắp sáng tại các bệnh viện, trạm xá và các cụm văn hoá xã Đến nay có khoảng 800–1.000 dàn

PV đã được lắp đặt và sử dụng cho các hộ gia đình với công suất mỗi dàn từ 22,5–

70 Wp

Tại khu vực miền Trung, bức xạ mặt trời khá tốt và số giờ nắng cao, với điều kiện thực tế này, việc ứng dụng PV là rất thích hợp Hiện tại, khu vực miền Trung

có hai dự án lai ghép với PV có công suất lớn nhất Việt Nam, đó là:

- Dự án phát điện ghép giữa PV và thủy điện nhỏ với công suất 125 kW mà được lắp đặt tại xã Trang, huyện Mang Yang, tỉnh Gia Lai Trong đó, công suất của

hệ thống PV là 100 kWp và công suất của hệ thống thuỷ điện là 25 kW Dự án được đưa vào vận hành từ cuối năm 1999 và cung cấp điện cho 5 làng Hệ thống điện do Điện lực Mang Yang quản lý và vận hành

- Dự án phát điện lai ghép giữa PV và phát điện gió với công suất là 9 kW Trong đó, công suất của hệ thống PV là 7 kWp Dự án này được thực hiện bởi Viện Năng lượng và được lắp đặt tại làng Kongu 2, huyện Đak Hà, tỉnh Kon Tum Công trình đã được đưa vào sử dụng từ tháng 11/2000, cung cấp điện cho một bản người dân tộc thiểu số với 42 hộ gia đình Hệ thống điện được Sở Công thương tỉnh quản

lý và vận hành

- Ngoài ra, các dàn PV cũng đã được lắp đặt tại các tỉnh Gia Lai, Quảng Nam, Bình Định, Quảng Ngãi và Khánh Hòa với công suất mỗi hộ gia đình từ 40–50 Wp Các dàn PV đã được lắp đặt tại các trung tâm cụm xã và các trạm y tế xã với công suất từ 200–800 Wp

Tại khu vực miền Bắc, việc ứng dụng của các dàn PV đang phát triển với tốc

độ khá nhanh mà phục vụ cho các hộ gia đình ở các vùng núi cao, hải đảo và trạm biên phòng Công suất của các dàn PV dùng cho các hộ gia đình là từ 40–75 Wp Các dàn PV dùng cho các trạm biên phòng, nơi hải đảo có công suất là từ 165–300

Wp Các dàn PV dùng cho các trạm xá và các cụm văn hóa thôn, xã là từ 165–525

để thắp sáng và truyền thông dưới sự quản lý và vận hành trực tiếp bởi các đơn vị

bộ đội

- Dự án PV cho các cơ quan hành chính và một số hộ dân của huyện đảo Cô

Tô Tổng công suất lắp đặt là 15 kWp Dự án do Viện Năng lượng thực hiện Công trình đã được đưa vào vận hành và sử dụng từ tháng 12/2001

- Bên cạnh đó, công ty BP Solar của Úc đã tài trợ một dự án PV có công suất

là 6.120 Wp phục vụ cho các trạm xá, trụ sở xã, trường học và khoảng 10 hộ gia đình Dự án trên được lắp đặt tại xã Sĩ Hai, huyện Hà Quảng, tỉnh Cao Bằng

- Dự án “Ứng dụng thí điểm điện mặt trời cho vùng sâu, vùng xa” tại xã Ái Quốc, tỉnh Lạng Sơn đã hoàn thành vào tháng 11/2002 Tổng công suất của dự án là 3.000 Wp mà đã được sử dụng để cung cấp điện cho trung tâm xã và trạm truyền hình

- Trung tâm Hội nghị Quốc gia cũng đã sử dụng điện mặt trời với tổng công suất PV là 154 kWp Đây là một công trình điện mặt trời lớn nhất tại Việt Nam

- Trạm PV nối lưới của Viện Năng lượng với tổng công suất là 1080 Wp

- Trạm PV nối lưới lắp đặt trên mái tòa nhà của Bộ Công thương, 54 Hai Bà Trưng, Quận Hoàn Kiếm, Hà Nội với tổng công suất là 2.700 Wp

- Hệ thống đèn năng lượng mặt trời được lắp đặt trên đường phố Đà Nẵng Hệ thống thu góp năng lượng mặt trời được “dán” thẳng trên thân trụ đèn và bên trong trụ có các bình ắc qui dùng để tích năng lượng

- Hai cột đèn năng lượng mặt trời kết hợp năng lượng gió đầu tiên được lắp đặt thành công tại Ban quản lý dự án Công nghệ cao Hòa Lạc Hai cột đèn có trị giá 8.000 USD, do Công ty cổ phần tập đoàn quốc tế Kim Đỉnh lắp đặt Hiện tại, hai cột

đèn này có thể sử dụng trong 10 giờ mỗi ngày và có thể thắp sáng bốn ngày liền nếu không có nắng và gió

2.7 Tổng quan tình hình nghiên cứu

Một vài kỹ thuật bám điểm công suất cực đại đã được đề xuất và giới thiệu, chẳng hạn như thuật toán xáo trộn và giám sát (Pertuation & Observation algorithm, P&O) [3]-[6], thuật toán gia tăng độ dẫn (Incremental Conductance algorithm, InC) [3]-[7], mạng nơ-rôn nhân tạo [8], Fuzzy logic [9], v v Các kỹ thuật này khác nhau ở một vài khía cạnh và quan điểm bao gồm: tính chất đơn giản của thuật toán, tốc độ hội tụ của thuật toán, tính chất phức tạp của việc thực hiện các phần ứng thực nghiệm, cũng như chi phí thực hiện cho mỗi giải pháp

Trên nền tảng của thuật toán gia tăng độ dẫn (InC), tác giả Phạm Văn Để đã đề xuất thuật toán InC cải tiến cho điều khiển bám điểm công suất cực đại của một hệ thống điện năng lượng mặt trời trong Luận văn Thạc Sĩ Các kết quả mô phỏng được thực hiện trong luận văn này cho thấy rằng đề xuất có đáp ứng thời gian tốt hơn và ổn định hơn với các thay đổi khác nhau của bức xạ năng lượng mặt trời [10] Bên cạnh đó, dựa vào thuật toán P&O, tác giả Trầm Minh Tuấn cũng đã cải tiến thuật toán này trên cơ sở khắc phục các khuyết điểm đang tồn tại của thuật toán P&O, đặc biệt trong các điều kiện bức xạ thay đổi đột ngột thông qua bước xác định dòng điện ngắn mạch của hệ pin quang điện trong Luận văn Thạc Sĩ Cải tiến này

đã giúp cho thuật toán P&O đạt được giá trị và tốc độ hội tụ được tốt hơn [11] Theo một cách giải khác của bài toán tối ưu hóa, tác giả Nguyễn Mạnh Tường

đã đề xuất thuật toán tối ưu hóa bầy đàn (Thuật toán PSO) cho việc tìm điểm công suất cực đại trong Luận văn Thạc Sĩ Đặc biệt, tác giả đã xét bài toán trong trường hợp có ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm Khi ấy, hệ thống sẽ tồn tại nhiều điểm công suất cực đại cục bộ và nhiệm vụ của thuật toán PSO đề xuất là xác định điểm công suất cực đại toàn cục Các kết quả mô phỏng cho thấy rằng, thuật toán PSO đã chứng tỏ được hiệu quả của nó trong việc tìm điểm công suất cực đại toàn cục của

hệ pin quang điện trong điều kiện vận hành có xét đến hiện tượng bóng râm [12] Trên nền tảng của thuật toán P&O, J Jiang, T Huang, Y Hsiao, và C Chen đã giới thiệu phương pháp so sánh 3 điểm Phương pháp này tương tự như phương pháp P&O và có thể xem như thuật toán P&O cải tiến Thuật toán P&O thực hiện