Nghiên cứu điều khiển tối ưu và kết nối lưới của một hệ thống điện năng lượng mặt trời

Trang 1

TRUONG DAI HOC CONG NGHE TP.HCM

HU ea H "

ey

TRAN QUOC THANH

NGHIEN CUU DIEU KHIEN TOI UU VA KET NOI LUGI CUA MOT HE THONG DIEN NANG

LUONG MAT TROI

LUAN VAN THAC Si

Trang 2

CONG TRINH DUGC HOAN THANH TAI TRUONG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM aa?’ 2 tụ 1; Ch fcc Dug Can b6 hudng dan khoa hoc : ./.4685 8.2 £76 vy ớt (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Lo" Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP HCM ngày tháng năm

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

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội dong chấm bảo vệ Luận văn Thạc si) TT Họ và tên Chức danh Hội đồng 1 PGS TS Lé Minh Phuong Chủ tịch

2 PGS 1S Ngô Văn Dưỡng Phản biện 1 3 TS Huỳnh Quang Minh Phản biện 2

4 PGS TS Trương Việt Anh Ủy viên

5 TS Võ Viết Cường Ủy viên, Thư ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được

sửa chữa (nếu có)

Chú tịch Hội đồng đánh giá LV

Trang 3

PHÒNG QLKH _ ĐTSĐH Độc lập — Tự do —- Hạnh phúc

Tp.HCM, ngaye&f thang 2 năm 20.4 ˆ

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: TRÀN QUỐC THẠNH Giới tính: NAM

Ngày, tháng, năm sinh: 28/12/1979 Noi sinh: VINH LONG Chuyén nganh: KY THUAT DIEN MSHV: 1341830033

I- Tên đề tài:

NGHIEN CUU DIEU KHIEN TOI UU VA KET NOI LUGI CUA MOT HE THONG DIEN NANG LUGNG MAT TROI

II- Nhiệm vụ và nội dung:

- Khao sat tỉnh hình khai thác và sử dụng năng lượng điện mặt trời ở Việt Nam

- Nghiên cứu các đặc tính của PV và mô phỏng PV

- Nghiên cứu và xây dựng một hệ thống điện sử dụng năng lượng mặt trời thông qua PY - Mô phỏng nguyên lý làm việc của hệ thống điện sử dụng năng lượng mặt trời thông qua PV - Nghiên cứu điều khiển tối ưu và kết nối lưới của một hệ thống điện năng lượng mặt trời

IIH- Ngày giao nhiém vu: 18/8/2014

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 20/01/2015

V- Cán bộ hướng dẫn: TS HUỲNH CHAU DUY

Trang 4

LOI CAM DOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng đuợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

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

được cảm ơn và các thông tin trích dan trong Luan vin đã đuợc chỉ rõ nguồn gốc

Học viên thực hiện L uận văn

_

Trang 5

LỜI CÁM ƠN

Đầu tiên, Em xin chân thành cám ơn Trường Đại học Công nghệ TP HCM,

Phòng quản lý khoa học và đào tạo sau đại học, Khoa Điện - Điện tử đã hỗ trợ, tạo

điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành khóa học và đề tài luận văn

Đặc biệt em xin chân thành cám on Thay, Tién Si HUYNH CHAU DUY da

tận tình giúp đỡ, đóng góp những ý kiến quý báo và hướng dẫn em thực hiện hoàn

thiện Luận văn này

Cuối cùng, xin cảm ơn tập thể lớp 13SMĐI1, đồng nghiệp và gia đình đã tạo

điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện Luận văn

Trang 6

1H

TÓM TẮT

Luận văn tập trung các vấn để liên quan đến “Nghiên cứu điều khiến tối ưu và kết nối lưới cúa một hệ thống điện năng lượng mặt trời ” mà bao pồm các nội dung như sau:

+ Chương l: Giới thiệu

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

+ Chương 3: Pin quang điện

+ Chương 4: Hệ thống pin quang điện kết nối lưới

+ Chương 5: Giải thuật bám điểm công suất cực đại

+ Chương 6: Mô phỏng điều khiển tối ưu và kết nối lưới của một hệ thống

điện năng lượng mặt trời

Trang 7

ABSTRACT

This thesis focuses on issues related to "Maximum power point tracking control and grid connection of solar energy power systems" that includes the following contents:

+ Chapter 1: Introduction

+ Chapter 2: Literature review of solar energy + Chapter 3: Photovoltaic cells

+ Chapter 4: Solar energy systems connected with grid + Chapter 5: Maximum power point tracking algorithms

+ Chapter 6: Simulation results of maximum power point tracking control and its connection with grid

Trang 8

MUC LUC LỜI CAM ĐOAN 222222222222 ct 1212122712111111111 1.1.0.1 re i LOL CAMO 0 ii ¡90v 0 — ,ÔỎ iii F5) (a0 iv MUC LUC oon .,.ÔỎ V

DANH SÁCH BẢNG ccc22 22222222221 1 mcrrrriiio viii

DANH SÁCH BẢNG - 2c nh re viii

M J7 10:0:in):0/00117 ix

Chron 0011 1 LoL GiGt thigu 1

1.2 Tính cấp thiết của đề tài tri 2

1.3 Đối trợng nghiên cứu -:-s-S:<21121118211E211271271E1115111111E711E1x E11 xe 2 1.4 Phạm vi nghiÊn CỨU, -s+cxc2x112112111212121127111 11711101111117171-11 1-1 3

1.5 Mục tiêu và nội dung nghiÊn CỨU . - SĂ ng kg 3 1.6 Phuong phap nghién UU 3

1.7 Bố cục của luận vănn -t2c< St T111 111111 11111111111 0111110110811 kg 3

0060721777 5

2.1, Cu tric mat trOi [2] eecccccsssssssseesesscccsssnenseeseceecessnnnessesecessnnnmnseseeeeeesnnmasess 5

2.2 Quỹ đạo của trái đất quanh mặt trời [2] . -+- + +©c++cxecrxerkzerxerxerrxe 7

2.3 Góc cao độ của mặt trời vào buổi trưa [2] . - 5 +ec+zE+zEkrxersrrsrse 7

2.4 Bức xạ mặt trời [2], s-©©++2Y+EEEEt2EEE12115612112213111211121121111212112214.12 xe ọ

2.5 Ứng dụng năng lượng mt tri [ 1], 2-â-2âđ+2+Se2+Exe+EEkztzkEerrrert 12 " No on 13 2.5.2 Nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời -«-«« 14

2.5.3 Động cơ Stirling chạy bằng 080 15

2.5.4 Thiết bị đun nước nóng bằng NLMT ‹5-c5ccccccrvserrerrreee 15

2.5.5 Thiết bị làm lạnh và điều hồ khơng khí dùng NLMT 16

2.6 Tình hình khai thác năng lượng mặt trời tại Việt Nam .- 17

Trang 9

kể: 8 6 6 .-<4dädŒ£Œ«£Œg.L H, 24

3.2 Sơ đồ thay thế đơn giản của PV . . c c2 2 2211211111111 26

ki GIÀN —- ƠỎ 28 km ÍŸàc 29

3.5.1 Nối nối tiếp nhiều module PV ¿- se ts2212213111215.1101121e1xerLe 30

3.5.2 Nối song song nhiều module PV set 2seEE+E£xszEerEerxeresrerree 30

3.5.3 Nối hỗn hợp nhiều module PV 2-2 + +se+xe+xeexxecrxerxecrerrea 30 3.6.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ -2-22+xt222A.22213.2221 E111 222.esrrrree 32 3.6.3 Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm . -csccsccsccrrerreerree 33 3.7 Các hệ thống PV ứng dụng - c2 TH 1111321111271 11.112 1xeE 37 3.7.1 Hệ thống PV kết nối lưới -2-2++z2+2E+2£222+Et+2Exzerrrksrrrkrree 37 3.7.2 Hệ thống PV độc lập -¿ 2t c221222122122112211221.113221.21 1.21 38 3.7.3 Hệ thống PV kết hợp 2-+2++2222L+227122221111222112271222712.221.Xe 38 CHUONG 4 oo 43

ALD GiGi sẽ nai“ 43

4.2 Cau hinh DC/DC — DC/AC wie ssccssssesssesssesssesssscssvecssecssesssccrssssecessecsscassseseeessees 44 4.2.1 Bộ biến đổi DC/DC 2222-222+2222111221121221122211122711.2112 c2 44 4.2.2 Bộ biến đổi DC/AC - 22c 22x22 221211222111111112111.211.2111.111e c1 re 47 4.3 PLIL 3 pha -2-2¿-©©S¿+SEEt+EEEEEEECEEEE2221E22112111221212111211121112112 21 e 49 4.3.1 Phase det€CtOT - - - - L L SSS 231 121123001 111100211 118801 11 c1 n3 eg 49 43.2 VCO ` ÔỎ 50

4.3.3 Bộ nghịch lưu 6 khóa và giải thuật Space V ecfor c<ccce: 55

4.3.3.1 Bộ nghịch lưu 6 khóa - s9 ng ghen set 55

4.3.3.2 Điều chế vector không gian -.-. -5-ccsccveccreecrererrerrrcces 57

CHUONG TS 60

PIN cm ẽ ẽaa+<‹ 60

5.2 Giải thuật P&O (Perturb and Observation) [I9] .-¿ <<s<c<<<<s<s<es 61 5.3 Thuật toán điện dẫn gia ting (Inc - Incremental Conductance) [19] 64

Trang 10

vii

5.5.2 Phương pháp điều khién trure tiép cccscesssssscssesssseecsssesssecsssecesssesanecessess 68

5.5.3 Phương pháp điều khiển đo trực tiếp tín hiệu ra - - 70 0, 1 72 TC 8h e.- TĐ H, ,ÔỎ 72 6.2 Mô phỏng pin quang điện (PY) - on HH t1 01c eg 73 6.3 Khối DC/DC MPPT 2-©2z+2Ex222211122127112211271112171 2711.2211.211 76 6.4 Kết quả mô phỏng tương ứng với điều kiện bức xạ thay đổi và nhiệt độ 0n fNSNNNNn.: ÔÒỎ 77 6.4.1 Điều kiện bức xạ, G = 1 kW/m” và nhiệt độ, T = 25°C 17

6.4.3 Điều kiện bức xạ, G = 0,6 kW/m? va nhiét độ, T = 25%C 81

6.5 Kết quả mô phỏng trơng ứng với điều kiện bức xạ không đổi và nhiệt độ hrì 8: RE < ÔỎ 83 6.5.1 Điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m? va nhiét độ, T = 15°C 83

6.5.2 Điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/mỶ và nhiệt độ, T = 25C 85

6.5.3 Điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m? va nhiét độ, T = 300C 87

6.5.4 Điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m? va nhiét độ, T = 35°C 80

0 nìo, 0 92

rn«, ,ƠỎ 92

Trang 11

DANH SACH BANG

Bảng 2.1 Bảng ngày số n của ngày đầu tiên của mỗi tháng . -s-ccece: 7

Bảng 2.2 Bảng thống kê góc ỗ của ngày 21 mỗi tháng -:s+ccczcreeei §

Bảng 2.3 Tiềm năng năng lượng mặt trời tại Việt Nam . c cxccccec 18

Bảng 3.1 Bảng phân loại tuần hoàn trích lược với tỉnh thể Silicon thuộc nhóm IV 25

Bang 4.1 Điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu ứng với mỗi trạng thái đóng ngắt 56

Bảng 5.1 Bảng tóm tắt thuật toán leo d6i PRO ose cccceccesscscecseceseccscececeenesseesesees 61

Bảng 6.1 Thông số của 01 PV và hệ với 10 PV -¿ 2tvcccrteEEeEkerkerkeerkee 74 Bảng 6.2 So sánh các kết quả mô phỏng tương ứng với điều kiện bức xạ thay đi,

Trang 12

ix

DANH SACH HINH VE

Hình 2.1 Cầu trúc của mặt trời .+c2222221122222 111 1E rrrei 5

Hình 2.2 Quỹ đạo trái dat quay quamh mat tri ecseessessssecseecsecceeessesssecssvecavessee 7

Hình 2.3 Một cách nhìn quỹ đạo trái dat dé dé tinh gOc 8 oe eeccccsecsseccseesssessssceseesees 8

Hinh 2.4 Gdc cao dQ mat tron eccssssesssssessesccssseesceccssssscssseassussvensaversesaeeeee 8 Hình 2.5 Dat bite xạ điện †Ừ csscessesssccscssceecseseectccscescesecsessessevsceacsucsuceasaee 9 Hình 2.6 Góc nhìn mặt trỜI - - 2à cuc kh ng KH HH1 Tnhh ng Tre 10

Hinh 2.7 Qua trinh truyén nang lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển của trái

GAL .d3+ 12

Hình 2.8 Hệ thống pin mặt trời 22-©22set EEkEEEE11221531 2211127211221 xe 13

Hình 2.9 Nhà máy điện mặt trời ¿2622x422 1v cv xxx TH TT re 14 Hình 2.10 Tháp năng lượng mặt trod 2s xxx t1 1E1711 13 11111 1111.1211 rxeg 15

Hình 2.11 Động co Stirling dtng NNUMT uu ccccesscssecssscscscesescsesceseesareeeaseens 15

Hình 2.12 Hệ thống cung cấp nước nóng dùng NLMT, 2222222zzzrccccrr 16

Hình 2.13 Tu lanh ding pin mat trot cccccssesccsssesesesesecsescsssesscessestasssvscenenens 17

Hinh 2.14 Hé thong lanh hap thụ dùng NLMT, 222tttczczszzrrrreeseee 17

Hinh 3.1 Phé nang long mat trod oe ees eccseecsseesssecssseesssesseseessevecssecsseeraveceaeess 24

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

là Ầ 25

Hình 3.3 Mô hình đơn giản của PV., - cc cuc n1 H11 211 1103011111111 keesrei 26

Hình 3.4 Sơ đồ thay thế đơn gián của PV cccccccceceeeee 26

Hình 3.5 Các tham số quan trọng của PV: dòng điện ngắn mạch, 7„ và điện áp hở

¡0 117777 27

Hình 3.6 Mô hình thay thế PV có xét đến các tổn hao . -ccccccccccree 28

Hình 3.7 Đặc tính PV có xét đến các ảnh hưởng của Â, và Â, 28 si 00001) 02A An “ eee 29 Hinh 3.9 Dac tinh ca module PV - Ác C11 11 HH HH kg ren ray 29

Hình 3.10 Các module PV được kết hợp nối tiếp với nhau -cscc-cccccc¿ 30

Hình 3.11 Các module PV được kết hợp song song với nhau -ss-:- 30

Trang 13

Hinh 3.13, Dac tuyén V-I cia PV với các cường độ chiếu sáng khác nhau và nhiệt

độ PV không đổi, 25C -2- Set SEEE21322231721271127117111171211271 011.11 32 Hình 3.14 Đặc tuyến V-I của PV với các nhiệt độ khác nhau và cường độ chiếu

sang khong o0 82 na “4 32

Hình 3.15 Module PV với ø PV trong trường hợp module không bị che khuất 33

Hình 3.16 Module PV với ø PV trong trường hợp module bị che khuất một phần 33

Hình 3.17 Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm đối với module PV 34 Hình 3.18 Module PV với nhiều PV bị che khuất 2 2-cxeeserxrerkxrrrex 35

Hinh 3.19 Module PV str dung điode bypaSS cong ng, 35 Hình 3.20 Đặc tính của PV trong trường hợp sử dụng diode bypass 36 Hình 3.21 Đánh giá so sánh giữa các trường hợp có và không có diode bypass .36

Hình 3.22 Hệ thống PV kết nối lưới .- 2-2 +xe++x£xe+rxe+xeerxevrxrrxerreeree 37

Hình 3.23 Hệ thống PV độc lập 2c ©+kSLx2Tx2EE321152111271171211E 11x Ex.ee 38 Hình 3.24 Hệ thống PV kết hợp -5+- x22 xe xEExEExeEkevrxerrerrrrrrerrrrree 38 Hình 3.25 Sơ đồ hệ thống điện gia đình - ¿+s+xEEEEEEEEEEEEEX3E xe rrkrris 40 Hình 4.1 Sơ đồ khối mô tả hệ thống PV kết nối lưới - ¿5555552 43

Hin UNnn 43 Hình 4.3 Kiểu TransformerleĐs 22â2+s+2+2e9EEEEEEAEE2211711E 21222112721 cee 44 Hỡnh 4.4 Các bộ biến đổi DC-DC chuyển mạch cỗ điển . ¿-c55-: 45

Hình 4.5 Bộ biến đổi Buck-Boost 22-22 S2ztSCEEEE2Et2212271202221 713.21 re 45

Hình 4.6 Sơ đồ xung kích, dòng tải và dòng qua cuộn cả m - - 47

Hình 4.7 Sơ đồ nghịch lưu 3 pha hòa lưới + 2C+2ze+222xeeettrrersrrrrrrcree 47 Hinh 4.8 BO diéu nghich hu 3 pha hoa LUG eessesssescssecssecesessseessesseneesseens 48

Hình 4.9 Sơ đồ hệ thống điều khiển PLL, -222.2222EEEEE722222727 222Eee 49

li, 10888).8/i1208 00/99 50

Hinh 4.11 Sơ đồ thực hiện bộ PLL 3 pha ¿2£ V222 +EEEEEEezerrrrrrcee 51

l0 V9; lv ái 0n 51

Hinh 4.13 H@ truc toa d6 dq ou ccc cccsccsscesseseeseescesseeeesseseeeesscereeeeesreseseneenes 153 Hinh 4.14 Toàn bộ hệ thống nghịch lưu hòa lưới sử dụng PLL, , 54

Hình 4.15 Sơ đồ nguyên lý bộ nghịch lưu 6 khóa . -¿-c-:-ccs+ 55

Trang 14

xi

Hình 4.17 Các vector điện áp chuẩn và các s€cfOr, ccscsxtst122212211x2ccercrrr 58

Hình 5.1 Quan hệ điện áp và dòng của P .ccccc.k LH HH HH HH He 60

Hình 5.2 Thuật toán P&O khi tìm điểm làm việc có công suất lớn nhắt 61 Hình 5.3 Lưu đồ thuat todn P&O w cceccscscsssesssssescsssessssssessssccssevecsssesessusesesneeesssseessee 62

Hình 5.4 Sự thay đổi điểm MPP theo gia tăng bức Xạ s-ccccctecrvecrxecree 63

Hình 5.5 Thuật toán Ïne 5 < cà n TH TH ngu cư 64

Hình 5.6 Lưu đồ thuật toán Ĩne, -c+222s2+++2++cet11212121212121121/1111121 xe 66

Hình 5.7 Lưu đồ thuật tốn điện áp khơng đổi .2 ©c2ccccccvzeesrrrrerree 67

Hình 5.8 Sơ đồ khối phương pháp điều khiển MPPT sử dụng bộ bù PI, 68

Hình 5.9 Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển trực tiếp MPPT 69

Hình 5.0 Mối quan hệ giữa tổng trở vào Rin và hệ số làm việc D 70

Hình 6.1 Sơ đồ hệ thống điện năng lượng mặt trời bám điểm công suất cực đại và

¡U08 ĐN 72

Hình 6.2 Sơ đồ mô phỏng hệ thống điện năng lượng mặt trời bám điểm công suất UC Mai Va OE WOE ec ecceecsseccseccsessscessucssuessuessvecasessucssucsssessivessecssecsssessussssesseccaveens 73 Hình 6.3 Hệ pin quang điện (10 nối tiếp x 02 song song) . -5- s2 74 Hình 6.4 Hệ pin quang điện tương ứng với các điều kiện bức xạ, G (KW/m?) và

nhiệt độ, T (“C) khác nhau 22-2 +E+E£EE+SEEEEEE1E1711E22121711.1221e-Eeerrek 74 Hình 6.5 Lưới 3 pha điện áp 220 kV và tần số 50 Hz ¿©c6+©cczccszcrez 75

Hình 6.6 Đặc tuyến V.] tương ứng với các điều kiện bức xạ I kW/m2: 0,8 kW/m?

va 0,6 kW/m? va nhiệt độ môi trường 25 ŸC -: 22-©2+2vEEEA212E11e1271eesErLxee 75 Hình 6.7 Đặc tuyến V-P tương ứng với các điều kiện bức xạ 1 kW/m?; 0,8 kW/m?

và 0,6 kW/m? va nhiệt độ môi trường 25 76

Hình 6.8 Bộ biến đổi DC/DC và bám điểm cô ng suất cực đại (MPPT) 76

Hình 6.9 Điện áp, V qạ Q Q LH HH TH TH HH HH HT TH TT TH HC cư He 77

Hình 6.10 Cường độ dòng điện của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứn g

với điều kiện bức xạ G = 1 kW/m? va nhiét độ, T = 25°C ccceccezvrrzr 78

Hình 6.11 Điện áp của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều kiện

bức xạ G = 1 kW/m” và nhiệt độ, T = 25ŸC 5+ 22 vscttvErrrrrrtrrrrrrrrrrrie 78

Trang 15

Hình 6.13 Cường độ dòng điện của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng

với điều kiện bức xạ G = 0,8 kW/m” và nhiệt độ, T = 25°C ccc:scccecvee 79 Hình 6.14 Điện áp của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều kiện bức xạ G = 0,8 kW/m? và nhiệt độ, T = 25C, -.-©:s 22x 12152922512221221232222eecExe 80 Hình 6.15 Công suất của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều kiện bức xạ G = 0,8 kW/m” và nhiệt độ, T = 25C -2©2ccS2Et2EE122152225e22secEei 80

với điều kiện bức xạ G = 0,6 kW/m? và nhiệt độ, T = 25°C -.222:22czzzx 81

bức xạ G = 0,6 kW/mẺ và nhiệt độ, T = 25°C -2¿-cc+t+22EEt1E21151221123122122212xce2 81

Hình 6.18 Công suất của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều

kiện bức xạ G = 0,6 kW/m” và nhiệt độ, T = 25°C - 2ce+vkzxrerrersrzreree 82

Hình 6.19 Đặc tuyến V-P tương ứng với các điều kién bitc xa 0,8 kW/m? va nhiét độ môi trường 15 ÝC -:k 121 E11 11112115111112111111102111111112111211ecEEEeeErerrree 83

với điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m” và nhiệt độ, T = 15ỦC c¿-+2cczrccca 84

bức xạ, G = 0,8 kW/mÝ và nhiệt độ, T = 15°C, 225sSEESE11221522552115.22x22xecze 84 Hình 6.22 Công suất của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều

kiện bức xạ, GŒ = 0,8 kW/n” và nhiệt độ, T = 15°C, 2.©csc2xeEEEEEEEEExcrrscres 85

Hình 6.23 Cường độ dòng điện của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương Ứng

với điều kiện bức xạ G = 0,8 kW/m? va nhiệt độ, T = 25°C -c.sccccccee 85

Hình 6.24 Điện áp của hệ thống điện năng lượng mặt trời trơng ứng với điều kiện

bức xạ G = 0,8 kW/m” và nhiệt độ, T = 25C .ccetS22E111221112111112121e1222 xe 86

kiện bức xạ G = 0,8 kW/m” và nhiệt độ, T = 25C 2 cccxeetcvrvrerrrrrreesrre 86

Hình 6.26 Đặc tuyến V-P tương ứng với các điều kiện bức xạ 0,8 kW/m? va nhiét

độ môi trường 30 ŸC, -sc+2221x21221211122111112112111712111112111212111117111ee 21212 87

Trang 16

xHI

Hình 6.28 Điện áp của hệ thống điện năng lượng mặt trời trơng ứng với điều kiện

bức xạ G = 0,8 kW/m và nhiệt độ, T = 30ŸC ¿-©22c++2xxv2ExtEkxesrrrrrrreerree 88 Hình 6.29 Công suất của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều kiện bức xạ G = 0,8 kW/m” và nhiệt độ, T = 30C ¿-2-©se+xeecxerrerrxerree 88

Hình 6.30 Đặc tuyến V-P tương ứng với các điều kiện bức xạ 0,8 kW/mˆ và nhiệt

h8 0085 ìo, c9 89

với điều kiện bức xạ G = 0,8 kW/m? va nhiệt độ, T = 35C c-e- 89

bức xạ G = 0,8 kW/m” và nhiệt độ, T = 35C - ¿2+2 xeEteErkrrtrrrkrrrrer 90

Trang 17

Giới thiệu

1.1 Giới thiệu

Vấn đề khủng hoảng năng lượng điện đã và đang được thế giới nói chung và

Việt Nam nói riêng đặc biệt quan tâm Để giải quyết vấn đề này, đã có rất nhiều dé

xuất của việc sử dụng các đạng năng lượng khác nhau để tạo ra năng lượng điện, dưới các dạng năng lượng tái tạo Một trong số đó có năng lượng mặt trời

Mặt trời là một khối cầu lửa không lồ, tại đó những phản ứng nhiệt hạch xảy ra liên tục và phát ra nguồn năng lượng dường như vô tận Những phản ứng nhiệt

hạch trên mặt trời đã và đang diễn ra hàng triệu triệu năm mà chưa ai dự đoán được

thời điểm kết thúc của nó Trái cầu lửa mặt trời không lồ ấy mới chỉ truyền một phần năng lượng nhỏ bé của nó xuống trái đất cách xa hàng triệu km mà con người chúng ta đã cảm thấy sức nóng khủng khiếp của mặt trời ở nhiều vùng Năng lượng mặt trời

đã mang lại sự sống cho trái đất và cũng có thể thiêu trụi cả trái đất nếu trái đất

không có tầng ô zôn và khí quyên bảo vệ

Có thể nhận thấy răng, năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng sạch không giống như bắt kỳ một nguồn năng lượng nào khác mà chúng ta đang khai thác trên trái đất Ví dụ như thủy năng gây đột biến dòng chảy của sông và làm mất cân

bằng sinh thái ở khu vực hạ lưu dòng sông đó; nhiệt điện gây bụi và ô nhiễm môi

trường bằng khí CO;: còn năng lượng hạt nhân có khả năng gây nhiều nguy cơ kinh khủng hơn nữa Nếu chúng ta tận dụng được nguồ n năng lượng mặt trời để phục vụ

đời sống và phát triển đất nước là một công việc rất có ich và có thể bảo vệ được môi

trường sinh thái [1]

Một trong các ứng dụng chính ở tầm vĩ mô của nguồn năng lượng mặt trời là

bài toán sản xuất năng lượng điện thông qua hệ théng PV (Photovoltaic, PV) Cac

ứng dụng này có thể độc lập trong các hộ gia đình, phục vụ chiếu sáng đường phó, xe điện, quân sự và các ứng dụng không gian hoặc là một hệ thống được kết nối với

lưới điện quốc gia Trong các hệ thống PV này đang tồn tại hai vấn đề lớn:

- Hiệu suất chuyển đổi của năng lượng mặt trời thành năng lượng điện là rất

Trang 18

- Năng lượng điện được tạo ra bởi PV thay đổi liên tục đưới các điều kiện

thời tiết khác nhau

Mặt khác, đặc tính V-—I của PV là phi tuyến và cũng sẽ thay đối đưới các điều

kiện nhiệt độ và bức xạ khác nhau và trên các đặc tuyến V_] hoặc V_P sẽ tồn tại một

điểm duy nhất mà được gọi là điểm công suất cực đại (Maximum power point,

MPP) Vi tri của các MPP là không xác định được, nhưng có thê đạt được thông qua

các mô hình tính toán hoặc các thuật toán tìm kiếm Sau khi các MPP đã được xác

định, các kỹ thuật bám MPP sẽ được sử dụng để duy trì điểm làm việc của các PV

luôn luôn là MPP

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 hiệu suất chuyên đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện của hệ PV là hoàn toàn có thể được tối ưu, nhằm nâng cao hiệu qua khai thác Điều này cũng có nghĩa là sẽ giảm bớt gánh nặng cho các nguồn năng lượng điện truyền thống như thủy điện hay nhiệt điện Bên cạnh là giải

pháp kết nối hệ thống điện năng lượng mặt trời với lưới điện quốc gia Chính vì các

lý do trên, đề tài “ Nghiên cứu điều khiển tối ưu và kết nối lưới cia một hệ thống

điện năng lượng mặt trời” được lựa chọn và thực hiện trong luận văn này

1.2 Tính cấp thiết của đề tài

Nguồn điện đang gánh chịu các áp lực nặng nề của sự cạn kiệt các nguồn năng lượng sơ cấp truyền thống (nước, nhiên liệu hóa thạch, ) Để giảm bớt các gánh nặng này, cũng như nâng cao hiệu quá khai thác của các nguồn năng lượng tái

tạo, đề tài được xem là cần thiết được nghiên cứu và triển khai 1.3 Đối tượng nghỉn cứu

Các nghiên cứu sẽ được thực hiện trên mô hình hệ thống điện mặt trời bao gom:

- Hé théng pin quang dién, PV

- Các bộ biến đổi DC-DC và DC-AC

Trang 19

- Khảo sát tình hình khai thác và sử dụng năng lượng điện mặt trời ở Việt Nam - Tổng quan các nghiên cứu đã được thực hiện li n quan đến đề tài

- Nghiên cứu và đánh giá vẻ lý thuyết cho các đặc tính của PV

- Nghiên cứu lý thuyết và xây dựng một hệ thống điện năng lượng mặt trời kết nỗi

với lưới điện

- Nghiên cứu các thuật toán bám theo điểm công suất cực đại của PV dưới các điều

kiện bức xạ và nhiệt độ khác nhau sao cho có thể tối ưu hóa năng lượng thu được 1.5 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

Đề tài “Nghiên cứu điều khiển tối ưu và kết nỗi lưới của một hệ thống

điện năng lượng mặt trời ” 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 ở Việt Nam - Nghiên cứu các đặc tính của PV - Mô phỏng PV - Nghiên cứu và xây dựng một hệ thống điện sử dụng năng lượng mặt trời thông qua PV

- Mô phỏng nguyên lý làm việc của hệ thống điện sử dụng năng lượng mặt trời thông qua PV

- Nghiên cứu điều khiển tối ưu và kết nối lưới của một hệ thống điện năng

lượng mặt trời

1.6 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu các tài liệu về điều khiển tối ưu và kết nối lưới của mộ t 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 7 chương:

Trang 20

4

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

điện mặt trời

+ Chương 3: Pin quang điện

+ Chương 4: Hệ thống pin quang điện kết nếi lưới

+ Chương 5: Giải thuật bám điểm công suất cực đại

+ Chương 6: Mô phỏng điều khiển tối ưu và kết nối lưới của một hệ thống điện năng lượng mặt trời

Trang 21

Tổng quan tình hình nghiên cứu và khai thắc nguồn năng lượng điện mặt trời

2.1 Câu trúc mặt trời [2J

Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1,390.10 ” km (lớn hơn 110

lần đường kính Trái đất), cách xa trái đất 150.105 km (bằng một đơn vị thiên văn

AU ánh sáng Mặt trời cần khoảng § phút để vượt qua khoảng này đến Trái đất)

Khối lượng Mặt trời khoảng Mạ =2.10”” kg Nhiệt độ Tọ trung tâm mặt trời

thay đổi trong khoảng từ 10.105 °K đến 20.105 °K, trung bình khoảng 15600000 °K

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 nỗ nhiệt hạch Khi quan sát tính chất của vật chất nguội hơn

trên bề mặt nhìn thấy được của Mặt trời, các n hà 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

Trang 22

6

Vung ké tiép 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), nafri (Na), stronti (Sr), crôm (Cr), niken (Ni), cacbon ( C), silic (Si) va cac khi như hidré (H2), héli (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 6000 °K, dày

1000 km, ở vùng này gồm các bọt khí sôi sục, có chỗ tạo ra các vết đen, là các hỗ

xoáy có nhiệt độ thấp khoảng 4500 °K và các tai lửa có nhiệt độ từ 7000 °K -10000

°K

Vùng ngoải cùng là vùng bất định và gọi là “khí quyên” của Mặt trời Nhiệt

độ bề mặt của Mặt trời là 5762 °K nghĩa là có giá trị đủ lớn dé 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 phố 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 ph 6 bién 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 nhữn g 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 Héli, 2 Neutrino và một lượng bức xạ

4H, — He, + 2 Neutrino + y (2.1)

Neutrino là hạt không mang điện, rất bền và có khả năng đâm xuyên rất lớn

Sau phản ứng các Neutrino lập tức rời khỏi phạm vi mặt trời và không tham gia vào các “biến cố” sau đó

Trang 23

theo các nhà nghiên cứu, trạng thái của Mặt trời vẫn không thay đổi trong thời gian hảng tỷ năm nữa Mỗi ngày Mặt trời sản xuất một nguồn năng lượng qua phản ứng

nhiệt hạch lên dén 9.1024 kWh (tire là chưa đầy một phần triệu giây Mặt trời đã giải

phóng ra một lượng năng lượng tương đương với tông 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 d=1.5* iu + ootrsn| #E -# | (2.2) Trong đó n là ký hiệu của ngày đầu tiên trong tháng, ví dụ như ngày 1 tháng 1 thi n=1, ngày 31 tháng 12 thì n= 365 Bảng 2.1 Bảng ngày số n của ngày đầu tiên của mỗi tháng ` | Mười | Mười Tháng | Một | Hai | Ba | Bôn | Năm | Sáu | Bay | Tám | Chín | Mười một 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

Trang 24

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 đi chuyển lên xuống như tiến độ mùa Vào ngày 21 thá ng 6 (hạ chí) mặt trời đạt đến điểm cao nhất của nó và một tỉa 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 ö Nó nằm trong

khoảng từ -23,45 độ đến 23,45 độ Và một cách tính xấp xi gan đúng cho rằng một năm có 365 ngày va đặt xuân phân vào ngày n = 81, góc õ sẽ được tính: 360 6 = 23.45 sin) ——(n-81 sn] 307 (n-81) 2.3) 2.3 tee, * ` G Dee 21 Hinh 2.3 Một cách nhìn quỹ đạo trai dat dé dé tính gó c 8 Từ công thức (2.3) ta có thể tính được góc 8: Bảng 2.2 Bảng thống kê góc ồ của ngày 21 mỗi tháng _ J Mười | Mười Tháng | Một Hai | Ba | Bon | Năm | Sáu | Bảy | Tám | Chín | Mười một hai õ(độ) | -20.1 | -I12 | 0 | 11.6 | 20.1 | 23.4 | 20.4 | 11.8 0 -11.8 | -20.4 | -23.4

Hình 2.3 không thê 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, cu thé đó là góc cao độ của mặt trời vào buổi trưa Góc cao

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

Trang 25

Góc cao độ của mặt trời vào buổi trưa là một thông số quan trọng để tham

chiếu với việc tính toán về năng lượng mặt trời

By =90°-L+6 (2.4)

Trong đó:

L là vĩ độ

2.4 Bức xạ mặt trời |2}

Trong toàn bộ bức xạ của mặt trời, bức xạ liên quan trực tiếp đến các phản

ứng hạt nhân xảy ra trong nhân mặt trời không quá 3% Bức xạ y ban đầu khi đi qua

5.105 km chiều dày của lớp vật chất mặt trời, bị biến đổi rất mạnh Tất cả các dạng

của bức xạ điện từ đều có bản chất sóng và chúng khác nhau ở bước sóng Bức xạ y

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 chuyền thành bức xạ Rơngen có bước sóng dài hơn Gần

đến bề mặt mặt trời nơi có nhiệt độ đủ thấp đề 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 khơng gian bên ngồi mặt trời là một phổ rộng trong đó cực đại của cường độ bức xạ nằm trong dải 10ˆ.10um và hầu như một nửa tổng năng lượng mặt trời tập trung trong khoảng bước sóng 0,38 -

0.78 um đó là vùng nhìn thấy của phổ

ĐỘ DÀI BƯỐC SÔNG í mm )

Jex2 -Đ Oexp 4 1exp-4 10exp -2 ;đxpt WMexp 2 exp 4 IDexp 6 Hexa8 iGexp 10 l 2 | Ì 1 | L | L i | + L L L + | Đức xạ rhiết Tis Gamera Tủ ngaai Radar, TY, Rado 3 | Tis Cosmic TaX mm Gn | om | | rato | mức Fr

' Ảnh sắng troag thấy 0.38 - 178 | Tía hồng ngoại Ân hông nàng | Séngngin — Sóng dài g di

ï 3 Nâng lượng wit ời

+} mm

Trang 26

10

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

trực xạ và tán xạ gọi là tong xạ Mật độ dòng bức xạ trực xạ ở ngoài lớp khí quyền,

tính đối với với 1m” bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ, được tính theo công thức: q=0p ;C/1 00)" (2.5) Trong đó: @p ;: hệ số góc bức xạ giữa trái đất và mặt trời 2 Pp r= _ (2.6) Trong đó: B: góc nhìn mặt trời

Cạụ=5.67 W/m.K!: hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối

T=5762°K: nhiệt độ bề mặt mặt (xem giống như vật đen tuyệt đối) Mặt trời De f 390000km Trái đất t49 500 0đ km #178 Hinh 2.6 Góc nhìn mặt trời Như vậy: cai * 4 q= Tu ưnn L2 ~1353W /m? 4 100 (2.7)

Do khoảng cách giữa Trái đất và Mặt trời thay đổi theo mùa trong năm nên B cũng thay đổi, do đó q cũng thay đổi nhưng độ thay đổi này không lớn lắm nên có

thể xem q là không đổi và được gọi là hằng số mặt trời

Khi truyền qua lớp khí quyển bao bọc quanh Trái đất, các chùm tia bức xạ bị

Trang 27

phân ly thành ôxy nguyên tử O; để phá vỡ liên kết phân tử đó, cần phải có các photon bước sóng ngắn hơn 0,18m, 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 phân 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 dé tao thành phân tử ôzôn O;, 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

ngăn hơn 0,32nm, sự phân tách O; thành O; và 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 O; và O¿, đó là một quá trình én định Do quá trình này, khi đi qua khí quyền, bức xạ tử ngoại biến đổi thành bức xạ với năng lượng nhỏ hơn

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 thê 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 kế 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 ngảy quang đãng (không có mây) ở thời điểm cao nhất

Trang 28

12 ¬¬ BB SẼ tes , gỗ (OO 22/2/22 gai 42(2772à|ss| (2772 BÀ mặt ái dắt Hinh 2.7 Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyên của trái đất

Yếu tố cơ bản xác định cường độ của bức xạ mặt trời ở một điểm nào đó trên Trái đất là quãng đường nó đi qua Sự mắt mát năng lượng trên quãng đường đó gan

liền với sự tán xạ, hấp thụ bức xạ và phụ thuộc vào thời gian trong ngày, mùa, vị trí

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 66,5” và thực tế xem như không đổi trong không gian Sự định hướng như vậy của trục quay trái đất trong chuyên 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 [1]

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 ký 18 và cũng chủ yếu ở

những nước nhiều năng lư ợng 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

Trang 29

Thứ nhất là năng lượng mặt trời được biến đổi trực tiếp thành điện năng nhờ

các tế bảo 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 nảo 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 đài từ vĩ độ 8° Bắc đến 239

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/cm”.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 coe Hình 2.8 Hệ thống pin mặt trời

Pin mặt trời là phương pháp 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 bất kỳ ở đâu có

ánh sảng 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 nứớc phát triển

Trang 30

14

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 tô 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 băng 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 NUMT 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 dé 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 400°C Hệ thống nhận nhiệt trung tâm bằng cách sử dụng các gương phản xạ có định vị theo phương mặt trời dé tap trung NLMT đến bộ thu

đặt trên đỉnh tháp cao, nhiệt độ có thé đạt tới trên 1500C.Hệ thống sử dụng gương

parabol tròn xoay định vị theo phương mặt trời dé tập trung NLMT vào một bộ thu

Trang 31

Hình 2.10 Tháp năng lượng mặt trời

2.5.3 Dong co Stirling chay bang NUMT

Hinh 2.11 Dong co Stirling ding NNLMT

Ứng dụng NLMT để chạy các động cơ nhiệt - động cơ Stirling ngày càng được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi dùn g để bơm nước sinh hoạt hay tưới cây ở các nông trại Ở Việt Nam động cơ Stirling chạy băng 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

Trang 32

16

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 tắm phẳng hoặc dãy ống có cánh nhận nhiệt, với nhiệt độ nước sử dụng 60oC thì hiệu suất của bộ thu khoảng 45%,

còn nêu sử dụng ở nhiệt độ cao hơn thì hiệu s uât còn thập

2.5.5 Thiết bị làm lạnh và điều hồ khơng khí dùng NLMT

Trong số những ứng dụng của NLMT thì làm lạnh và điều hồ khơng 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 dat so với thu nhập trung bình của người dân Với các máy lạnh làm việc trên nguyên lý biến đối 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 thuơng mại hóa và sử dụng rộng rãi vì giá thành còn rất cao và hơn nữa các bộ

Trang 33

(dưới 45%) nên điện 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 có định có gương phản xạ để ứng dụng trong

kỹ thuật lạnh, với loại bộ thu này có thể tạo được nhiệt độ cao dé cấp nhiệt cho máy

Hình 2.14 Hệ thống lạnh hap thu ding NLMT

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

Lãnh thổ Việt Nam kéo dài từ 8—23° vĩ Bắc, nằm trong khu vực có cường độ

Trang 34

18

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 thái nhà kính và bảo vệ môi trường Đây được coi là nguồn năng lượng quý giá, có thê 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 đài 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 SỐ giờ năng koa nề mặt trời trung STT Khu vực trung binh nam binh 2 (giờ/năm) (kcal/cm“.năm) 1 | Đông Bắc Bộ 100 — 125 1500 — 1700 2_ | Tây Bắc Bộ 125—150 1750 — 1900 3 | Bắc Trung Bộ 140 — 160 1700 — 2000 4 |Nam Trung Bộ và 150 -— 175 2000 — 2600 Tay Nguyén 3 | Nam Bộ 130 — 150 2200 — 2500 Trung bình cả nước 130 — 152 1830 — 2450

Với tiềm năng về năng lượng và số giờ nắng trong năm như Bảng 2.3, Việt

Nam được đánh giá là một quốc gia có tiềm năng lớn về năng lượng mặt trời

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

Trang 35

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 nỗi 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—1000 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 dé phục vụ cho thắp sáng tai

các bệnh viện, trạm xá và các cụm văn hoá xã Đến nay có khoảng 800—1000 đàn 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 12 5 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 Dak Ha, tinh

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

Trang 36

20

- Ngoài ra, các dàn PV cũng đã được lap đặt tại các tinh Gia Lai, Qu ang

Nam, Bình Định, Quảng Ngãi và Khánh Hòa với công suất mỗi hộ gia đình tir 40-50 Wp Cac dàn PV da 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 đàn 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 cia cdc dan PV dung cho cdc hé gia dinh 1a tir 40-75 Wp

Cac dan PV dùng cho các tram bién phong, noi hai dao co céng suat la tir 165-300 Wp Cac dan PV dùng cho các trạm xá và các cụm văn hóa thôn, xã là từ 165 —525

Wp

Tại Quảng Ninh có hai dự án PV được thực hiện bằng vốn ngân sách nhà

nước là:

- Dự án PV cho đơn vị bộ đội tại các đảo vùng Đông Bắc Tống công suất

lắp đặt khoảng 20 kWp Dự án trên do Viện Năng lượng và Trung tâm Năng

lượng mới, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội thực hiện Hệ thống được sử

dụng chủ yếu dé 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 6120 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 Bang

- 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 đự án là 3000 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

Trang 37

- 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 2700 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” thăng trên thân trụ đèn và bên trong trụ có các bình ắc qui đùng 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 8000 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 thé thắp

sáng bốn ngày liền nếu không có nắng và g ió

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 sat (Pertuation & Observation algorithm,

P&O) [3]-[6], thuật toán gia tăng độ dẫn (Incremental Conductance algorithm, IC)

[3]-[7], mạng nơ-rôn nhân tao [8], Fuzzy logic [9], v v Cac 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 chỉ phí thực hiện cho mỗi giải pháp

Trên nền táng của thuật toán P&O, J Jiang, T Huang, Y Hsiao, va 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 so sánh 2 thời điểm Trong khi đó, thuật toán được giới thiệu so sánh 3 thời điểm từ đó mới ra quyết định tăng, giảm hay giữ nguyên giá trị của điện áp Có thể nhận ra

các ưu điểm của thuật toán này, việc so sánh 3 điểm có khả năng khắc phục được sự hoạt động sai của giải thuật P&O truyền thống khi có sự thay đổi nhanh của môi

trường chẳng hạn như cường độ bức xạ, nhiệt độ, v v Tuy nhiên đề xuất này

cũng tổn tại một vài khuyết điểm chắng hạn như khi cư ờng độ bức xạ thay đối mạnh

và kéo dài so với chu kỳ lấy mẫu thì thuật toán so sánh 3 điểm này có thê sai do

thuật tốn ln xác định được 3 điểm cùng tăng (nếu cường độ bức xạ tăng) hoặc 3

HUTECH LIBRARY 41-6360

Trang 38

22

điểm cùng giảm (nếu cường độ bức xạ giảm) và cuối cùng quyết định thay đổi giá trị điện áp sẽ không chính xác, ảnh hưởng đến hiệu quả của thuật toán [ 10]

Tương tự, để khắc phục cho các khuyết điểm của thuật toán P&O truyền thống, D Sera, T Kerekes, R Teodorescu và F Blaabjerg đã giới thiệu thêm một

thuật tốn bám điểm cơng suất cực đại trên nền tảng của thuật toán P&:O băng việc

lấy thêm các mẫu trung gian Ưu điểm của thuật toán này sẽ giúp bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại không bị nhằm lẫn khi cường độ sáng thay đổi tuyến tính

Trong khi đó, nhược điểm của thuật toán này là khi cường độ chiếu sáng thay đổi

không tuyến tính thì thuật toàn này có thể hoạt động sai [ 11]

M A Younis, T Khatib, M Najeeb và A M Ariffin [12] đã tiếp tục nghiên

cứu để kết hợp công nghệ mạng nơ-rôn nhân tạo và thuật toán P&O cho việc xây

dựng một bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại Các tác giả đã sử dụng mạng

nơ-rôn nhân tạo để dự báo giá trị điện áp tối ưu của hệ thống PV sao cho có thể đạt

được điểm công suất cực đại Cấu trúc mạng nơ-rôn được sử dụng trong nghiên cứu là cấu trúc lan truyền ngược với bốn tín hiệu ngõ vào mà tương ứng là cường độ

bức xạ, nhiệt độ, hệ số nhiệt của đòng điện ngắn mạch và hệ số nhiệt độ của điện áp

hở mạch của PV và tín hiệu ngõ ra của mạng nơ -rôn là giá trị điện áp tối ưu Các kết

quả mô phỏng trong nghiên cứu này cho thấy rằng bộ điều khiển bám điểm công

suất cực đại sử dụng công nghệ mạng nơ-rôn có các đáp ứng nhanh hơn bộ điều khiển sử dụng thuật toán P&O và đồng thời, hiệu suất bám trung bình cũng được cải

tiễn hơn thuật toán P&O một cách đáng kể

B Das, A Jamatia, A Chakraborti, P R Kasari va M Bhowmik [13] da

giới thiệu phương pháp chia đôi (Bisection method) cho bộ điều khiển bám điểm

công suất cực đại của hệ thống PV Thuật toán tìm ra được giá trị điện áp của mơ - đun PV, tính tốn công suất và cuối cùng là xác định và bám theo điểm công suất

cực đại Các kết quả mô phỏng trong nghiên cứu này cũng được sử dụng để so sánh

với các kết quả khác bằng việc sử dụng kỹ thuật P&O thông thường Kết quả so

sánh cho thấy rằng phương pháp đề xuất có khả năng đạt được giá trị công suất cực đại nhanh hơn thuật toán P&O

Bên cạnh các kỹ thuật đã được giới thiệu cho việc bám điểm công suất cực

Trang 39

khiển bám theo mặt trời cũng được đề cập giải quyết sao cho khả năng khai thác

được từ nguồn năng lượng mặt trời là lớn nhất G Deb, A B Roy; T Tudorache,

C D Oancea, L Kreindler và J Rizk, Y Chaiko [14]-[16] đã thực hiện các nghiên

cứu, thiết kế và thực hiện một hệ thống bám theo mặt trời cho hệ thống PV Một hệ

thống bám đơn trục đã được đề xuất trong nghiên cứu này để đảm bảo việc tối ưu

hóa khả năng chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng bằng cách định

hướng đúng các PV theo vị trí thật của ánh năng mặt trời Hoạt động của mô hình

thử nghiệm trong nghiên cứu được dựa trên một động cơ bước mà được điều khiển

thông minh và một hệ thống truyền động để điều khiển mô-đun PV theo các tín hiệu nhận được từ hai cảm biến ánh sáng Các kết quả đạt được trong nghiên cứu này cho thấy rằng mô-đun PV luôn luôn di chuyển mô-đun PV theo cường độ ánh sáng

của mặt trời

Tương tự, N Barsoum, P Vasant [17] cũng đã giới thiệu một thiết kế khác

cho hệ thống bám theo mặt trời Hệ thống này được điều khiển bởi vi điều khiển

Trang 40

24

Chuong 3 Pin quang dién

3.1 Giới thiệu

Mặt trời bức xạ năng lượng tương ứng với một dãy bức xạ rất rộng Tuy nhiên, có thể nhận ra rằng không phải bức xạ nào cũng có thể tạo ra hiện tượng quang điện Thực tế, chỉ có những bức xạ với bước sóng, À có năng lượng lớn hơn mức năng lượng kích hoạt electron thì bức xạ ay mới có khả năng tạo ra hiện tượng quang điện Hiện tượng ánh sáng, có bước sóng ngăn làm bật các elecfron ra khỏi mặt kim loại gọi là hiện tượng quang điện, các electron bị bật ra gọi là electron quang điện

Phổ năng lượng mặt trời tác động lên PV, hình 3.1 cho thấy rằng 20,2% năng

lượng mặt trời tổn hao không có tác dụng do có năng lượng thấp hơn mức năng lượng tối thiểu để kích hoạt các electron ra khỏi trạng thái tĩnh của chúng (hv < Eg); 30,2% bị mất đi ở các vùng năng lượng (hv > Eg) và chỉ có 49,6% năng lượng hữu

ích có thể được thu bởi PV [18] 1400 UV 2%! Nhin thấy 54⁄4 IR 44% : ' i D Năng lượng vô ích, hụ > Ey gene ¬ 30,2% = 4 La) 8000 - > ¬— 52800 1 Năng lượng hữu ích 5 49,6% 5 ‹# 600 - 3 Năng lượng v6 ich, hu < E, a 20,2% adang 4 & Chiều dài mức năng lượng © kích hoat 1,1 1m 200 + 0 4 00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26

Chiéu dai song (um) Hình 3.1 Phố năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời có thể được xem như là một trong các dạng quang năng

Định dạng
Số trang	110
Dung lượng	3,22 MB