nghiên cứu, thiết kế hệ dc dc theo nguyên tắc điều khiển tối ưu công suất (maximum power point tracking – mppt) sử dụng năng lượng mặt trời

Các nghiên cứu về các hệ thống năng lượng mặt trời ngày càng nhiều do nguồn năng lượng này sẵn có ở mọi chỗ và được xem như là một trong các nguồn năng lượng tái tạo chủ yếu cho tương la

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

- TRƯƠNG QUỐC THƯỞNG

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ DC/DC THEO NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT (MAXIMUM POWER POINT TRACKING – MPPT) SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KỸ THUẬT ĐIỆN HƯỚNG THIẾT BỊ ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS NGUYỄN THẾ CÔNG

Hà Nội – Năm 2014

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn này là trung thực và là công trình nghiên cứu của tôi, chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Hà Nội, ngày tháng năm 2014

Tác giả luận văn

Trương Quốc Thưởng

i

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC i

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC BẢNG vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ vii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 1

3 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

4 Cấu trúc của luận văn 2

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 3

1.1 Tổng quan về các nguồn năng lượng tái tạo 3

1.1.1 Năng lượng gió 3

1.1.2 Năng lượng mặt trời 4

1.1.3 Năng lượng thủy năng 6

1.1.4 Năng lượng sinh khối 8

1.1.5 Năng lượng địa nhiệt 9

1.1.6 Năng lượng từ sóng biển 10

1.2 Giới thiệu về năng lượng mặt trời 11

1.2.1 Giới thiệu chi tiết về nguồn điện năng thu được từ ánh sáng mặt trời 11

1.2.2 Các dạng hệ thống quang điện 14

1.2.3 So sánh nguồn năng lượng mặt trời với các nguồn năng lượng tái tạo khác 16

ii

1.2.4 Các dự án năng lượng mặt trời đã được thực hiện 17

1.2.4.1 Một số nhà máy điện mặt trời trên thế giới 17

1.2.4.2 Một số dự án điện mặt trời tại việt nam 19

CHƯƠNG 2 CẤU TRÚC THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC 21

2.1 Giới thiệu các cấu trúc điển hình 21

2.1.1 Cấu trúc Buck 21

2.1.2 Cấu trúc Boost 22

2.1.3 Cấu trúc Buck – Boost 23

2.1.4 Cấu trúc Flyback 25

2.1.5 Cấu trúc Half – bridge 26

2.1.6 Cấu trúc Full – bridge 28

2.2 So sánh và lựa chọn phương án 30

2.3 Lựa chọn thiết bị động lực 32

2.3.1 Tính toán thông số cuộn cảm 33

2.3.2.1 Lựa chọn vật liệu lõi cuộn cảm 33

2.3.2.2 Lựa chọn hình dáng lõi 34

2.3.2.3 Tính toán thông số cuộn cảm 34

2.3.2 Tính toán thông số tụ lọc điện áp đầu ra 40

2.3.3 Tính toán thông số tụ lọc điện áp đầu ra 40

2.3.4 Tính toán thông số tụ lọc điện áp đầu ra 41

CHƯƠNG 3 ĐIỀU KHIỂN THEO ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI (MPPT) HỆ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 42

3.1 Giới thiệu về các phương pháp điều khiển và đưa ra đánh giá về các phương pháp 42

iii

3.1.1 Phương pháp điện áp hở mạch (Open circuit voltage method) 42

3.1.2 Phương pháp dòng điện ngắn mạch (Short circuit voltage method) 43

3.1.3 Phương pháp nhiễu loạn và quan sát (Perturb and observe method – P&O) 44

3.1.4 Phương pháp tăng độ truyền dẫn (Incremental Conductance – INC) 45

3.1.5 Phương pháp điều khiển mờ (Fuzzy logic Control Method) 47

3.1.6 Phương pháp mạng noron (Neural network Method) 48

3.1.7 So sánh các phương pháp điều khiển 48

3.1.8 Lựa chọn phương pháp 49

3.2 Chi tiết về phương pháp “nhiễu loạn và quan sát” 50

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 55

4.1 Sơ đồ nguyên lý và mạch động lực của sản phẩm thực nghiệm 55

4.2 Sơ đồ giải thuật 58

4.3 Kết quả thực nghiệm 59

CHƯƠNG 5 MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG 61

5.1 Mô hình hóa pin mặt trời 61

5.1.1 Mô hình hóa tế bào pin mặt trời 61

5.1.2 Dãy pin trong thực tế 62

5.1.3 Cải tiến mô hình 63

5.1.4 Hiệu chỉnh mô hình 64

5.1.5 Phương pháp lặp để xác định Rs và Rp 64

5.1.6 Mô hình mô phỏng trong matlab 65

5.2 Mô phỏng hệ thống DC/DC điều khiển xác định điểm công suất cực đại sử dụng thuật toán P&O 68

iv

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN 726.1 Kết luận chung 726.1 Hướng phát triển của đề tài 73TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

TT Ký hiệu, chữ

1 MPPT Xác định điểm công suất cực đại

2 AC/DC Biến đổi từ xoay chiều sang một chiều

3 DC/DC Biến đổi từ một chiều thành một chiều

4 DC/AC Biến đổi từ một chiều sang xoay chiều

16 UV Điện áp đầu vào

17 Dmax Độ mở lớn nhất của van

18 Eng Năng lượng tích trong cuộn cảm

vi

27 lg Khe hở không khí

30 VMPPT Giá trị điện áp khi đạt được MPPT

31 IMPPT Giá trị dòng điện khi đạt được MPPT

32 VOC Điện áp khi hở mạch

33 ISC Dòng điện khi ngắn mạch

36 q Điện tích điện tử

38 Rs, Rp Điện trở nội song song và nối tiếp trong tấm pin mặt

trời

39 I-V Đặc tính dòng điện, điện áp

40 P- V Đặc tính công suất, điện áp

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2-1: Bảng thông số của các cấu trúc 31

Bảng 2-2: Bảng thông số của sản phẩm thực nghiệm 32

Bảng 2-3: Bảng đặc điểm của một số loại lõi 34

Bảng 3-1: Bảng so sánh các thuật toán điều khiển 49

Bảng 5-1: Bảng thông số pin mặt trời 65

vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: pin mặt trời đơn tinh thể (bên trái) và pin mặt trời đa tinh thể (bên phải)

12

Hình 1.2: Từ trái qua phải Tế bào quang điện, module pin mặt trời, hệt thống pin mặt 13

Hình 1.3: Hệ thống năng lượng mặt trời hòa lưới 15

Hình 1.4: Hệ thống năng lượng mặt trời cục bộ 16

Hình 1.5: Nhà máy điện mặt trời Ivapah Solar Electric Generating 18

Hình 1.6: Nhà máy điện mặt trời PS20 18

Hình 1.7: Dự án điện mặt trời lắp tại tòa nhà Bộ Công Thương 19

Hình 1.8: Dự án điện mặt trời tại Bãi Hương 20

Hình 1.9: Dự án điện mặt trời tại Trung Tâm Hội Nghị Quốc Gia 20

Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc Buck 21

Hình 2.2: Sơ đồ dạng sóng của cấu trúc Buck 22

Hình 2.3: Cấu trúc mạch Boost 23

Hình 2.4: Sơ đồ dạng sóng của cấu trúc Boost 23

Hình 2.5: Cấu trúc mạch Buck - Boost 24

Hình 2.6: Sơ đồ dạng sóng của cấu trúc Buck - Boost 24

Hình 2.7: Cấu trúc mạch Flyback 25

Hình 2.8: Sơ đồ dạng sóng của cấu trúc mạch Flyback 26

Hình 2.9: Cấu trúc mạch Half - bridge 26

Hình 2.10: Sơ đồ dạng sóng của cấu trúc Half - bridge 28

Hình 2.11: Cấu trúc mạch Full - bridge 28

Hình 2.12: Sơ đồ dạng sóng của cấu trúc Full - bridge 30

Hình 3.1: Phương pháp hằng số điện áp 43

Hình 3.2: Phương pháp P&O 45

Hình 3.3: Đồ thị thể hiện phương pháp INC 46

Hình 3.4: Đường cong đặc tính công suất của hệ thống pin mặt trời 50

Hình 3.5: Sơ đồ giải thuật của thuật toán MPPT 52

viii

Hình 3.6: Đồ thị thể hiện tốc độ đáp ứng của thuật toán dưới điều kiện môi trường

thay đổi 53

Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý mạch MPPT sử dụng cấu trúc Boost (được vẽ bằng phần mềm Proteus) 55

Hình 4.2: Mạch PCB của cấu trúc MPPT Boost 56

Hình 4.3: Hình vẽ 3D bộ biến đổi MPPT Boost 57

Hình 4.4: Hệ thống thực nghiệm 57

Hình 4.5: Sơ đồ giải thuật của thuật toán P&O trên dspic33fj12mc202 58

Hình 4.6: Thay đổi công suất lớn nhất của hệ thống pin mặt trời theo thời gian 59

Hình 4.7: Thay đổi điện áp lớn nhất của hệ thống pin mặt trời theo thời gian 59

Hình 4.8: Thay đổi dòng điện lớn nhất của hệ thống pin mặt trời theo thời gian 60

Hình 5.1: Mạch điện tương đương của một tấm pin mặt trời nhỏ 61

Hình 5.2: Sơ đồ mô phỏng trong Matlab/Simulink của dòng quang điện phụ thuộc vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ 65

Hình 5.3: Sơ đồ mô phỏng trong Matlab/Simulink của dòng điện trong hệ thống pin mặt trời phụ thuộc vào dòng quang điện, điện áp pin, số pin mắc nối tiếp, số pin mắc song song 66

Hình 5.4; Sơ đồ mô phỏng trong Matlab/Simulink của tế bào pin mặt trời 66

Hình 5.5: Đường cong P-V của pin mặt trời 67

Hình 5.6: Đường cong I-V của pin mặt trời 67

Hình 5.7: Sơ đồ mô phỏng cấu trúc mạch Boost trong Matlab/Simulink 68

Hình 5.8: Sơ đồ mô phỏng phương pháp P&O trong Matlab/Simulink 68

Hình 5.9: Sơ đồ mô phỏng hệ thống trong Matlab/Simulink 69

Hình 5.10: Điện áp đầu ra của hệ thống pin với việc MPPT theo phương pháp P&O 69

Hình 5.11: Dòng điện đầu ra của hệ thống pin với việc MPPT theo phương pháp P&O 70

Hình 5.12: Công suất đầu ra của hệ thống pin với việc MPPT theo phương pháp P&O 70

ix Hình 5.13: Công suất đầu ra của hệ thống DC/DC với việc MPPT theo phương pháp P&O 71

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Với việc trái đất đang ngày càng nóng lên và việc các nhiên liệu hóa thạch đang trở nên khan hiếm trong thời gian gần đây đã dẫn đến sự chú ý vào việc sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo Các nguồn năng lượng tái tạo đang trở thành một sự thay thế tối ưu cho các nguồn năng lượng hóa thạch truyền thống Các nghiên cứu về các hệ thống năng lượng mặt trời ngày càng nhiều do nguồn năng lượng này sẵn có ở mọi chỗ và được xem như là một trong các nguồn năng lượng tái tạo chủ yếu cho tương lai Tuy nhiên, công suất đầu ra của pin mặt trời phụ thuộc đáng kể vào bức xạ mặt trời, nhiệt độ của pin mặt trời và các yếu tố khác Do

đó, để có thể sử dụng nguồn năng lượng mặt trời một cách hiệu quả nhất thì nhiệm

vụ của các kỹ sư và các nhà nghiên cứu là phải xác định điểm công suất cực đại (Maximum Power Point Tracking - MPPT) của pin mặt trời

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Việc nghiên cứu thuật toán “Xác định điểm công suất cực đại” sẽ có tác giúp cho cải thiện hiệu suất của việc sử dụng năng lượng mặt trời, giảm chi phí đầu tư

và nâng cao tính ổn định của hệ thống năng lượng mặt trời Giúp việc sử dụng nguồn năng lượng sạch này trở nên phổ biến hơn đặc biệt với các khu vực vùng sâu vùng xa, khu vực hải đảo nơi mà điện lưới chưa thể vươn tới được

3 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Mục đích của đề tài:

Nghiên cứu được tính khả thi cũng như nâng cao được hiệu suất của hệ thống năng lượng mặt trời khi sử dụng nguyên tắc điều khiển tìm điểm công suất cực đại

- Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài:

+ Tìm hiểu chi tiết về nguyên tắc điều khiển tìm xác định điểm công suất cực đại trong hệ thống năng lượng mặt trời

+ Mô phỏng và chế tạo thử nghiệm hệ thống DC/DC điều khiển theo nguyên tắc xác định điểm công suất cực đại

+ Đưa ra kết luận, đề xuất hướng phát triển

4 Cấu trúc của luận văn

Luận văn bao gồm 6 chương:

Chương 1: Giới thiệu về nguồn năng lượng mặt trời

Chương 2: Cấu trúc thiết kế mạch động lực

Chương 3: Nguyên tắc điều khiển theo điểm công suất cực đại (MPPT) trong

hệ thống năng lượng mặt trời

Chương 4: Kết quả thực nghiệm

Chương 5: Mô hình hóa và mô phỏng

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển của đề tài

Luận văn mang ý nghĩa thực tiễn cao và hi vọng là tài liệu hữu ích cho các sinh viên, kỹ sư quan tâm đến vấn đề này Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng do trình độ còn hạn chế nên luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong được

sự góp ý để luận văn hoàn thiện hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy TS Nguyễn Thế Công, TS Nguyễn Thanh Sơn, ThS Nguyễn Thành Khang các thầy cô trong bộ môn Thiết bị điện - Điện tử trường Đại học Bách khoa Hà Nội và các đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Nội dung tổng quát của chương là giới thiệu về các nguồn năng lượng tái tạo đang được con người sử dụng trong đó đặc biệt giới thiệu chi tiết tới nguồn năng lượng mặt trời – nguồn năng lượng được nghiên cứu trong luận văn Trong đó có nêu ra các ưu nhược điểm của các nguồn năng lượng tái tạo Phần cuối chương giới thiệu về các dự án về năng lượng mặt trời

1.1 Tổng quan về các nguồn năng lượng tái tạo

1.1.1 Năng lượng gió [10]

Năng lượng gió dựa trên nguyên lý là gió tạo ra sức quay các turbine và sẽ tạo

ra điện năng Đây là nguồn năng lượng được coi là vô tận vì gió có sẵn trong tự nhiên

Ngoài ra năng lượng gió cũng được coi là một nguồn năng lượng sạch, việc sản xuất điện năng từ gió làm giảm ô nhiễm không khí như các nguồn điện năng sử dụng nhiên liệu khí đốt Chúng không phóng thích khí carbonic, hay các khí độc như carbon monoxide ảnh hưởng lên môi trường và sức khỏe người dân

Tuy nhiên, điểm bất thuận lợi chính yếu của nguồn năng lượng này là phụ thuộc vào thiên nhiên Dù công nghệ gió đang phát triển cao, và giá thành của một turbine gió giảm dần từ hơn 10 năm qua, mức đầu tư ban đầu cho nguồn năng lượng này vẫn còn cao hơn mức đầu tư các nguồn năng lượng cổ điển với cùng công suất Gió đến từ thiên nhiên cho nên gió không đáp ứng trọn vẹn được những nhu cầu cần thiết của con người vì con người không thể kiểm soát được nguồn gió và nguồn điện năng này không thể giữ lại được phần dư thừa trừ khi chuyển điện qua các bình ắc quy dự trữ rất tốn kém và không hiệu quả kinh tế

Nguồn gió nhiều và đều đặn thường ở khu vực xa thành phố, nên ngoài việc sử dụng tại chỗ, điện năng từ gió khó được chuyển về các khu đông dân cư Do đó, trước khi có những biện pháp nhằm giải quyết các bất lợi trên, năng lượng từ gió có thể xem như một nguồn năng lượng dự phòng ngoài các nguồn năng lượng chính yếu khác

Dĩ nhiên không có một nguồn năng lượng nào mà không ảnh hưởng lên môi trường Trong trường hợp năng lượng gió, ảnh hưởng cần phải lưu tâm là các turbine gió gây ra tiếng động làm đảo lộn các luồng sóng trong không khí có thể làm xáo trộn hệ sinh thái của các loài chim hoang dã và làm nhiễu xạ cho việc phát tuyến trong truyền thanh và truyền hình (Các bất thuận lợi này đã được giải quyết bằng kỹ thuật làm cánh quạt mới to và cao hơn hiện tại, do đó quạt sẽ quay chậm hơn, không làm đảo lộn phương hướng di chuyển của chim muông và giảm thiểu sự biến đổi của hệ sinh thái chung quanh)

Vì lượng gió thổi không đều đặn, cho nên lượng điện năng cung cấp bị dao động Để giải quyết trở ngại trên, các turbine gió cần được kết hợp chung với các nguồn năng lượng khác để có được nguồn điện liên tục và cố định Tại Liên Hiệp Châu Âu, những turbine này được nối mạng điện toàn Châu Âu, nhờ đó mà việc sản xuất điện được điều hòa

Đối với Việt Nam, tại các tỉnh vùng duyên hải chạy dài từ Ninh Thuận đến mũi Né, Bình Thuận là những vùng thuận lợi lớn để triển khai các hệ thống turbine gió Trong một tương lai không xa, ước tính vào khoảng 30 năm nữa, các nguồn năng lượng cổ điển như than đá, dầu khí sẽ dần dần bị cạn kiệt; thủy điện sẽ trở thành một hiểm họa lớn cho môi trường Trong lúc đó điện năng từ các lò phản ứng hạt nhân vẫn còn là một khái niệm mơ hồ cho các nhà làm khoa học Việt Nam Cuối cùng, chỉ còn lại các nguồn điện năng sạch và có tính khả thi cao

1.1.2 Năng lượng mặt trời [10]

Mặt trời là nguồn năng lượng lớn nhất mà con người có thể tận dụng được: sạch, mạnh mẽ, dồi dào, đáng tin cậy, gần như vô tận, và có ở khắp nơi dù ít hay nhiều Việc thu giữ năng lượng mặt trời gần như không có ảnh hưởng tiêu cực gì đến môi trường Việc sử dụng không thải ra khí và nước độc hại, do đó không góp phần vào vấn đề ô nhiễm môi trường và hiệu ứng nhà kính

Mặt trời là một khối cầu có đường kính khoáng 1,4 triệu km với thành phần gồm các khí có nhiệt độ rất cao Nhiệt độ bên trong mặt trời đạt đến gần 15 triệu độ, với áp suất gấp 70 tỷ lần áp suất khí quyển của Trái Đất Đây là điều kiện lý tưởng

cho các phản ứng phân hạch của các nguyên tử hydro Bức xạ gamma từ các phản ứng phân hạch này, trong quá trình được truyền từ tâm mặt trời ra ngoài, tương tác với các nguyên tố khác bên trong mặt trời và chuyển thành bức xạ có mức năng lượng thấp hơn, chủ yếu là ánh sáng và phần nhiệt của phổ năng lượng Bức xạ điện

từ này, với phổ năng lượng trải dài từ tia cực tím đến hồng ngoại, phát ra không gian ở mọi hướng khác nhau Quá trình bức xạ của mặt trời diễn ra từ 5 tỷ năm nay,

và sẽ còn tiếp tục trong vài tỷ năm nữa

Mỗi giây, mặt trời phát ra một khối năng lượng khổng lồ vào Thái Dương Hệ, chỉ một phần rất nhỏ tổng lượng bức xạ đến được Trái Đất Tuy nhiên, phần năng lượng này vẫn được xem là rất lớn, vào khoảng 1.367 MW/m2 ở ngoại tầng khí quyển của Trái Đất Một phần bức xạ mặt trời phản xạ lại về không gian trên bề mặt các đám mây Còn lại 99% bức xạ mặt trời chiếu xuống bề mặt Trái Đất chuyển thành nhiệt và sau đó tỏa nhiệt lại về không gian Chỉ cần một phần nhỏ năng lượng mặt trời được sử dụng thì có thể đáp ứng được nhu cầu về năng lượng của thế giới Việc chuyển hóa năng lượng mặt trời được thực hiện thông qua các tấm pin quang điện hay còn gọi là pin mặt trời Các tấm pin mặt trời này chuyển đổi trực tiếp ánh sáng thành điện năng, như thường được thấy trong các máy tính cầm tay hay đồng hồ đeo tay Chúng được làm từ các vật liệu bán dẫn tương tự như trong các con chíp điện tử trong máy tính Một khi ánh sáng mặt trời được hấp thụ bởi các vật liệu này, năng lượng mặt trời sẽ đánh bật các hạt điện tích (electron) năng lượng thấp trong nguyên tử của vật liệu bán dẫn, cho phép các hạt tích điện này di chuyển trong vật liệu và tạo thành điện Quá trình chuyển đổi photon thành điện này gọi là hiệu ứng quang điện Cho dù được phát hiện từ hơn 200 năm trước, kỹ thuật quang điện chỉ phát triển rộng rãi trong ứng dụng dân sự kể từ cuộc khủng hoảng dầu mỏ vào năm 1973

Các pin mặt trời thông thường được lắp thành một module khoảng 40 phiến pin, và 10 module sẽ được lắp gộp lại thành chuỗi quang điện có thể dài vài mét Các chuỗi pin mặt trời dạng phẳng này được lắp ở một góc cố định hướng về phía

Mỹ, Áo, Tây Ban Nha, Nhật Bản và Pháp là các quốc gia dẫn đầu về khai thác nhiệt mặt trời, năng lượng điện được tạo ra thông qua các hệ thống tập trung ánh sáng có công suất lắp đặt lên đến hàng trăm MW Chỉ riêng vào năm 1995, tại Cộng Đồng Châu Âu đã có 6,5 triệu m2 diện tích lắp đặt gương tập trung ánh sáng mặt trời với tốc độ phát triển là 15% trong năm trước đó

Việt Nam có bức xạ mặt trời vào loại cao trên thế giới, với số giờ nắng dao động từ 1.600-2.600 giờ/năm, đặc biệt là khu vực phía Nam Việt Nam hiện có trên

100 trạm quan trắc toàn quốc để theo dõi dữ liệu về năng lượng mặt trời Tính trung bình toàn quốc thì bức xạ mặt trời dao động từ 3,8-5,2 kW/m2/ngày Tiềm năng điện mặt trời là tốt nhất ở các vùng từ Thừa Thiên Huế trở vào miền Nam (bức xạ dao động từ 4,0-5,9 kW/m2/ngày)

Cho đến nay, Việt Nam đã lắp đặt hơn 1000 kW hệ thống pin mặt trời Hầu hết các hệ quang điện được lắp đặt chỉ có công suất tương đối nhỏ, từ 50-1000 W

1.1.3 Năng lượng thủy năng [10]

Thủy điện lấy năng lượng từ nguồn nước chảy và chuyển đổi nó thành điện năng, mà không cần tốn, lãng phí hoặc mất nước trong quá trình sản xuất ra điện năng

Các nhà máy thuỷ điện hồ chứa bằng bơm hiện là công cụ đáng chú ý nhất để tích trữ năng lượng về tính hữu dụng, cho phép phát điện ở mức thấp vào giờ thấp điểm (điều này xảy ra bởi vì các nhà máy nhiệt điện không thể dừng lại hoàn toàn hàng ngày) để tích nước sau đó cho chảy ra để phát điện vào giờ cao điểm hàng ngày Việc vận hành cách nhà máy thuỷ điện hồ chứa bằng bơm cải thiện hệ số tải điện của hệ thống phát điện

Sự phát điện của nhà máy điện cũng có thể ảnh hưởng đến môi trường của dòng sông bên dưới Thứ nhất, nước sau khi ra khỏi turbine thường chứa rất ít cặn

lơ lửng, có thể gây ra tình trạng xối sạch lòng sông và làm sạt lở bờ sông Thứ hai,

vì các turbine thường mở không liên tục, có thể quan sát thấy sự thay đổi nhanh chóng và bất thường của dòng chảy Tại Grand Canyon, sự biến đổi dòng chảy theo chu kỳ của nó bị cho là nguyên nhân gây nên tình trạng xói mòn cồn cát ngầm Lượng oxy hoà tan trong nước có thể thay đổi so với trước đó Cuối cùng, nước chảy ra từ turbine lạnh hơn nước trước khi chảy vào đập, điều này có thể làm thay đổi số lượng cân bằng của hệ động vật, gồm cả việc gây hại tới một số loài Các hồ chứa của các nhà máy thuỷ điện ở các vùng nhiệt đới có thể sản sinh ra một lượng lớn khí methane và carbon dioxide Điều này bởi vì các xác thực vật mới bị lũ quét

bị mục nát trong một môi trường kỵ khí và tạo thành methane, một khí gây hiệu ứng nhà kính mạnh Methane bay vào khí quyển khí nước được xả từ đập để làm quay turbine Ở Việt Nam thủy điện vẫn là nguồn năng lượng chính cung cấp chủ yếu

cho lưới điện quốc gia Trong đó phải kể đến các nhà máy thủy điện lớn như Hòa Bình, Sơn La…

1.1.4 Năng lượng sinh khối [10]

Sinh khối là một thuật ngữ có ý nghĩa bao hàm rất rộng dùng để mô tả các vật chất có nguồn gốc sinh học vốn có thể được sử dụng như một nguồn năng lượng Với định nghĩa như vậy, sinh khối bao gồm cây cối tự nhiên, cây trồng công nghiệp, tảo và các loài thực vật khác, hoặc là những bã nông nghiệp và lâm nghiệp Sinh khối cũng bao gồm cả những vật chất được xem như chất thải từ các xã hội con người như chất thải từ quá trình sản xuất thức ăn nước uống, bùn/nước cống, phân bón, sản phẩm phụ gia (hữu cơ) công nghiệp (industrial by-product) và các thành phần hữu cơ của chất thải sinh hoạt

Trên quy mô toàn cầu, sinh khối là nguồn năng lượng lớn thứ tư, chiếm khoảng 14-15% tổng năng lượng tiêu thụ của thế giới Ở các nước đang phát triển, sinh khối thường là nguồn năng lượng lớn, trung bình đóng góp khoảng 35% trong tổng cung cấp năng lượng Vì vậy năng lượng sinh khối giữ vai trò quan trọng và có khả năng sẽ giữ vai trò sống còn trong việc đáp ứng nhu cầu năng lượng của thế giới trong tương lai

Các nguồn sinh khối được chuyển thành các dạng năng lượng khác như điện năng, nhiệt năng, hơi nước và nhiên liệu qua các phương pháp chuyển hóa như đốt trực tiếp và turbin hơi, phân hủy yếm khí (anaerobic digestion), đốt kết hợp (co-firing), khí hóa (gasification) và nhiệt phân (pyrolysis)

Ngoài ra, việc sử dụng sinh khối để tạo năng lượng có tác động tích cực đến môi trường Hiển nhiên việc đốt sinh khối không thể giải quyết ngay vấn đề mất cân bằng vể tỷ lệ CO2 hiện nay Tuy nhiên, vai trò đóng góp của sinh khối trong việc sản xuất năng lượng vẫn rất đáng kể trong việc bảo vệ cân bằng môi trường, vì nó tạo ra ít CO2hơn năng lượng hóa thạch Một cách khái quát, CO2 tạo ra bởi việc đốt sinh khối sẽ được "cô lập" tạm thời (sequestered) trong cây cối được trồng mới để thay thế nhiên liệu Nói một cách khác, đó là một chu kỳ tuần hoàn kín với tác động hết sức nhỏ lên môi trường

Trong khi nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt, nhu cầu sử dụng điện ngày càng cao thì giải pháp sử dụng nguồn điện sinh khối để thay thế mang ý nghĩa to lớn trên các khía cạnh kinh tế, xã hội và môi trường Hơn nữa, Việt Nam lại có tiềm năng to lớn để phát triển điện sinh khối cả trong hiện tại và tương lai Tuy nhiên, số các dự án năng lượng tái tạo đi vào hoạt động tính đến thời điểm này vẫn còn quá ít và chỉ có vài dự án là điện sinh khối nối lưới, việc đầu tư mang nặng tính tự phát, thiếu quy hoạch tổng thể và chưa tương xứng với tiềm năng hiện có của quốc gia

1.1.5 Năng lượng địa nhiệt [10]

Năng lượng địa nhiệt là năng lượng được tách ra từ nhiệt trong lòng Trái Đất Năng lượng này có nguồn gốc từ sự hình thành ban đầu của hành tinh, từ hoạt động phân hủy phóng xạ của các khoáng vật, và từ năng lượng mặt trời được hấp thụ tại

bề mặt Trái Đất

Lượng năng lượng địa nhiệt là rất lớn Các nhà khoa học ước tính chỉ cần 1 phần trăm lượng nhiệt chứa trong lớp 10 km phía trên vỏ trái đất đã tương đương với 500 lần năng lượng mà các nguồn dầu, khí của trái đất mang lại

Một lượng lớn các nhà máy điện dạng thủy nhiệt đã được xây dựng và đưa vào vận hành ở cả các nước phát triển và đang phát triển Một số nhà máy sử dụng công nghệ nhà máy điện phân tách hơi nước và chu trình hơi nước truyền thống, số khác

sử dụng chu trình nhị nguyên trong đó dùng các môi chất làm việc có nhiệt độ bay hơi thấp hơn nước

Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam (VAST) cũng tiến hành nghiên cứu, khảo sát khả năng sản xuất điện từ nguồn địa nhiệt nhưng đến nay chưa có dự án sản xuất điện nào Viện Địa chất - Khoáng sản cũng đã từng hợp tác với một công

ty lớn của Mỹ để biến nhiệt trong lòng đất thành điện nhưng không thành công vì giá điện từ địa nhiệt cao hơn so với giá điện hiện nay do chi phí cho công nghệ này lớn

1.1.6 Năng lượng từ sóng biển [10]

Đại dương là một nguồn năng lượng tái tạo vô tận cho việc chế tạo điện năng

sử dụng cho thế giới Tổng quát, về lý thuyết đánh giá thế năng của đại dương có thể đạt 100.000 TW/năm (trong khi đó tiêu thụ năng lượng điện của thế giới là 16.000 TW/năm) Trong những năm gần đây thế giới đã quan tâm rộng rãi tới năng lượng của sóng biển Dưới đây trình bày 2 phương pháp tạo điện năng từ đại dương: Năng lượng từ thủy triều: Nguyên lý phát điện thủy triều tương tự như nguyên

lý phát điện thủy lực, tức là lợi dụng sự chênh lệch mức nước triều lên xuống để làm quay động cơ và máy phát điện Ở những vùng có biên độ triều tương đối lớn, người ta xây đê ngăn nước có nhiều cửa tạo thành một hồ chứa và trong đê lắp tổ máy phát điện bánh xe nước Khi nước triều lên cao bên ngoài một cửa nào đó thì cửa đó mở ra, nước biển chảy vào hồ chứa, dòng nước vào làm quay bánh xe thủy động, kéo theo làm quay máy phát điện Khi nước triều rút xuống thì cửa đóng lại

và cánh cửa khác mở ra, nước từ hồ chứa chảy ra biển và dòng nước lại làm quay máy tải động Cứ như thế, trạm điện thủy triều không ngừng phát điện

Năng lượng từ sóng: Phương pháp tạo ra dòng điện từ sóng biển là dùng máy phát điện đặt nổi trên mặt biển như một cái bơm nằm ngang, pít tông nối liền với phao, tùy theo sóng biển lên xuống mà pít tông cũng chuyển động lên xuống, biến động lực của sóng biển thành động lực của không khí bị nén Không khí bị nén dưới

áp suất cao phụt qua miệng phun của turbin làm cho máy phát điện hoạt động Khi

đó, năng lượng của sóng biển đã chuyển thành điện năng Phát điện bằng năng lượng sóng biển không tốn một chút năng lượng “khởi động” nào, lại không gây ô nhiễm môi trường, do đó nó là một nguồn năng lượng sạch, hy vọng sẽ giúp giải quyết nguy cơ thiếu năng lượng của toàn thế giới

Tuy nhiên, có nhiều nguyên nhân khách quan khiến việc sử dụng nguồn năng lượng vô tận từ đại dương vào quá trình sản xuất điện năng bị gián đoạn như: việc nước biển làm biến dạng và ăn mòn máy móc, việc cần có những dây cáp đắt tiền ngầm dưới biển để truyền tải điện vào bờ, đặc biệt chi phí đầu tư cho các dự án này đòi hỏi thời gian nghiên cứu lâu dài và cần nhiều vốn Chính vì thế, khả năng

cạnh tranh của năng lượng biển với các nguồn năng lượng thay thế khác còn chưa cao Dẫu vậy, các nước phát triển trên thế giới vẫn không ngừng tìm tòi, cải tiến công nghệ để khai thác nguồn năng lượng xanh vô tận này

Điều kiện Việt Nam, với hơn 3.000km đường bờ biển, có tiềm năng lớn để phát triển năng lượng từ đại dương, việc bổ sung, đa dạng hóa nguồn năng lượng từ biển là cần thiết để phục vụ phát triển bền vững

1.2 Giới thiệu về năng lượng mặt trời

1.2.1 Giới thiệu chi tiết về nguồn điện năng thu được từ ánh sáng mặt trời

Từ nguồn ánh sáng mặt trời con người có thể thu được rất nhiều năng lượng dùng cho cuộc sống hàng ngày như nhiệt năng đun sôi nước, sấy khô… một trong các dạng năng lượng thu được lý tưởng nhất đó là điện năng Nguồn điện năng này thu được thông qua các hệ thống pin quang điện (pin mặt trời) gồm nhiều tế bào quang điện ghép lại

1.2.1.1 Tế bào quang điện (Photovoltaic cell) [11]

Tế bào quang điện là kỳ công của vật lý tinh thể và bán dẫn Nó được cấu tạo

từ các lớp phẳng và mỏng của các vật liệu đặc biệt gọi là bán dẫn xếp chồng lên nhau

Có 3 lớp vật liệu chính: lớp trên cùng gọi là silicon loại n (n: negative, âm), vật liệu này có khả năng “phóng thích” các hạt tích điện âm gọi là electron một khi được đưa ra ngoài ánh sáng mặt trời Lớp dưới cùng gọi là lớp p, tích điện dương khi tiếp xúc với bức xạ mặt trời (p: positive, dương) Lớp vật liệu ở giữa gọi là lớp chèn (junction), lớp này có vai trò như một lớp phân cách (insulator) giữa lớp n và lớp p Các electron được phóng thích từ lớp n sẽ di chuyển theo đường ít bị cản trở nhất, tức là di chuyển từ lớp n tích điện âm ở bên trên về lớp p tích điện dương ở bên dưới Như vậy, nếu vùng p và vùng n được nối bởi một mạch điện tạo bởi các dây dẫn mỏng, dòng electron sẽ di chuyển trong mạch điện này, tạo ra dòng điện một chiều có thể được sử dụng trực tiếp hoặc được “dự trữ” để dùng sau Cường độ dòng điện sinh ra phụ thuộc vào số lượng và phương thức nối các tế bào mặt trời trong pin mặt trời

Vật liệu bán dẫn cơ b

là silicon đơn tinh thể Các t

thông thường có thể chuy

điện Các tế bào này cũng r

thành sản xuất Tạo nên silicon tinh th

mỏng (0,1- 0,3 mm) là rấ

xuất, người ta phát triển nghiên c

thể, ví dụ như tế bào silicon

còn gọi là module quang

miliwatt như trong máy tính b

Dòng quang điện một chi

hoạt về ban đêm hoặc vào nh

được cài giữa module và bình

năng lượng từ mặt trời khi

quang trọng nữa là tránh tr

12

n cơ bản và được sử dụng rộng rãi nhất trong tế Các tế bào silicon đơn tinh thể cũng có hiệu suchuyển đổi đến 23% năng lượng mặt trời thu nhũng rất bền và có tuổi thọ sử dụng cao Vấn đề

o nên silicon tinh thể lớn và cắt chúng thành những mi

ất tốn thời gian và chi phí cao Do đó, để giảm giá thành s

n nghiên cứu các vật liệu thay thế cho tế bào silicon

ào silicon đa tinh thể, các pin quang điện công ngh

p trung

đơn tinh thể (bên trái) và pin mặt trời đa tinh th

[11]

pin quang điện (Photovoltaic System) [11]

n cho thấy cường độ dòng quang điện tỷ lệ thu Dòng điện sinh ra truyền qua chuỗi các tế bào quang

i là module quang điện, có thể cung cấp điện ở bất cứ qui mô nào, t trong máy tính bỏ túi cho đến vài MW như qui mô các nhà máy

t chiều có thể được nạp vào bình ắc quy để dự tr

c vào những ngày không có nắng Một bộ điề

a module và bình ắc quy như một dạng ổn áp, giúp thu

khi điều kiện ánh sáng và nhiệt độ thay đổi liên t

a là tránh trường hợp ắc quy bị sạc quá tải Toàn bộ

bào quang điện

u suất cao hơn cả, thu nhận được thành

ề chủ yếu là giá

ng miếng nhỏ và

m giá thành sản bào silicon đơn tinh

n công nghệ “màng

a tinh thể (bên phải)

thuận với cường bào quang điện, hay qui mô nào, từ vài qui mô các nhà máy điện

trữ cho các sinh

ều khiển thường

n áp, giúp thu được tối đa

i liên tục, và lý do các thiết bị này

liên kết lại thành hệ thống

từ 12 đến 24 volt Điện m

thông qua bộ biến điện B

W và hiệu suất đạt tới 90%

Các module có thể

module có công suất đáp

phí bảo trì cho module gầ

ng quang điện sản xuất điện một chiều có đi

n một chiều có thể được chuyển đổi thành đ

n Bộ biến điện DC/AC ngày nay có công suất t

i 90%

được lắp nối với nhau một cách dễ dàng tđáp ứng với nhu cầu điện đặt ra Một khi được l

ần như không đáng kể

ỗi quang điện thường được đánh giá dựa vào công su

n thử nghiệm tiêu chuẩn (Standard Test Conditions, vi

c qui định là module vận hành ở nhiệt độ 250C v

u lên module là 1000 W/m2 và dưới phân bố phổ của kh

ếu nghiêng 370) Do các điều kiện thử nghiệ

i lý tưởng so với điều kiện thực tế của các khu v

u suất cỡ 85-90% hiệu suất thử nghiệm ở đi(STC) Các module quang điện ngày này rất an toàn, bền và đáng tin c

20-30 năm

ải Tế bào quang điện, module pin mặt trời, h

[11]

t của pin mặt trời [11]

a phần lớn pin mặt trời hiện nay trên thị trườmặt trời được pin mặt trời chuyển thành điệ

đa của pin mặt trời có thể đạt đến 32,3% (t

u có điện thế do động ành điện xoay chiều

t từ 100-20,000

dàng tạo thành chuỗi

c lắp đặt, thì chi

a vào công suất tối

n (Standard Test Conditions, viết tắt

C với tổng lượng

a khối khí 1,5 (Air

ệm trong phòng

a các khu vực lắp đặt, điều kiện chuẩn áng tin cậy, với tuổi

, hệ thống pin mặt

ờng là 15%, tức

ện Mặc dù trên (tức là có giá trị

kinh tế rất lớn), trên thực tế hiệu suất thấp hơn hơn một nửa giá trị lý thuyết, và con

số 15% không được các ngành công nghiệp năng lượng xem là mang lại lợi ích kinh

tế lớn Các tiến bộ kỹ thuật gần đây cho phép tạo ra trong phòng thí nghiệm các tế bào quang điện đạt hiệu suất tới 28,2% Các pin mặt trời dạng này vẫn còn phải qua các thử nghiệm trong điều kiện thực tế Nếu thử nghiệm thành công trong các môi trường thử nghiệm khắc nghiệt trong tự nhiên, các pin mặt trời dạng này sẽ được xem là mang lại lợi ích kinh tế cụ thể và do đó việc phát triển điện mặt trời qui mô lớn là có tính khả thi về mặt kinh tế có thể ứng dụng đại trà

Một trong những ứng dụng rộng rãi nhất ngày nay của điện mặt trời là cung cấp điện cho các trạm theo dõi dự báo đặt ở vùng sâu vùng xa Hầu hết trong số hơn

20 ngàn hệ thống điện mặt trời phục vụ công tác dự báo sử dụng ngày nay trên khắp thế giới có công suất nhỏ hơn 200 W và dùng để theo dõi thời tiết, nhiệt độ và lưu lượng nước, giám sát lượng chất thải công nghiệp và rò rỉ đường ống

1.2.2 Các dạng hệ thống quang điện

1.2.2.1 Hệ thống hòa lưới [11]

Có hai dạng hệ thống quang điện kết nối lưới: trực tiếp và trữ ắc quy Module quang điện và bộ chuyển DC/AC là 2 thành phần thiết yếu trong cả 2 dạng hệ thống hòa lưới Module quang điện có vai trò chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành dòng điện một chiều, và bộ chuyển DC/AC chuyển dòng điện một chiều này thành điện xoay chiều

Hệ thống quang điện nối trực tiếp tương đối đơn giản hơn và hiệu quả hơn trong vài trường hợp Hệ thống này chuyển đổi tức thời dòng điện một chiều thành điện xoay chiều và kết nối vào lưới điện Hệ thống này không có biện pháp dự phòng vì nó không sử dụng bất cứ thiết bị trữ điện nào Nếu nguồn điện trung tâm

bị cắt, thì sẽ xảy ra hiện tượng mất điện ở đầu tải

Hệ thống quang điện sử dụng bình trữ điện ắc quy thì khắc phục được trường hợp mất điện khi nguồn điện trung tâm bị cắt Hệ thống bao gồm một bộ ắc quy và các thiết bị điều khiển điện tử phức tạp Một khi nguồn điện trung tâm bị cắt thường vào ban tối, điện dự trự từ ắc quy sẽ được sử dụng thay thế cho đến khi cạn nguồn

dự trữ Nếu nguồn điện bị cắt vào ban ngày, hệ thống pin quang điện sẽ liên tục nạp

ắc quy, từ đó kéo dài khả năng dự trữ điện cho ban tối

1.2.2.2 Hệ thống cục bộ [11]

Các hệ thống quang điện cục bộ được thiết kế để vận hành một cách độc lập đới với mạng điện lưới Qui mô và thiết kế của hệ thống dạng này phù hợp cho các tải điện một chiều và điện xoay chiều công suất nhỏ Hệ thống cục bộ có thể chỉ hoạt động dựa vào duy nhất các mạng module quang điện, hoặc có thể kết hợp với các nguồn khác khác như điện gió, máy phát diesel như nguồn phát thứ cấp (còn gọi là hệ quang điện liên kết – hybrid system)

Đối với hầu hết các hệ thống điện mặt trời gia dụng thì bình ắc quy được sử dụng để trữ điện mặt trời cho việc sử dụng vào buổi tối và vào các ngày không nắng hoặc nắng yếu Vào những ngày nắng tốt, bình ắc quy sẽ được sạc đầy nhờ dòng

DC từ module quang điện, và tải điện sẽ sử dụng điện sặc từ bình ắc quy

Hình 1.3: Hệ thống năng lượng mặt trời hòa lưới

- Ưu điểm đầu tiền và cũng là quan trọng nhất đó là nguồn năng lượng vô tận Không giống như năng lượng hóa thạch mà con người thường sử dụng, năng lượng mặt trời không có sự khan hiếm của nguyên liệu thô vì nguyên liệu thô của nó chính là ánh sáng mặt trời Một thứ luôn có sẵn trong tự nhiên

- Một ưu điểm lớn của nó nữa là nguồn năng lượng mặt trời triển khai rất dễ dàng trong công nghiệp, đặc biệt là trong dân dụng do diện tích lắp đặt của

nó tương đối đơn giản và tận dụng không gian rất tốt so với các nguồn năng lượng tái tạo khác Đặc biệt có thể triển khai ở hầu hết các nơi trên bề mặt Trái Đất

Hình 1.4: Hệ thống năng lượng mặt trời cục bộ

- Là một nguồn năng lượng mà có chi phí bảo dưỡng hệ thống nhỏ nhất, hầu như không cần tính đến do các tấm pin quang điện, do chúng có độ bền rất lớn, tuổi thọ cao

- Chi phí đầu tư của hệ thống năng lượng mặt trời so với việc đầu tư các hệ thống năng lượng khác cũng rất nhỏ, do tính đơn giản và dễ triển khai của hệ thống năng lượng mặt trời

- Là một nguồn năng lượng thân thiện với môi trường nhất Năng lượng mặt trời không thải ra các khí độc, khí cacbon dioxide gây hiệu ứng nhà kính như các nguồn năng lượng hóa thạch, không gây tiếng ồn như nguồn năng lượng gió

- Tính kinh tế cao do có thể triển khai được ở các vùng không có giá trị về mặt kinh tế cụ thể như là các vùng xa mạc

- Cùng với sự tiến bộ của khoa học công nghệ thì giá thành của nguồn năng lượng này chỉ có xu hướng giảm, chứ không dao động như nguồn năng lượng hóa thạch

- Sản lượng không được đều do sự biến đổi thường xuyên của bức xạ mặt trời

1.2.4 Các dự án năng lượng mặt trời đã được thực hiện

1.2.4.1 Một số nhà máy điện mặt trời trên thế giới

Trên thế giới năng lượng mặt trời đã được sử dụng rộng rãi và phổ biến ở các nước phát triển

- “Ivanpah Solar Electric Generating System” vận hành để cung cấp và phân phối điện năng cho bang California Nếu hoạt động hết công suất, hệ thống 3 tháp này sẽ tạo ra tổng cộng 392MW điện năng, đủ để cung cấp điện cho 140.000 gia đình Nó sẽ góp phần làm giảm thiểu 400.000 tấn CO2 thải ra môi trường mỗi năm, tương đương với việc cắt giảm khoảng 72.000 chiếc xe

ô tô lưu thông trên đường [13]

Hình 1.5: Nhà máy điện mặt trời Ivapah Solar Electric Generating

- Nhà máy điện mặt trời PS20 (Tây Ban Nha)

Hình 1.6: Nhà máy điện mặt trời PS20 PS20 bao gồm 1.255 tấm gương lớn có thể di chuyển được (còn gọi là kính định nhật), nằm xung quanh một tháp tích trữ năng lượng khổng lồ, gần thành phố

Nhà máy điện mặt trời PS20 được xây dựng từ năm 2006, hoàn thành và đi vào hoạt động trong năm 2009 PS20 có thể sản xuất được 48.000 MWh/năm, cung cấp cho 10.000 hộ gia đình trong khu vực, giúp giảm khoảng 12.000 tấn CO2 vào khí quyển [14]

1.2.4.2 Một số dự án điện mặt trời tại Việt Nam [12]

- Dự án điện mặt trời nối lưới đầu tiên ở Việt Nam trên nóc tòa nhà Bộ Công Thương Dự án có công suất 12kWp gồm 52module x 230Wp.Sử dụng pin của hãng SolarWorld Do CHLB Đức tài trợ, công ty Altus của Đức và Trung tâm Năng lượng mới ĐHBK Hà Nội kết hợp triển khai

Hình 1.7: Dự án điện mặt trời lắp tại tòa nhà Bộ Công Thương

- Dự án Phát điện hỗn hợp pin mặt trời- Diesel ở thôn Bãi Hương, Cù Lao Chàm, Quảng Nam Dự án gồm có 166 tấm pin mặt trời công suất 28KW và

2 máy phát có tổng công suất 20KW do Công ty Systech lắp đặt Tổng vốn

đầu tư 412.000USD trong đó chính phủ Thụy Điển tài trợ 332.000USD, còn lại do tỉnh Quảng Nam đầu tư

Hình 1.8: Dự án điện mặt trời tại Bãi Hương

- Trung tâm Hội nghị Quốc gia Mỹ Đình Tổng công suất 154KW

Hình 1.9: Dự án điện mặt trời tại Trung Tâm Hội Nghị Quốc Gia

Kết luận: Qua chương này cho chúng ta những kiến thức cơ bản về các nguồn năng lượng tái tạo đang được phổ biến hiện nay Cùng với đó là chi tiết về nguồn năng lượng mặt trời từ cấu trúc tế bào quang điện cho tới hệ thống pin mặt trời được sử dụng Phần cuối cùng chương là hình ảnh và giới thiệu về các dự án năng lượng mặt trời lớn trên thế giới cũng như tại Việt Nam

CHƯƠNG 2 CẤU TRÚC THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC

Nội dung tổng quát của chương là giới thiệu về các cấu trúc mạch động lực qua đó so sánh ưu nhược điểm của các cấu trúc để chọn ra cấu trúc tối ưu cho đề tài Cuối chương là phần tính toán chọn các thiết bị động lực.

2.1 Giới thiệu các cấu trúc điển hình

2.1.1 Cấu trúc Buck [1]

Đây là cấu trúc có chức năng giảm áp, ở trong cấu trúc này điện áp đầu ra thấp hơn so với điện áp đầu vào Cấu trúc cơ bản của mạch Buck được thể hiện như hình vẽ:

Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc Buck [1]

Cấu trúc Buck gồm có:

- Một nguồn áp một chiều đầu vào UV

- Khóa chuyển mạch T nối tiếp giữa nguồn áp đầu vào UV và diot D

- Cuộn cảm L nối tiếp giữa diot D và tụ lọc đầu ra C

- Cuối cùng là tải R

Hoạt động của cấu trúc Buck như sau :

- Khi khóa T đóng: Năng lượng được lấy từ đầu vào UV qua khóa T qua cuộn cảm L rồi ra tải R, tụ C được xả nạp phụ thuộc vào dòng điện trong cuộn cảm L và dòng điện qua tải R Lúc này dòng điện trong cuộn cảm L tăng và cuộn cảm L được nạp năng lượng Ở trạng thái này do D bị phân cực ngược nên không dẫn

- Khi khóa T mở: Nguồn áp UV bị cắt ra khỏi mạch Lúc này cuộn cảm L xả năng lượng qua tải, dòng điện trên cuộn cảm L giảm dần Tụ điện C xả nạp phụ thuộc vào dòng điện trên tải R và cuộn cảm L Lúc này diot D được phân cực thuận và dẫn làm cho dòng chảy năng lượng khép kín mạch Trong lúc

cả cuộn cảm và diot cùng ở trạng thái nghỉ thì tụ điện cung cấp năng lượng cho tải thông qua quá trình xả

a) Chế độ liên tục b) Chế độ gián đoạn Hình 2.2: Sơ đồ dạng sóng của cấu trúc Buck [1]

2.1.2 Cấu trúc Boost [1]

Cấu trúc Boost còn được gọi là cấu trúc nâng áp ở cấu trúc này điện áp đầu ra lớn hơn điện áp đầu vào Cấu tạo cơ bản của cấu trúc Boost được thể hiện trong hình 2.3:

2.1.3 Cấu trúc Buck - Boost [1]

Về chức năng thì cấu trúc Buck-Boost có thể coi là sự hỗn hợp của 2 cấu trúc trên vì điện áp đầu ra của cấu trúc này vừa có thế tăng hoặc giảm so với điện áp đầu vào Cấu tạo như hình vẽ 2.5:

Hình 2.5: Cấu trúc mạch Buck - Boost [1]

- Khi khóa T đóng: Lúc này năng lượng đi từ nguồn đầu vào UV qua khóa T qua điện cảm L sau đó khép mạch về nguồn Cuộn cảm được tích lũy năng lượng và dòng điện trong cuộn cảm tăng Ở trạng thái này thì diot D không dẫn Điện áp duy trì trên tải R do tụ C xả năng lượng

- Khi khóa T mở: Lúc này nguồn cung cấp bị ngắt ra khỏi mạch Cuộn cảm bắt đầu xả năng lượng và dòng điện trên cuộn cảm giảm dần Dòng điện chạy từ cuộn cảm L qua nạp tụ và qua tải R Lúc này diot D dẫn để khép kín mạch

a) Chế độ liên tục b) Chế độ gián đoạn Hình 2.6: Sơ đồ dạng sóng của cấu trúc Buck - Boost [1]

2.1.4 Cấu trúc Flyback [1]

Khác với 3 cấu trúc trên cấu trúc Flyback có cách ly về điện giữa nguồn đầu vào và tải đầu ra Do đó trong cấu trúc có thêm thành phần biến áp Ở cấu trúc này thì biến áp Flyback còn giống như một cuộn cảm:

Hình 2.7: Cấu trúc mạch Flyback [1]

Cấu tạo của cấu trúc Flyback như sau:

- Có biến áp gồm 1 cuộn sơ cấp N1 và một (hay nhiều) cuộn thứ cấp N2 Tỉ số

N1/N2 được tính toán để lấy được điện áp đầu ra thích hợp

- Một khóa chuyển mạch T được cung cấp xung điều khiển từ phần điều khiển

- Một diot D để chỉnh lưu đầu ra

- Một tụ điện C ở đầu ra

Hoạt động của sơ đồ:

- Khi khóa T đóng: Lúc này dòng điện chạy từ nguồn đầu vào qua cuộn sơ cấp

N1 của biến áp theo chiều từ cực tính tới không có cực tính rồi khép mạch về nguồn Lúc này cuộn N1 của biến áp tích lũy năng lượng Đồng thời cuộn thứ cấp N2 của biến áp của có điện áp đi từ có cực tính tới không có cực tính lúc này trên diot D bị phân cực ngược nên diot không dẫn Năng lượng có ở trên tải lúc này là do tụ C xả qua

- Khi khóa T mở: Lúc này nguồn bị ngắt ra khỏi cuộn sơ cấp Cuộn sơ cấp N1đảo cực tính và xả năng lượng Lúc này điện áp trên cuộn N1 đi từ đầu không

có cực tính tới đầu có cực tính, bên cuộn N2 cũng có 1 điện áp cảm ứng qua

Hình 2.8: Sơ đồ dạng sóng của cấu trúc mạch Flyback [1]

2.1.5 Cấu trúc Half - bridge [1]

Cấu trúc Half - bridge cũng là cấu trúc cách ly về điện giữa đầu vào và đầu ra thông qua biến áp, ở cấu trúc này cuộn cảm độc lập để tăng chất lượng dòng điện đầu ra Sơ đồ cấu trúc được thể hiện như hình vẽ 2.9:

Hình 2.9: Cấu trúc mạch Half – bridge [1]

- Hai diot D1 và D2 để chỉnh lưu dạng sóng đầu ra cuộn thứ cấp

- Phần tiếp là phần lọc gồm một cuộn cảm L và tụ điện C

Hoạt động của cấu trúc Half – bridge như sau:

- Ở chu kìa đầu thì khóa điện áp T1 dẫn, T2 khóa: dòng điện có chiều đi từ cực

“+” của nguồn đầu vào UV qua khóa T1 sau đó qua biến áp theo chiều từ đầu

có dấu cực tính đến đầu không có dấu cực tính rồi về điểm trung tính giữa 2

tụ C1 và C2 Lúc này bên 2 cuộn thứ cấp N21 và N22 mỗi cuộn cũng xuất hiện

1 điện áp cảm ứng có chiều từ đầu có cực tính đến đầu không có cực tính Do

D2 lúc này bị phân cực ngược nên không dẫn, chỉ có D1 dẫn, dòng điện chảy

từ đầu có cực tính trên cuộn sơ cấp N21 qua cuộn cảm L rồi cung cấp cho tụ

và N22 đều xuất hiện một điện áp cảm ứng có chiều “-“ ở đầu có cực tính và

“+” ở điểm 0 Do đó thì D1 bị phân cực ngược nên không dẫn, dòng điện đi

từ điểm không có dấu cực tính trên cuộn dây N22 qua D2 qua cuộn cảm L cung cấp cho tụ C và tải R

Hình 2.10: Sơ đồ dạng sóng của cấu trúc Half - bridge [1]

2.1.6 Cấu trúc Full - bridge [1]

Cấu trúc Full - bridge cơ bản giống với cấu trúc Half - bridge tuy nhiên ở phần

sơ cấp thay vì dùng 2 tụ nối tiếp chia đôi điện áp đầu vào và dùng 2 van cho 2 nửa thì cấu trúc Full - bridge dùng luôn 4 van và không cần chia đôi điện áp đầu vào Sơ

đồ cấu trúc được thể hiện trong hình vẽ 2.11:

Hình 2.11: Cấu trúc mạch Full - bridge [1]

` Cấu tạo của cấu trúc Full – bridge:

- Gồm có 4 khóa T1, T2, T3 và T4 được nối như hình vẽ

- Biến áp cách ly giữa sơ cấp và thứ cấp: gồm 1 cuộn sơ cấp N1 và 2 cuộn thứ cấp N21 và N22

- Tụ điện C1 để cân bằng từ thông trong cuộn sơ cấp

- Hai diot D1 và D2 để chỉnh lưu dạng sóng đầu ra

- Cuộn cảm L

- Tụ điện đầu ra C

Hoạt động của cấu trúc Full – bridge như sau:

- Ở chu kì đầu tiên T1 và T4 dẫn, T2 và T3 khóa: dòng điện đi từ nguồn đầu vào

UV qua T1, vào đầu có dấu cực tính của cuộn sơ cấp rồi ra ở đầu còn lại tiếp tục qua T4 rồi khép mạch về nguồn Lúc này trên 2 cuộn thứ cấp đều xuất hiện 1 điện áp cảm ứng có chiều cực tính giống với điện áp trên cuộn sơ cấp, điện áp này có dấu “+” ở đầu có dấu cực tính và dấu “-” ở đầu còn lại Do

đó D2 bị phân cực ngược nên không dẫn, dòng điện phía bên thứ cấp đi từ điểm có cực tính trên cuộn N21 qua D1 qua cuộn cảm L rồi cung cấp cho tụ C