Xây dựng giải thuật bộ nghịch lưu hòa lưới một pha

Trong quá trình hoạt động của các bộ pin năng lượng mặt trời kết nối lưới điện phân phối, ngoài việc phải hoạt động tại điểm có công suất lớn nhất theo sự thay đổi của cường độ bức xạ mặ

TRAN QUOC KHANH

XAY DUNG GIAI THUAT BO NGHICH LUU

HOA LUOI MOT PHA

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS Trương Việt Anh

2 | TS Ng6 Cao Cường Phan bién 1

3 | TS Dinh Hoang Bach Phan bién 2

5 |TS Nguyén Minh Tâm Uy vién, Thu ky

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

sửa chữa (nếu có)

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng 05 năm 2014

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên: Trần Quốc Khánh Giới tính: Nam

Sinh ngày: 20/08/1981 Nơi sinh: Vĩnh Long

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện MSHV: 1241830012

I TEN DE TAI:

XÂY DỰNG GIẢI THUẬT BỘ NGHỊCH LƯU HÒA LƯỚI MỘT PHA

Il NHIEM VU VA NOI DUNG

- Xây dựng hoàn chỉnh mô hình kết nối bộ chuyển đổi năng lượng mặt

trời hòa đồng bộ lưới điện quốc gia

- Đưa ra giải thuật và chương trình để tính toán bộ chuyển đổi nguồn

năng lượng mặt trời vào lưới điện quốc gia

- Ứng dụng giải thuật tối ưu hóa bầy đàn (PSO) để giảm THD cho

dòng điện bơm vào lưới điện phân phối

- Mô phỏng trên Matlab-Simulink để kiểm nghiệm sự đúng đắn của

thuật toán nêu ra

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 12/06/2013

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 28/03/2014

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Trương Việt Anh

(Họ tên va chit ky) (Ho tén va chit ky)

Ne

Truong Viét Anh

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai

công bố trong bắt kỳ công trình nào khác

Tp Hô Chí Minh, ngày tháng năm 2014

— 2

Trần Quốc Khánh

Đầu tiên, tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy TS Trương Việt Anh, người đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện quyên luận văn này

Xin cám ơn các Thầy Cô đã cho em nền tảng kiến thức - tri thức quí báu Xin cám ơn trường quý Thầy Cô trường Đại Học Công Nghệ Tp.HCM, Khoa

Co — Điện - Điện Tử, Phòng Quản Lý Khoa Học - Dao Tao Sau dai hoc, tap thé lớp

12S5MDI đã tạo cơ hội cho em thực hiện Luận văn này

Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn cha mẹ và người thân đã luôn ở bên tôi

và động viên tôi rât nhiêu đề tôi hoàn thành khóa học này

Juli uy =—

Trần Quốc Khánh

TOM TAT

Ngày nay, việc phát triển trong lĩnh vực năng lượng gió và năng lượng mặt trời đã đạt được nhiều thành tựu đáng kể, đây là các lĩnh vực năng lượng sạch và vô

tận Trong tình hình nhu cầu năng lượng ngày càng cao thì việc đa dạng hóa các

nguồn năng lượng từ các nguồn năng lượng mới và vô tận là một giải pháp hiệu quả

và luôn được khuyến khích phát triển Các nguồn năng lượng này sẽ giảm bớt một phần gánh nặng từ áp lực cung cấp điện năng của lưới điện, chủ yếu dựa vào nhiệt

điện và thủy điện của chúng ta hiện nay Tuy nhiên, có một số hạn chế đó là công

suất nhỏ và phân tán Để sử dụng có hiệu quả cần phải kết nối các nguồn năng lượng này thông qua lưới điện phân phối hiện có bằng các bộ nghịch lưu có khá năng kết nối với lưới điện xoay chiều

Trong quá trình hoạt động của các bộ pin năng lượng mặt trời kết nối lưới điện phân phối, ngoài việc phải hoạt động tại điểm có công suất lớn nhất theo sự thay đổi của cường độ bức xạ mặt trời thì yêu cầu về tối thiểu hóa tổng độ méo dạng sóng hài (THD) là một yêu cầu cần phải đạt được để đảm bảo chất lượng điện năng trên

lưới điện Để đạt được yêu cầu này, giải thuật tối ưu hóa bầy đàn (PSO) đã được

giới thiệu và ứng dụng trong việc xác định các hệ số điều khiển trong bộ điều khiển

dòng điện

Luận văn tập trung xây dựng một giải thuật điều khiển bộ nghịch lưu kết nối lưới AC có khả năng tự động én định và điều khiển dòng công suất tác dụng bơm vào lưới điện phân phối luôn đạt giá trị cao nhất có thể thu được từ bộ pin nang

lượng mặt trời Đồng thời, THD của dòng điện bơm vào lưới luôn được giữ ở mức

thấp

ABSTRACT

Nowaday, wind and solar energy have been developing successfully, both field are green and renewable resource More and more higher energy demand in our life need diversity of resource with enjoying of green and renewable is the effective aproach, which are always encouraged Those resource will redue demand

of energy from hydroelectric plant and thermoelectricity plant on power system However, solar energy have low rate power and dispersion To increase efficiency

of solar energy need to connect them with power network via invertor, which can link to power system

The whole of operation of solar cell units link to power network, beside the requirement the solar cell units must operate at the maximum power point, the

current was injected to power grid must have minimum total hamonic disturbance

(THD) Solving this requirement, Particle Swarm Optimization (PSO) theory was

introduced and implement in this thesis to determine controll factors of PI current

regulator

This thesis present a new approach for invertor link to power system They can contro] active and reactive power were inject to power grid Active power was remained at maximum power was supplied by solar cell units Reactive power was remained approximately zero It lead to power factor of device approximately 1 In

addition, THD of current is must remain in the minimum value.

lo) 6 é-‹-Ääậl)ậ)Ô ii TOM TAT , ÔÔÔÔÀ||ÕÕÔÒÔÒ Hi I9 01 ji gŒAdậẬÂẦ))ẢẢ)Ả)).) iii

LỆ S582 ỐỖẦ iv

MU LUC we eeeeccceccscecssestsseseseeseseseesensstsssseseseseassnsaesssesesncascuescsssesscasavevsvencensesacaveneeens V MỤC LỤC CÁC HÌNH -2222 2221111711111 EE.xe vii Chương 1: GIGI THIBU sscccccsssssssssssssseesssssssvessssvusescessssveccessuesecesssssecssssaueesesnsnseeen 1

Bh› ` 2

1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ Ă- sex SE E1 1121155 1321181811551 EecEcsrrree 4 1.3 Phạm vi nghiên CỨU -s- 5s CS TS SE HT 611115158111 58 Tre c sec csec 4 1.4 Phương pháp nghiÊn CỨU ¿s52 skSz S23 ST SE Hee rvey 4 1.5 Điểm mới của luận văn L4 L vn HH HH HH HT HH ng 5 1.6 Giá trị thực tiễn của luận văn . -s©2s+2tc2EvEECEEESEEEEE12E122x2ExEEeEEecrerrs 5 1.7 Nội dung của luận văn (-Q-S + ST TH 11111 1111158118151 cecees 6 Chương 2: TÔNG QUAN + 22222122122222222212 1 de 7 2.1 Tổng quan về pin năng lượng lì10 0P 8

2.1.1 Lịch sử phát triển PUN MAL COL ưyớànnủmnủỤ 8

2.1.2 Tinh hinh phat triển của pin mặt trời hiện ¡Ôn 10

2.1.2.1 Trên thế U00 10

2.1.2.2 Thực tế tại VIET NAM wos n 12

2.1.3 Phan loai pin mat trio eescecsesesssscssesessssssesssssscssesscsssersesaesssececaeeees 15 2.1.4 Cầu tạo và hoạt động của pin mặt trời Silic 5-5c-ccsccsscsseceeo 16 2.1.5 Cấu tạo và hoạt động của các loại pin mặt trời kiểu mới 19

2.1.5.1 Pin Mặt trời nhạy cảm chất màu DSC (Dye - sensitized solar cell)19 2.1.5.2 Pin mat trời dạng keo nước (Lá nhân †ạo) cscccc- 22 2.2 Tổng quan về kết nối bộ năng lượng mặt trời với lưới điện phân phối 22

2.2.1 Tính cần thiết của việc kết nối bộ pin mặt trời vào lưới điện phân phối 22

2.2.2 Hòa đồng bộ hai máy phát che 24 2.2.2.1 Hòa đồng bộ hai nguồn áp 2+2 2 vxecEEEErvrtrrrrrecvee 25 2.2.2.2 Phân tích các điều kiện hòa te 26 2.2.2.3 Hòa đồng bộ một nguồn dòng vào một nguồn áp 30

2.3 Giải thuật tối ưu hóa bầy đàn -S2Sc 22s 2TH222110012111.11E1111 1c 31 2.3.1 Giới thiệu về thuật toán tối ưu hóa bầy đàn: s.cccccccrkee 31 2.3.2 Lịch sử phát triển của giải thuật tối ưu hóa bẩy đàn 31

2.3.3 Khái quát hóa giải thuật tối ưu hóa bầy đần se rg 32 2.3.4 Một sô khái niệm trong giải thuật tối ưu hóa bầy đàn 34

Chương 3: KHẢO SAT & TÍNH TOÁN -2¿- 22+t22222211112212111212211xccxree 36 3.1 Pin năng lượng mặt trời và phương trình toán của pin năng lượng mặt trời 37

3.1.1 Phương trình tương đương của pin năng lượng mặt trời 37

3.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến pin năng lượng mặt trời - -<-+¿ 38 3.1.3 Phương trình tương đương của bộ pin năng lượng mặt trời 39

3.2 Mạch nghịch lưu kết nối lưới điện phân phối 2 csecxv+2cvzvz 41

3.2.1 Phân loại bộ 0351190000000 a1 41

3.2.2 Phương pháp điều khiển khóa công suất trong bộ nghịch lưu nguồn ấp 4l 3.2.3 Phương pháp điều khiển khóa công suất trong bộ nghịch lưu nguôn dòng HH H111 0111115 TH TT TH TT HT HH TT T011 11 01111715T1111515111 131, 45 3.3 Xây dựng giải thuật tối ưu hóa bầy đàn . -2 22t cveevzxererreerrvree 48 3.3.1 Các bước trong việc xây dựng giải thuật PSO -c-cccccc 48 3.3.2 Lưu đồ giải thuật PSO cà re 49 3.3.3 Những vân đề cần quan tâm khi xây dựng giải thuật PSO 50

3.3.3 Đặc điểm và ứng dụng của giải thuật PSO co 34 Chương 4: MÔ HÌNH HÓA & MÔ PHỎNG 22-522222cseccEvkcerrrreeeree 56 4.1 Sơ đồ kết nối bộ pin năng lượng mặt trời vào lưới điện phân phối 57

4.1.1 Khối b6 pin nang hong mat tri ecccessesccscssseesccsscssesecsscseeecensessecesees 57 4.1.2 Kh6i nghich Wi .cccescccsssseescssssesccesssecscssssevecscessseecssesseeesensussseseseseessees 58 4.1.3 Khối lưới điện phân phối -22-222++ 222121011111 EE1xeertrrrrrree 58 4.1.4 Khối điều Kin ose ccceccccseccsseecssssecssssccsssssecssseseseseveseessescessnecessuesesaneee 59 4.1.4.1 Nguyên lí hoạt động của khối MPPT se ccsccrkrersecc, 61 4.1.4.2 Khối PI_V 2.s 22222212212 22711 12711E1.101121.21.0121 e1 66 4.1.4.3 Khối PLLL 2° +22+2+Ett2EEEL22EEE1111221111712Ee7711212 r2 66

4.1.4.4 Khối DC/AC cccc nh n0 re 67 4.1.4.5 Khối điều khiển Hysteresis ( điều khiển bang-bang ) 67

4.2 Kết quả khi thực hiện giải thuật PSO he 68 4.2.1 Các bước xác định các thông số Kp, Ki bằng giải thuật PSO 68

4.2.2 Kết quả thu được khi thực thi giải thuật PSO - s-e.e- 69 4.2.3 So sánh kết quả khi có và không có ứng dụng PSO 71

4.3 Kết quả mô phóng khi kết nối bộ pin năng lượng mặt trời vào lưới điện 72

4.3.1 Khi cường độ bức xạ mặt trời lần lượt là 300-500-600 W/mỸ 72

4.3.2 Khi năng lượng bức xạ mặt trời lần lượt là 600-900-700 W/mỶ 75

4.3.3 Khi năng lượng bức xạ mặt trời lần lượt là 1000-700-900 W/wỶ 78

4.3.4 Khi năng lượng bức xạ mặt trời lần lượt là 800-400-600 W/m? 81

XS) cac chẽ hố 84

Chương 5: KÉT LUẬN & HƯỚNG PHÁT TRIẺN -ccscr 86

5.1 Các van đề được thực hiện trong luận văn: « ceeeerieriererieee 87

5.2 Đề nghị và các hướng phát triển của luận văn -cc©ccscrecreee §7 TAI LIEU THAM KHAO .csssssssssssssssesssssssssssseesssesssssssanssnsssesesssessessnseneessssesessases 89

MUC LUC CAC HINH

Hình 2 1 Phan bé nang lugng mat trdi tai cdc vùng trên lãnh thổ Việt Nam 13 Hình 2 2 Các loại pin mặt trời thường gặp 2-5-5 St crrrkerrere 15 Hình 2 3 Cấu tạo cơ bản của một tế bào quan điện Silic - 2ccc:cc:cec 16 Hình 2 4 Nguyên lí hoạt động của một tế bào quam điện Silie - 17

Hình 2 5 Hoạt động cơ bản của một bộ pin năng lượng mặt trời - 18

Hình 2 6 Pin mặt trời nhạy cảm chất màu DSC 2.- seczxetxeesrrvsere 19 Hình 2 7 Cấu tạo của pin mặt trời nhạy cảm chất màu DSC - 20 Hình 2 8 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời nhạy cảm chất màu DSC 21 Hình 2 9 Hình ảnh mô phỏng cấu tạo lá nhân a0 seeccesecssecssesscssstessseesseessseseseeeens 22 Hình 2 10 Công tác song song - ch Tàn TH E31211150111 1113111 rey 26

Hình 2 11 Sơ đồ biểu thị vecto khi hòa -52eevvkvrkkrrrrrrrrd 26

Hình 2 12 Sơ đồ vecto khi điện áp không thỏa mãn -cccccccccercee 27

Hình 2 13 Sơ đồ hệ thống ba pha vector 0) 0 29 Hình 2 14 Sơ đồ kết nối nguồn dòng vào nguồn áp khi hòa đồng bộ 30

Hình 2 15 Biểu diễn vector quay của đòng điện và điện áp -ccce¿ 30

Hình 2 16 Khái niệm về sự thay đổi điểm tìm kiếm của PSO - 34

Hình 3 1 Mạch điện tương đương của pin mặt trời - 2: + ©s+ cssxecsessee 37

Hình 3 2 Mô hình pin mặt trời lý tưởng .-. 52- -5s+cSEE2EkEEExreererersee 38

Hình 3 3 Mô đun pin mặt trời - 7+ + t2 S32 211231101301 11 11511112111 xxe 39

Hình 3 4 Đặc tuyến I-V với các bức xạ khác nhau 22©22s222z2v2Zzcccsercczez 40

Hình 3 5 Đặc tuyến P-V với các bức xạ khác nhau c¿222zt22Ezzescczzczz 40

Hình 3 6 Giản đồ xung kích bộ nghịch lưu một pha bằng phương pháp SPWM 43

Hình 3 7 Giản đồ dòng và áp ngõ ra nghịch lưu dùng phương pháp SPWM 44

Hình 3 8 Sơ đồ kết nói đơn giản của bộ nghịch lưu ba pha . - 45

Hình 3 9 Dạng sóng dòng điện trong phương pháp bang bang trên một pha 46

Hình 3 10 Giải thuật điều khiển bang bang trên một cặp chân của bộ nghịch lưu 4ó

Hinh 3

Hinh 3

Hinh 3

Hinh 4

Hinh 4

Hinh 4

Hinh 4

Hinh 4

Hinh 4

Hinh 4

Hinh 4

Hinh 4

Hinh 4

Hinh 4

Hinh 4

Hinh 4

Hinh 4

Hinh 4

Hinh 4

Hình 4

Hình 4

Hình 4

Hình 4

Hình 4

Hình 4

Hình 4

Hình 4

Hình 4

11 giải thuật điều khién bang bang cai tién ccesseecssseeesseeesseeesseeeseeeene 47

12 Luu dé chung cho giai thudt PSO ccccsescssssesssssseesssseesssssesssseeesssseeees 50

13 Chuyển động của cá thể 2: ©222+©EEEEE2222112177112EAEE211-crced 52

1 Sơ đồ tông quát mạch mô phỏng . - 22 ©+sz2CEEEzvEEvxrrrrrkeerri 57

2 Sơ đồ kết nối của khối năng lượng mặt trời -. c¿-cccczccez 57

3 Sơ đồ kết nối của khối nghịch lưu -.-¿ 2£©2Z+z+Evee+rrkesrrreere 58

4 Sơ đồ kết nỗi của khối lưới điện phân phối -2 ©ccc+cced 59

5 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của mạch điện mô phỏng 60

6 Sơ đồ kết nối của khối điều khiển trong mạch mô phỏng 61

7 Lưu đồ giải thuật P&O -¿-26- 22c k2 11121271222112211E 12111 ccrk 62 8 Đặc tuyến V-P của pin mặt trời khi NLBXMT không đổi 63

9 Nguyên tắc hoạt động của bộ MPPT se ztecvxvExeEvteevkrerkere 65 10 Sơ đồ kết nối của khối PI _V -¿©ccec2cckecrrreerrxeerrrrrrrkecee 66 11 Sơ đồ nguyên lí của khối PLL 2-©e¿++E+e2£EEEerEEe+rEerrreeee 66 12 Lưu đồ giải thuật PSO -2- 25222222 E22E11227116120151121112112.2xxe 69 13 Bảng tổng kết các kết quả thu được khi thực hiện PSO 70

14 Bảng thông số Kp, Ki theo công suất của pin mặt trời 70

15 Sơ đồ kết nối của bộ điều khiển dòng điện PI - 71

16 Bảng so sánh các kết quả PSO và non PSO ©ccccccecc 71 17 Dé thị so sánh các kết quả PSO và non PSO -ccccccccee 71 18 Dạng sóng điện áp khi NLBXMTT đạt 300-500-600 W/m2 73

19 Dạng sóng dòng điện khi NLBXMT đạt 300-500-600 W/m2 74

20 Công suất tại NLBXMT lần lượt là 300-500-600 W/m2 74

21 Kết quả mô phỏng khi NLBXMT đạt 300-500-600 W/m2 75

22 Dạng sóng điện áp khi NLBXMT đạt 600-900-700 W/m2 76

23 Dạng sóng dòng điện khi NLBXMTT đạt 600-900-700 W/m2 77

24 Công suất tại NLBXMT lần lượt là 600-900-700 W/m2 77

25 Kết quả mô phỏng khi NLBXMT đạt 600-900-700 W/m2 78

Hình 4

Hình 4

Hình 4

Hình 4

Hình 4

Hình 4

Hình 4

Hinh 4

Hình 4

26 Dạng sóng điện áp khi NLBXMT đạt 1000-700-900 W/m2 79

27 Dạng sóng dòng điện khi NLBXMTT đạt 1000-700-900 W/m2 80

28 Công suất tại NLBXMT lần lượt là 1000-700-900 W/m2 80

29 Kết quả mô phỏng khi NLBXMT đạt 1000-700-900 W/m2 81

30 Dạng sóng điện áp khi NLBXMTT đạt 800-400-600 W/m2 82

31 Dang song dong dién khi NLBXMT dat 800-400-600 W/m2 83

32 Công suất tại NLBXMT lần lượt là 800-400-600 W/m2 83

33 Kết quả mô phỏng khi NLBXMT đạt 800-400-600 W/m2 84

34 Bảng kết quả mô phỏng tại một số NLBXMT tiêu biểu 85

1.1 Đặt vấn đề

1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ

1.3 Phạm vi nghiên cứu

1.4 Phương pháp nghiên cứu

1.5 Điểm mới của luận văn

1.6 Giá trị thực tiễn của luận văn

1.7 Nội dung của luận văn

thạch như: than đá, dầu mỏ, các sản phẩm từ đầu mỏ, khí thiên nhiên Các nguồn năng lượng này là hữu hạn, nó chỉ có thể đảm bảo cho nhu cầu về năng lượng của chúng ta trong một thời gian nhất định Do đó, càng ngày người ta càng lo ngại về một cuộc khủng hoảng năng lượng có thê xảy ra làm thay đổi nền văn minh của loài người, bởi vì thế giới vẫn còn đang phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch Dâu, than đá và khí đốt chiếm khoảng 75% nhu cầu năng lượng thế giới, mỗi ngày trên thế giới sử dụng đến 80 triệu thùng dầu Và đương nhiên trong tương lai nhu cầu toàn cầu về dầu hỏa sẽ vượt xa khả năng cung cấp Từ năm 1985, tốc độ khai thác dầu và tiêu thụ đã vượt xa tốc độ khám phá trữ lượng dầu mới Công ty BP dự đoán

rằng với tốc độ sử dụng như hiện nay, thì chỉ trong vòng 40 năm nữa sẽ cạn kiệt nguồn dầu hoả Mặt khác, sử dụng nguồn năng lượng hóa thạch để lại nhiều hậu quả

về ô nhiễm môi trường, gây ra hiệu ứng nhà kính, góp phần làm gia tăng nhiệt độ trái đất

Để giải quyết các vấn đề này, một mặt chúng ta phải khai thác và sử dụng các nguồn năng lượng hóa thạch này một cách hợp lý, mặt khác chúng ta phải tìm ra các nguồn năng lượng khác để thay thế Thế giới đang tìm kiếm các nguồn năng lượng tái sinh có thể cung cấp năng lượng một cách bền vững trong tương lai, nguồn năng lượng ấy có thể kế đến như: năng lượng gió, năng lượng sinh khối, năng lượng mặt trời hoặc là nguồn năng lượng tái sinh khác Trong đó công nghệ về năng lượng mặt trời đang được thế giới chú trọng phát triển để khai thác Các chính phủ đã đón nhận các công nghệ này một cách hết sức nghiêm túc và đưa ra các mục tiêu đầy tham vọng cho sản lượng điện tạo ra từ các nguồn năng lượng tái sinh trên Người

dân ngày càng ý thức về sự tàn phá và ô nhiễm môi trường từ các nguồn nhiên liệu

hoá thạch và năng lượng hạt nhân Trong khi các nguồn năng lượng tái sinh có thể

khai thác tự do và không bao giờ cạn kiệt Năng lượng mặt trời là một nguồn năng

lượng sạch có thể thay thế các nguồn năng lượng truyền thống Các ứng dụng của

nó tại các nước phát triển giúp làm giảm hiệu ứng nhà kính và giữ gìn được các

mới của nhân loại, được ưu tiên đầu tư hàng đầu trong các chính sách về năng lượng Khi sử dụng năng lượng mặt trời có những thuận lợi như sau :

- Giảm hay thay thế việc xây dựng các nhà máy điện truyền thống dùng năng

lượng hóa thạch

-_ Không gây ô nhiễm môi trường khi vận hành sản xuất điện năng

-_ Là nguồn năng lượng không bao giờ cạn kiệt

-_ Dễ dàng tăng thêm công suất khi cần thiết

-_ Việc lắp đặt và xây dựng các tắm pin năng lượng mặt trời tương đối nhanh -_ Mặc dù năng lượng mặt trời hiện nay có giá đắt hơn nhiều so với nguồn năng lượng truyền thống, nhưng nó không bị ảnh hưởng bởi giá nguyên liệu và sự gián đoạn cung cấp

- _ Ở các nước phát triển nhà nước hỗ trợ về thuế và các ưu đãi khác

- Công nghệ năng lượng mặt trời có thể thay đổi cho nhiều ứng dụng có công suất từ nhỏ đến lớn Thời gian từ khi khảo sát đến lắp đặt và vận hành ngắn và

có những thuận lợi khác mà các nhà máy điện kiểu truyền thống không làm

được

Hiện nay năng lượng mặt trời ở Việt Nam với lợi thế là một nước nhiệt đới có

nắng quang năm nên rất có tiềm năng phát triển năng lượng mặt trời Tuy nhiên,

việc khai thác năng lượng mặt trời ở nước ta con nhiều hạn chế, một phân là do nhà nước chưa có chính sách hỗ trợ thích hợp và cũng do giá thành các thiết bị chuyển

đổi năng lượng mặt trời thành điện còn khá cao Do vậy hiện nay ở nước ta chỉ có

thể phát triển các máy điện năng lượng mặt trời công suất vừa và nhỏ để cung cấp

cho các vùng lưới điện không thể vươn đến hoặc chất lượng điện không đảm bảo khi đi qua một khoảng cách địa lí không hoàn thiện như các vùng nông thôn, biên giới, hải đảo

Ngoài ra, khi kinh tế bắt đầu phát triển, việc phát triển năng lượng sạch và bền vững ngày càng được chú trọng phát triển Theo xu hướng thiết kế môi trường xanh,

một phân nhu câu cho công trình Điều này thúc đây việc nghiên cứu chế tạo các bộ chuyên đôi năng lượng mặt trời công suất vừa và nhỏ có khả năng kết nối lưới điện

để thu được công suất lớn nhất từ năng lượng mặt trời

1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ

Tìm hiểu và nghiên cứu về năng lượng mặt trời

Tìm hiểu về các bộ pin mặt trời

Tìm hiểu về giải thuật PSO trong hệ thống điều khiển tự động

Phân tích các ảnh hưởng của việc hòa hai nguồn điện

Xây dựng phương trình và giải thuật để tính toán bộ chuyển đổi năng lượng Dùng phần mềm Matlab 7.0 mô phỏng khi hòa năng lượng mặt trời vào lưới

điện - phân phối

1.3 Phạm vỉ nghiên cứu

Nghiên cứu khái quát về năng lượng mặt trời

Nghiên cứu về các bộ pin năng lượng mặt trời công suất nhỏ

Nghiên cứu về mối quan hệ của các thông số trong bộ pin năng lượng mặt trời công suất nhỏ

Nghiên cứu bộ nghịch lưu công suất nhỏ một pha khi hòa vào lưới điện

Nghiên cứu phương pháp tính toán bộ chuyển đổi nguồn DC-AC

Nghiên cứu tính toán các thông số khi hòa nguồn năng lượng mặt trời vào lưới

điện phân phối

Đưa ra mô hình mô phỏng khi hòa nguồn năng lượng mặt trời vào lưới điện 1.4 Phương pháp nghiên cứu

Thu thập tài liệu liên quan đến các vấn đề nghiên cứu

Nghiên cứu tổng quan vẻ năng lượng mặt trời

Nghiên cứu các thông số ảnh hưởng đến hoạt động của pin mặt trời

Nghiên cứu và xây dựng mô hình toán học về mối quan hệ giữa các thông số làm ảnh hưởng đến hiệu suất của bộ pin năng lượng mặt trời công suất nhỏ

thể

Xây dựng mô hình mô phỏng việc hòa đồng bộ bộ năng lượng mặt trời vào

lưới điện phân phối, từ đó thiết kế và thi công mô hình thực tế

Phân tích các kết quả nhận được và các kiến nghị

Đánh giá tổng quát toàn bộ bản luận văn Đề nghị hướng phát triển của đề tài 1.5 Điềm mới của luận văn

Xây dựng hoàn chỉnh mô hình kết nối bộ năng lượng mặt trời có công suất

nhỏ hòa đồng bộ lưới điện quốc gia

Tìm ra các thông số ảnh hưởng đến việc hòa đồng bộ giữa hai nguồn năng lượng mặt trời và lưới điện quốc gia

Đưa ra giải thuật và chương trình mới để tính toán bộ chuyển đôi nguồn năng lượng mặt trời hòa vào lưới điện quốc gia

Góp phần tiết kiệm năng lượng của các hộ tiêu thụ điện cũng như cung cấp

thêm cho nguồn quốc gia một phần năng lượng

1.6 Giá trị thực tiễn của luận văn

Đóng góp một giải pháp quan trọng trong việc dần thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch bằng các nguồn năng lượng vô tận trong xu thế phát triển của thé giới ngây nay

Đây là giải pháp rất khả thi để nâng cao chất lượng điện năng cho các vùng

sâu, vùng xa và xa trung tâm phụ tải Tại các khu vực này do điều kiện địa lí

tự nhiên nên thường là các vùng cuối lưới điện nên điện áp không đảm bảo Việc dùng các bộ năng lượng mặt trời là một giải pháp hữu hiệu để nâng áp cho các vùng này

Nâng cao được hiệu suất cho bộ năng lượng mặt trời công suất nhỏ,

Lam tài liệu tham khảo và làm nền tảng để phát triển hướng cho các nghiên

cứu sau này

- Giúp các nhà hoạch định chiến lược về nguồn năng lượng quốc gia có thêm một hướng mới về việc phát triển nguồn năng lượng trong tương lại

-_ Sử dụng làm tài liệu giảng dạy

-_ Giúp cho các nhà thiết kế các tài liệu quan trọng trong tính toán thiết kế bộ chuyên đổi nguồn năng lượng mặt trời hòa vào lưới điện quốc gia

1.7 Nội dung của luận văn

Chương 1: Gidi thiéu

Chuong 2: Téng quan

Chương 3: Khảo sát và tính toán

Chương 4: Mô hình hóa và mô phỏng

Chương 5: Kết luận và Hướng phát triển

2.1 Téng quan vé pin năng lượng mặt trời

2.1.1 Lịch sử phát triển pin mặt trời

2.1.2 Tình hình phát triển của pin mặt trời hiện nay

2.1.2.1 Trén thé gidi

2.1.2.2 Thực tế tại Việt Nam

2.1.3 Phân loại pin mặt trời

2.1.4 Cấu tạo và hoạt động của pin mặt trời Silic

2.1.5 Cau tao va hoạt động của các loại pin mặt trời kiểu mới

2.1.5.1 Pin Mặt trời nhạy cảm chất màu DSC (Dye - sensitized solar cell)

2.1.5.2 Pin mặt trời dạng keo nước (Lá nhân tạo)

2.2 Tổng quan về kết nối bộ năng lượng mặt trời với lưới điện phân phối 2.2.1 Tính cần thiết của việc kết nối bộ pin mặt trời vào lưới điện phân phối 2.2.2 Hòa đồng bộ hai máy phát

2.2.2.1 Hòa đồng bộ hai nguồn áp

2.2.2.2 Phân tích các điều kiện hòa

2.2.2.3 Hòa đồng bộ một nguồn dòng vào một nguồn áp

2.3 Giải thuật tối ưu hóa bầy đàn

2.3.1 Giới thiệu về thuật toán tối ưu hóa bầy đàn

2.3.2 Lịch sử phát triển của giải thuật tối ưu hóa bầy đàn

2.3.3 Khái quát hóa giải thuật tối ưu hóa bầy đàn

2.3.4 Một số khái niệm trong giải thuật tối ưu hóa bầy đàn

Pin Mặt Trời là thiết bị giúp chuyển hóa trực tiếp năng lượng ánh sáng mặt trời (quang năng) thành năng lượng điện (điện năng) dựa trên hiệu ứng quang điện Lịch sử của pin năng lượng mặt trời được bắt đầu vào thế kỉ 19 khi nhà vật ly người Pháp Alexandre Edmond Becquerel phát hiện ra hiệu ứng quang điện khi ông đưa cực điện ra môi trường ánh sáng Tuy nhiên mọi chuyện chỉ dừng tại đó mà không có tiến triển gì thêm

Mãi đến năm 1873, Willouphby Smith đã phát hiện ra chất quang dẫn Selen, đây

là bước tiến quang trọng trong sự phát triển pin năng lượng mặt trời vì các nghiên cứu đã đi vào thực chất hơn, đi sâu hơn về các hiện tượng quang điện Năm 1877 Adam đã quan sát về các hiện tượng quan điện trên chất Selen và sau đó xuất bản

thành cuốn sách “ The action of light on selennium” Đến năm 1883 thì tắm pin

năng lượng mặt trời đầu tiên đã được tạo thành bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch

bán dẫn selen một lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối Thiết bị chỉ có hiệu suất 1% Tuy hiệu suất rất thấp so với các tắm pin năng lượng mặt trời ngày nay nhưng

đó là bước tiến dài trong quá trình nghiên cứu hiện tượng quang điện Nó chuyển từ

giai đoạn quang sát bằng mắt thường rất định tính và không chuẩn sát sang quá trình nghiên cứu lí tính với việc tính toán các giá trị dòng áp khi có hiện tượng quang điện xảy ra

Năm 1887 Hertz đã nghiên cứu tia cực tím trong hiện tượng quang điện và khám phá ra hiện tượng quang điện Một năm sau, ông cùng với Edward Weston đã đưa ra các định luật quang điện một cách đầy đủ cho hiệu ứng quang điện ngoài Đây là

bước tiễn dài cho việc ứng dụng hiện tượng quang điện để chế tạo các tắm pin năng

lượng mặt trời khi đã xác định rõ hướng để nghiên cứu vật liệu dùng cho chế tạo

chất quang dẫn và các ánh sáng tương ứng cho từng loại vật liệu quang dẫn khác

nhau Đến đây, việc ứng dụng hiệu ứng quang điện không còn là sự mò mẫm mà đã

có sự định hướng rất rõ ràng.

âm dương trước đây sang dùng tiếp xúc bán dẫn sẽ nâng cao hiệu suất của pin năng lượng mặt trời khi ta đã rút ngắn được khoảng cách giữa hai bản cực Khi đó, electron sẽ cần ít năng lượng hơn để đi chuyển giữa hai bản cực Đây cũng là bước tiến lớn về công nghệ khi kích thước của tắm pin sẽ thu nhỏ hơn trước đây, công

suất sẽ tăng lên trên cùng một diện tích bề mặt tiếp xúc

Năm 1905, khái niệm về hiệu ứng quang điện đã thay đổi gần như hoàn toàn khi Albert Einstein đưa ra một giải thích khác về hiệu ứng quang điện dựa trên thuyết lượng tử Trước đây, có nhiều người đưa ra các mô hình giải thích khác nhau về hiệu ứng quang điện tuy nhiên đều không thành công khi sử dụng mô hình sóng ánh sáng Albert Einstein là người đầu tiên giải thích thành công hiệu ứng quang điện cũng như các định luật quang điện khi sử dụng mô hình lượng tử ánh sáng Công trình này đã dẫn đến sự công nhận về bản chất hạt của ánh sáng và sự phát triển của

lý thuyết lưỡng tính sóng hạt của ánh sáng

Năm 1932 - Audobert và Stora đã phát hiện ra hiệu ứng quang điện trong chất

Cadimium sulfua (CđS) Và chất dùng làm quang dẫn này vẫn còn được sử dụng

cho đến hôm nay

Năm 1954, kỹ thuật pin năng lượng mặt trời được chính thức khai sinh tai Mỹ

khi Daryl Chapin, Calvin Fuller, và Gerald Pearson phát minh ra tấm pin năng lượng mặt trời bằng chất bán dẫn tại phòng thí nghiệm Bell - Đây là là các tắm pin năng lượng mặt trời đầu tiên có thể chuyên đổi năng lượng mặt trời thành điện năng

để cung cấp cho các thiết bị điện hằng ngày Phòng thí nghiệm Bell đã cho ra một tắm pin năng lượng mặt trời với hiệu suất 4% và sau đó tăng lên 11% Từ nay, đã có thêm một phương pháp mới để sử dụng nguồn năng lượng vô tận từ mặt trời nhằm cung cấp năng cho nhu cầu của con người

Năm 1958, vệ tinh nhân tạo Vanguard I đã sử dụng năng lượng điện thu được từ các tam pin năng lượng mặt trời để liện lạc vô tuyến với trạm điều khiển mặt đất

Một năm sau, đến lượt các vé tinh Explorer III, Vanguard II, va Sputmk-3 được

trang bị các hệ thống pin năng lượng mặt trời Mặt dù đã thất bại trong việc thương mại hóa các bộ pin năng lượng mặt trời bán dẫn trong thập niên 1950 và 1960, tuy nhiên nó đã đạt được thành công lớn trong việc trở thành nguồn năng lượng thiết yếu trong lĩnh vực vũ trụ Thành công này vẫn còn được duy trì cho đến ngay nay

Năm 1970, với sự tai tro tir tap doan Exxon, tiến st Elliot Berman da tao ra một

cuộc cách mạng lớn trong việc giảm giá thành sản xuất ra tắm pin năng lượng mặt trời Giá thành đã giảm từ 100$ xuống còn 20$ cho mỗi Watt điện Với mức giá đó, pin năng lượng mặt trời đã có thể sử dụng đại trà để cấp điện cho thiết bị điện, từ

các thiết bị điện đân dụng trong nhà cho đến các đèn báo, còi báo của các công trình

dầu khí xa bờ Điều này đánh dấu sự thành công trong việc thương mại hóa các thiết

bị chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng trong cuộc sống hằng ngày- các tắm pin năng lượng mặt trời

Ngày nay, với sự phát triển như vũ bão của khoa học kỹ thuật cùng với đó là nhu cầu tìm kiếm một nguồn năng lượng mới thay thế dần cho năng lượng hóa thạch đã ngày dần cạn kiệt và gây ô nhiễm môi trương nặng nề Các nhà máy điện năng lượng mặt trời có khả năng kết nối với lưới phân phối quốc gia đã được đầu tư xây dựng tại nhiều nơi trên thế giới Đặc biệt là tại các quốc gia có nền công nghiệp phát

triển như Mỹ, Đức, Anh

Có thể nói hiện nay là giai đoạn phát triển rực rỡ của nẻn công nghiệp năng lượng mặt trời trên thế giới bởi giá thành chế tạo cũng như chỉ phí lắp đặt đã giảm

đi rất nhiều và có thể chấp nhận được trong bài toán kinh tế về năng lượng

2.1.2 Tình hình phát triển của pin mặt trời hiện nay

2.1.2.1 Trên thế giới

Theo báo cáo nghiên cứu mới công bố của Pew Charitable Trusts, đầu tư cho

năng lượng sạch tồn cầu đang trên đà tăng mạnh và đạt mức kỷ lục 263 tỷ USD

trong năm 2011, tăng 6,5% so với năm 2010

Đầu tư cho năng lượng sạch ở châu Á và châu Đại Dương đã tăng 10%, lên 75 tỷ

USD, đưa khu vực này trở thành điểm đến hấp dẫn thứ 2 cho đầu tư năng lượng

sạch, trong đó Ấn Độ, Nhật Bản, và Indonesia nằm trong những thị trường năng

lượng sạch tăng trưởng nhanh nhất thế giới

Giám đốc Chương trình năng lượng sạch của Pew cho biết đầu tư cho năng lượng sạch, không tính nghiên cứu và phát triển, đã tăng 600% kế từ năm 2004 Sự gia tăng mạnh mẽ này có ý nghĩa rất quan trọng vì nó thúc đây đổi mới, thương mại,

sản xuất và lắp đặt các công nghệ năng lượng sạch, tạo ra cơ hội mới cho các nhà

sáng tạo, các doanh nhân và người lao động

Trong số các lĩnh vực năng lượng tái tạo, đầu tư vào năng lượng mặt trời đạt 128

tỷ USD, tăng 44%, và chiếm hơn một nửa tổng vốn đầu tư cho năng lượng sạch ở các nước G20 Chi phí và giá của các môđun năng lượng mặt trời giảm mạnh tới 30% trong vòng một năm qua đã càng thúc đây đầu tư vào lĩnh vực này Giá các tua bin gió cũng giảm trong năm 201 1

Cũng trong năm 2011 thế giới đã sản xuất được gần 30 GW năng lượng mặt trời

Sự kết hợp của giá giảm và đầu tư phát triển tăng tốc đã g1Úp tạo ra được một công suất năng lượng sạch lắp đặt kỷ lục 83,5 GW trong năm 201 1, nâng tổng công suất

năng lượng sạch tồn cầu lên 565 GW

Tính đến hết năm 2011, các lĩnh vực năng lượng sạch đã nhận được 1.000 tỷ USD đầu tư tư nhân, đánh dấu một sự tăng trưởng dang ké trong 8 năm qua

Giá các môđun quang điện, hiện thấp hơn so với cách đây 3 năm là động lực quan trọng cho việc phát triển sử dụng năng lượng mặt trời trên quy mô toàn cầu

Theo nghiên cứu của Pew, đầu tư cho năng lượng sạch tại Australia đã tăng 11% trong năm 201 1 lên 4,9 tỷ USD, trong đó 82% vào lĩnh vực năng lượng mặt trời Trong Nhóm G20, Australia đứng thứ 13 vẻ tăng trưởng, thứ 4 về tăng trưởng trong 5 năm và thứ 9 về tăng trưởng công suất lắp đặt với tổng công suất lắp đặt năng lượng sạch hiện nay là trên 5 GW

Trong khi đó, Trung Quốc đã thu hút được 45,5 tỷ USD đầu tư cho năng lượng sạch, đứng thứ 2 trong G20 Đầu tư vào năng lượng gió ở Trung Quốc đạt 29 tỷ USD, cao gap 3 lần nước thành viên đứng ngay sau trong G20.

Trong 2 năm 2010 và 2011 Trung Quốc đã lắp đặt được 20 GW công suất điện

gió mỗi năm, đưa tổng công suất lắp đặt năng lượng gió lên hơn 64 GW Đầu tư vào

lĩnh vực năng lượng Mặt Trời của nước này đã tăng lên 11,3 tỷ USD và thêm 2,3

GW công suất lắp đặt mới trong năm 2011

Lĩnh vực năng lượng sạch của Án Độ tiếp tục phát triển mạnh trong năm 2011, với đầu tư tăng 54% lên 10,2 tỷ USD, đưa quốc gia Nam Á này lên vị trí thứ 6 trong G20, New Delhi đặt mục tiêu lắp đặt được 20 GW năng lượng Mặt Trời từ nay đến

năm 2020 với tổng mức đầu tư 4,2 tỷ USD

Đầu tư vào năng lượng sạch tại Nhật Bản cũng tăng 23% lên §,6 tỷ USD, cho

thấy sự chuyển hướng rõ ràng của nước này từ năng lượng hạt nhân sang năng

lượng sạch Nhật Bản đứng thứ 8 trong G20 về đầu tư cho năng lượng sạch, trong

đó 94% cho lĩnh vực năng lượng Mặt Trời

Qua các số vẻ tình hình phát triển năng lượng điện mặt trời trên thế giới của một

số nước cho thấy năng lượng mặt trời đã có sự phát triển nhảy vọt trong những năm gần đây khi mà không chỉ về số lượng pin mặt trời được lắp mới mà còn được sự đầu tư mạnh tay cho việc nghiên cứu ứng dụng các thành tựu kỹ thuật mới cho lĩnh vực năng lượng mặt trời hiện nay Trong tương lai không xa năng lượng mặt trời sẽ đóng một vai trò quang trọng trong tổng thể các nguồn năng lượng cho nhân loại

2.1.2.2 Thực tế tại Việt Nam

a Tiềm năng phát triển năng lượng mặt trời tai Việt Nam

Lãnh thổ Việt nam kéo dài từ vĩ độ 8 -23 vĩ độ Bắc, nằm trong khu vực nhiệt đới có tiềm năng lớn về NL mặt trời Số giờ năng trung bình năm (hrs/year) tại các vùng miền có sự khác nhau tùy vào điều kiện địa hình và thời tiết, tuy nhiên, nhìn chung số giờ nắng khá cao và năng lượng qui đối trên mỗi đơn vị diện tích thuật hàng cao trên thế giới Thông số khảo sát được đưa ra như trong hình bên dưới Với sự trải dài từ bắc xuống nam của lãnh thế địa lí nước ta, sự phân bố về năng

lượng mặt trời được phân ra thành 5 khu vực địa lí khác nhau Các đặc trưng về năng lượng mặt trời được đưa ra như trong hình 2.1 bên dưới

Qua hình 2.1 ta rút ra được các nhận xét sau:

-_ Khu vực Bắc Bộ có thấp nhất do ảnh hưởng của gió mùa Đông Bắc vào mùa

đông và do cách xa đường xích đạo hơn các khu vực còn lại

- Khu vực Nam Bộ, từ Đà Nẵng trở vào, bức xạ mặt trời và số giờ nắng cao

hơn

- Nhin chung, tiém năng năng lượng mặt trời ở VN là khá tốt, nếu được phát

triển đúng mức thì đây sẽ là nguồn năng lượng có khả năng đáp ứng phần lớn nhu cầu năng lượng cho xã hội hiện đại trong tương lai gan

NLMT trung bìnhnăm | Số giờ năng trung bình

Khu vực (kcal/cm?.year) năm (hrs/year)

Hình 2 1 Phân bố năng lượng mặt trời tại các vùng trên lãnh thổ Việt Nam

b Hiện trạng ứng dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam hiện nay

Việc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ năng lượng tái tạo nói chung và năng lượng mặt trời nói riêng vẫn còn ở mức thấp, quy mô nhỏ và phân tán Hầu hết các

dự án ứng dụng mới chỉ mang tính trình diễn

Công nghệ ứng dụng chính là hệ thống năng lượng mặt trời độc lập để cung cấp điện cho các khu vực nông thôn (như thắp sáng, ti vi, nghe đài cho hộ gia đình; Thiết bị công cộng (như trường học, trạm y tế làng, nhà văn hóa, trung tâm xã); viễn

thông ở khu vực miền núi, hải đảo và các đèn tín hiệu điện/ hải đăng để thông tin

liên lạc biển,

Gần 100% các module năng lượng mặt trời là nhập khẩu Các thành phần khác

như bộ điều khiển, biến tần, pin có thể được thiết kế, sản xuất một phân trong nước

Tuy hiện nay đã có một số doanh nghiệp tư nhân đầu tư vào lĩnh vực chế tạo các tắm pin năng lượng mặt trời, nhưng các nhà máy này vẫn còn nhiều vướng mắc về - chính sách và hướng phát triển nên cũng chưa tạo được thế đứng trên thị trường

Việt Nam Nhiều đoanh nghiệp đã thoái vốn, đóng cửa nhà máy.

Céng suat cai dat tich luỹ trong cả nước đến nay được ước tính khoảng l,5 —

1,6MWp Các khách hàng chủ yếu là viễn thông, truyền thông hàng hải và hộ gia

đình nông thôn và cộng đồng về hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới hiện nay

vẫn còn khá mới mẻ Hiện nay, mới chỉ có một vài hệ thống thí điểm quy mô nhỏ như hệ thống 150kWp ở Trung tâm hội nghị quốc gia, Hà nội và hệ thống 12kWp tại toà nhà Bộ Công thương

Nhìn chung, tình hình phát triển năng lượng mặt trời tại nước ta hiện nay hầu như không phát triển tương xứng với tiềm năng vốn có của nó Có nhiều nguyên nhân khách quan và chủ quan đưa đến thực tại này, trong đó có một số nguyên nhân chính sau:

- _ Thiếu chiến lược và chính sách trọng điểm quốc gia về năng lượng tái tạo Do

đó việc nghiên cứu và ứng dụng năng lượng tái tạo nói chung và năng lượng mặt trời nói riêng phải đối mặt với nhiều rào cán

- Cho đến nay Việt Nam tương đối có tiềm năng về nhiên liệu hóa thạch như

than, đầu, khí tự nhiên, và thủy điện (Nhưng từ nayViệt Nam sẽ trở thành

nước nhập khâu năng lượng, trong đó nhập khẩu điện từ Trung Quốc, than từ Indonesia, .!) Với các nguồn năng lượng truyền thống này, tỉ suất đầu tư thấp hơn nhiều so với việc đầu tư để phát triển năng lượng mặt trời Do vậy, vì các lí do kinh tế mà năng lượng mặt trời không được đầu tư để phát triển

- Thu nhập của người dân Việt Nam vẫn còn thấp so với mức đầu tư va chi phí

cao của công nghệ năng lượng tái tạo Trong khi đó, Chính phủ vẫn chưa có chính sách hỗ trợ ứng dụng năng lượng tái tạo

-_ Các rào cán trên khiến cho các công trình nghiên cứu và ứng dụng công nghệ

năng lượng mặt trời vẫn ở mức thấp, quy mô nhỏ và phân tán Hầu hết các dự

án triển khai thực hiện mới ở mức thí điểm và ứng dụng quy mô nhỏ ở nông

thôn Việt Nam hiện vẫn thiếu các đữ liệu năng lượng mặt trời để thiết lập các

dự án thương mại cũng như thiếu ngành công nghiệp điện mặt trời và mạng lưới dịch vụ

2.1.3 Phân loại pin mặt trời

Cho tới nay thì vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời (và cho các thiết bị bán dẫn) là

các silic tinh thê Pin mặt trời từ tỉnh thể silic chia ra thành 3 loại:

Hình 2 2 Các loại pin mặt trời thường gặp

* Một tinh thể hay đơn tỉnh thể module sản xuất dựa trên qua trinh Czochralski

Don tinh thé loai này có hiệu suất tới 16% Chúng thường rất mắc tiền do được cắt

từ các thỏi hình ống, các tắm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module

* Da tinh thể làm từ các thỏi đúc-đúc từ silic nung chảy cẩn thận được làm nguội

và làm rắn Các pin này thường rẻ hơn các đơn tỉnh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn don tinh thé bù lại cho hiệu suất thấp của nó

* Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tỉnh thể, loại này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các loại

vì không cần phải cắt từ thỏi silicon

Từ các tế bào pin mặt trời của cả ba loại trên có dạng các tắm mỏng với độ dày khoảng 300 um Để sử dụng hiệu quả các tắm pin quang điện, người ta ghép chúng

lai dé cho ra céc module pin năng lượng mặt trời Số lượng cũng như cách thức ghép các tắm pin năng lượng mặt trời này phụ thuộc vào nhu cầu sử dụng

2.1.4 Cau tạo và hoạt động của pin mặt trời Silic

Vật liệu xuất phát để làm pin Mặt trời silic phải là bán dẫn silic tỉnh khiết Ở

dạng tỉnh khiết, còn gọi là bán dẫn rong s6 hat tai (hạt mang dién) 1a electron va sé

hạt tải là lỗ trống (hole) nhu nhau

Để làm pin Mặt trời từ bán dẫn tỉnh khiết phải làm ra bán dẫn loại n và bán dẫn loại p rôi ghép lại với nhau cho nó có được tiếp xúc p-n

nguyên tử bo B có 3 electron ở vành ngoài, tức là thiếu một electron mới đủ tạo

thành 4 mối liên kết nên có thể nói là tạo thành lỗ trống (hole) Vì là thiếu electron

nên lỗ trống mạng điện dương, bán dẫn pha tạp trở thành có tính dẫn điện lỗ trống,

tức là bán dẫn loại p (positif -dương) Vậy trên cơ sở bán dẫn tỉnh khiết có thể pha

tạp để trở thành có lớp là bán dẫn loại n, có lớp bán dẫn loại p, lớp tiếp giáp giữa hai loại chính là lớp chuyển tiếp p - n Ở chỗ tiếp xúc p - n này một ít electron ở bán dẫn loại n chạy sang bán dẫn loại p lấp vào lỗ trống thiếu electron, ở đó Kết quả là

ở lớp tiếp xúc p-n có một vùng thiếu electron cũng thiếu cả lỗ trống, người ta gọi đó

là vùng nghèo Sự dịch chuyển điện tử để lấp vào lỗ trống tạo ra vùng nghèo này cũng tạo nên hiệu thế gọi là hiệu thế ở tiếp xúc p - n, đối với Sỉ vào cỡ 0,6V đến 0,7V Đây là hiệu thế sinh ra ở chỗ tiếp xúc không tạo ra dòng điện được

Electron and Current Flow in Soler Cells

Electron Flow

Hình 2 4 Nguyên lí hoạt động của một tế bào quang điện Silic

Nhưng nếu đưa phiến bán dẫn đã tạo lớp tiếp xúc p - n phơi cho ánh sáng mặt trời chiếu vào thì photon của ánh sáng mặt trời có thê kích thích làm cho điện tử đang liên kết với nguyên tử bị bật ra khỏi nguyên tử, đồng thời ở nguyên tử xuất hiện chỗ trống vì thiếu electron, người ta gọi là photon đến tạo ra cặp electron - lỗ trống Nếu cặp electron - lỗ trống này sinh ra ở gần chỗ có tiếp p - n thì hiệu thế tiếp xúc sẽ đây electron về một bên (bên bán dẫn n) đây lỗ trống về một bên (bên bán dẫn p) Nhưng cơ bản là electron đã nhảy từ miễn hoá trị (dùng để liên kết) lên miền dẫn ở mức cao hơn, có thé chuyển động tự do Càng có nhiều photon chiếu đên càng có nhiêu cơ hội để electron nhảy lên miễn dẫn

Nếu ở bên ngoài ta dùng một dây dẫn nói bán dẫn loại n với bán dẫn loại p (qua

một phụ tải như lèn LED chẳng hạn) thì electron từ miền dẫn của bán dẫn loại n sé qua mạch ngoài chuyển đến bán dẫn loại p lắp vào các lỗ trống Đó là dòng điện

pin Mặt trời silic sinh ra khi được chiến sáng Dùng bán dẫn silic tạo ra tiếp xúc p -

n để từ đó làm pin Mặt trời là một tiến bộ lớn trên con đường trực tiếp biến ánh sáng Mặt trời thành dòng điện để sử dụng Tuy nhiên pin Mặt trời silic có một số hạn chế về kinh tế, kỹ thuật

-_ Vật liệu xuất phát là silic tinh khiết nên rất đất Ban đầu là làm từ silie đơn tinh thể dùng trong công nghệ vi điện tử, tuy chỉ là dùng đầu thừa đuôi thẹo nhưng giá vẫn là khá cao Đã có những cách dùng silic đa tỉnh thể, silic vô định hình tuy hiệu suất thấp hơn nhưng bù lại giá rẻ hơn Nhưng xét cho cùng

thì vật liệu silic sử dụng phải là tỉnh khiết nên giá thành rẻ hơn không nhiều

-_ Đối với silic, để đưa electron từ miền hoá trị lên miền dẫn phải tốn năng lượng

cỡ 1,1 eV Vậy năng lượng của photon đến phải bằng hoặc cao hơn 1,1eV một

ˆ chút là đủ để kích thích eletron nhảy lên miền dẫn, từ đó tham gia tao thanh

dòng điện của pin mặt trời Photon ứng với năng lượng 1,1 eV có bước sóng

cỡ 1 m tức là hồng ngoại Vậy photon có các bước sóng lục, lam, tử ngoại là

có năng lượng quá thừa thãi để kích thích điện tử của Si nhảy lên miền dẫn

Do đó pin mặt trời Si sử dụng lãng phí năng lượng Mặt trời để biến ra điện

Hình 2 5 Hoạt động cơ bản của một bộ pin năng lượng mặt trời

2.1.5 Cấu tạo và hoạt động của các loại pin mặt trời kiểu mới

2.1.5.1 Pin Mặt trời nhạy cảm chất màu DSC (Dye - sensitized solar cell) DSC 1a mét loai pin mat troi moi, gid ré, dé lam Loai pin nay do Michael Gratzel ở trường Bách khoa Lausane (Thuy Sĩ) chế tạo lần đầu vào năm 1991 nên còn có tên là pin Gratzel

MAR 81718: KAD

Hình 2 6 Pin mặt trời nhạy cảm chất màu DSC Cấu tạo nguyên thuỷ của pin DSC gồm ba phần chính (hình 2) Trên cùng là một lớp mỏng chất dẫn điện trong suốt, đóng vai trò anôt làm bằng oxyt thiếc pha tạp fluo (SnO2: F) Lớp này phú lên tấm thuỷ tỉnh trong suốt Tiếp đó là một lớp có diện tích bề mặt rất lớn Lớp dẫn điện SnO2: F và lớp hạt bột oxyt titan TiO2 được nhúng vào hỗn hợp chất màu nhạy quang ruthenium -polypyridin va dung môi Sau khi nhúng, một lớp mỏng chất màu nhạy quang bám dính vào các hạt TiO2 bằng

liên kết cộng hoá trị Tiếp đó mặt sau được tráng bằng một lớp mỏng chất điện ly iôt

và đậy kín bang tắm điện cực kim loại, thường là platin Toàn bộ được dán kín sao

cho dung dịch không bị rò chảy ra

Scheme of 6 dye~-sensiized eoler cell

Hình 2 7 Câu tạo của pin mặt trời nhạy cảm chất màu DSC

Pin DSC hoạt động như sau: ánh sáng Mặt trời qua tắm kính, qua lớp điện cực

trong suốt SnO2:F chiếu vào chất màu nhạy quang dính trên bề mặt các hạt TiO2

Photon kích thích các phân tử chất màu nhạy quang làm cho electron ở đó bị bứt ra nhảy vào miền dẫn của TiO2 rồi từ đó dé dàng chuyên động chạy về điện cực trong suốt ở phía trên Khi bị mất electron để nhận thêm cho phân tử không bị phân huỷ

Phân tử chất màu nhạy quang bèn lấy electron của iôt ở dung dịch điện phân, biến

anion iôt một I- thành anion iôt ba I3- Cac anion iôt này khi tiếp xúc với điện cực kim loại sẽ lấy lại electron từ điện cực trong suốt qua mạch ngoài chạy về điện cực kim loại Như vậy đã thực hiện cơ chế photon kích thích làm cho electron nhảy lên, đến điện cực trong suốt rồi qua mạch ngoài chạy về điện cực kim loại tạo ra dong điện

Hinh 2 8 Nguyên lý hoạt d6ng cia pin mat tri nhay cam chdt mau PSE

Vì nhiều lí do, hiệu suất của loại pin này chỉ vào cỡ 11% thấp hơn hiệu suất của pin Mặt trời silic (12 - 15%) Tuy nhiên ưu điểm rõ Tệt của loại pin này là:

-_ Vật liệu chế tạo rẻ, đễ kiếm Đặc biệt TiO2 là chất bột trắng hay dùng để làm

sơn trắng rất phổ biến

- _ Kỹ thuật chế tạo đơn giản, không phải cần máy móc cao cấp đắt tiền như ở

trường hợp pin Mặt trời silic Thậm chí có thể làm pin mặt trời kiểu này theo

cách thủ công

-_ Dễ đàng cải tiễn nhiều khâu kỹ thuật, nhất là ứng dụng công nghệ nano để làm bột T¡O2 có diện tích mặt ngoài cực lớn Nhược điểm của loại pin này là có chứa chất lỏng phải có các biện pháp chống rò rỉ khi dùng lâu (Loại pin này tuổi thọ là 10 năm, bằng một nửa tuổi thọ của pin Mặt trời silic)

Hiện nay đã có nhiều cải tiến đối với chất màu nhạy quang làm cho ánh sáng thuộc nhiều bước sóng trong phổ ánh sáng Mặt trời đều dễ dàng bị hấp thụ để kích thích làm thoát điện tử tạo ra dòng điện Nhờ đó, khác với pin Mặt trời silic, loại

pin Mặt trời mới này vẫn hoạt động tốt khi nắng yếu, đặc biệt là hoạt động với ánh sáng trong nhà

2.1.5.2 Pin mặt trời đạng keo nước (Lá nhân tạo)

Pin mặt trời dạng keo nước còn được gọi là Lá nhân tạo Đây là loại Pin mặt trời

có thể uốn cong, có thành phân là keo nước chứa các phân tử nhạy sáng kết hợp với các điện cực phủ chất liệu cacbon, ví dụ như ống nano cacbon hoặc than chì Các phân tử nhạy sáng trở nên “kích động” khi ánh sáng mặt trời chiếu vào và sản sinh

ra điện năng; cơ chế này tương tự như cơ chế kích thích tổng hợp đường để sinh trưởng của phân tử thực vật

Hiện tại, việc ứng dụng loại pin này vẫn chưa được công bố do hiệu suất hoạt động của pin vẫn còn thập

Hình 2 9 Hình ảnh mô phỏng cấu tạo lá nhân tạo

2.2 Tổng quan về kết nối bộ năng lượng mặt trời với lưới điện phân phối

2.2.1 Tính cần thiết của việc kết nối bộ pin mặt trời vào lưới điện phân phối Ngày nay với xã hội phát triển đòi hỏi cần nguồn năng lượng điện lớn Vì vậy đòi hỏi phải phát triển nhiều nguồn năng lượng điện khác nhau như: nhiệt điện, thủy điện, năng lượng hạt nhân nhưng những nguồn năng lượng này ngày càng cạn

kiệt lại ảnh hưởng đến môi trường cũng như môi trường sinh thái Vì vậy cần nguồn

năng lượng đám bảo được các yếu tố trên nhưng lại là vô tận Phong điện, năng

lượng mặt trời được khai thác triệt dé nhưng lại rất tốn kém Với ý tưởng tận dụng

những nguồn nhỏ sẵn có của các hộ gia đình công suất nhỏ như: năng lượng mặt trời, năng lượng gió, máy phát Diesel, máy phát biogas sẽ cùng kết nối vào lưới điện nhằm giảm tải cho lưới điện từ các hộ gia đình và tăng nguồn cung cấp cho hệ thống điện

Kết nối các nguồn điện sẵn có từ các hộ gia đình vào hệ thống điện nhằm đảm bảo liên tục cung cấp điện, chí ít cho chính phụ tải hộ gia đình đang dùng cũng như hạn chế việc quá tải trên đường dây Việc kết nối này sẽ tận dụng công suất tối đa của các nguồn năng lượng mà các hộ tiêu thụ có thể phát khi tải hộ gia đình nhỏ mà nguồn năng lượng phát lớn Đây chính là yếu tố nhằm ổn định hệ thống điện khi bị quá tải

Việc kết nối bộ pin năng lượng mặt trời vào lưới điện phân phối có ý nghĩa rất lớn trong việc tận dụng tối đa công suất điện mà bộ pin năng lượng mặt trời tạo ra đồng thời vẫn giảm thiểu được chỉ phí lắp đặt thiết bị do ta không phải chỉ phí thêm

khoản đầu tư cho các thiết bị lưu trữ năng lượng Đồng thời, trong tỉnh hình an ning

năng lượng luôn là vấn đề quan tâm hàng đầu và việc mắt điện luân phiên do nhu câu vượt quá khả năng cung ứng của hệ thống điện thì việc phát triển triển các bộ pin năng lượng mặt trời có khả năng kết nối lưới điện phân phối được đặt biệt quan tâm trong vấn đề tìm các nguồn năng lượng thay thế để bù đắp lượng điện thiếu hụt trong giờ cao điểm

Điều này cho ta thấy được tính cấp thiết của việc nghiên cứu các giải pháp thích

hợp để có thể kết nối các bộ pin năng lượng mặt trời công suất nhỏ vào lưới điện

phân phối Cùng với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ chế tạo các bộ pm năng lượng mặt trời có chất lượng tốt hơn với phí ngày càng giảm, các bộ pin năng lượng mặt trời sẽ đóng vai trò ngày càng quang trọng trong việc thiết lập cầu nối hữa hiệu nhằm tận dụng các nguồn năng lượng nhỏ lẻ thành một nguồn năng lượng đáng kể trong hệ thống phân phối điện năng Góp phần đa dạng hóa các nguồn năng lượng và đảm bảo an ninh năng lượng trong thời gian không xa

Khi kết nối lưới điện, ngoài việc phải đảm bảo cung cấp một công suất tối đa thu được từ bộ pin năng lượng mặt trời thì việc phải đảm bảo chất lượng điện năng cũng không kém phần quan trọng Để làm được điều này, bộ nghịch lưu được dùng

đã tích hợp thêm bộ điều chỉnh dòng điện với các thông số hiệu chỉnh được

Nhiệm vụ của luận văn là thiết kế một bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời có khả

năng kết nối lưới điện phân phối sao cho có thể tận dụng tối đa công suất mà bộ

năng lượng mặt trời thu được từ môi trường bên ngoài Đồng thời bộ chuyển đổi

cũng có nhiệm vụ điều chỉnh dòng điện bơm chỉ bơm công suất tác dụng vào lưới còn công suất phản kháng thì rất nhỏ so với công suất tác dụng Khi đó, hệ số công

suất gần bằng 1 Ngoài ra, dựa vào điều kiện hoạt động của bộ nghịch lưu, các hệ số

điều khiển của bộ điều chỉnh dòng điện cũng được thay đổi để luôn đảm bảo tổng

độ méo dạng sóng hài của dòng điện luôn được duy trì ở mức thấp nhằm tang hiệu

suất của bộ chuyển đổi năng lượng

2.2.2 Hòa đồng bộ hai máy phát

Về cơ bản, các nguồn điện hiện nay được phân chia thành hai loại cơ bản là nguồn đòng và nguồn áp

-_ Nguồn áp là nguồn điện có khả năng cung cấp một hiệu điện thế ổn định phụ

thuộc vào tính chất đặc điểm của nguồn điện, còn giá trị về dòng điện sẽ phụ

thuộc vào các đặc điểm môi trường bên ngoài mà nó kết nối cũng như đặc tính bên trong của chính nó Ví dụ nguồn áp một chiều 5V, 12V hay nguồn ap xoay

chiều 220V, 11.5KV, 500KV

-_ Nguồn dòng là nguồn điện sẽ cung cấp cho môi trường liên kết bên ngoài một dòng điện có giá trị không phụ thuộc vào tính chất cũng như môi trường liên kết với chúng

Tùy vào đặc điểm của các nguồn điện hòa đồng bộ mà ta sẽ xác định các thông

số khác nhau ảnh hưởng đến quá trình hòa đồng bộ hai máy phát điện

Trong luận văn này, với mục đích hòa đồng bộ nguồn điện mặt trời vào lưới điện

phân phối là một nguồn áp nên ta chỉ xem xét hai trường hợp hòa đồng bộ có thể

xảy ra đó là hòa đồng bộ một nguồn dòng vào một nguồn áp và hòa hai nguồn áp với nhau

2.2.2.1 Hòa đồng bộ hai nguồn áp

Ta biết rằng thao tác hoà đồng bộ hai máy phát là chọn điểm đồng bộ để đóng áp

to mát của tô máy hoà lên lưới là việc song song với tỗ máy phát đang làm việc trên

lưới Điểm hoà chính xác là điểm thỏa mãn các điều kiện sau:

- Bién độ Sđđ máy hòa bằng điện áp lưới Eh =UI

-_ Giá trị tần số của máy hoà phải bằng tần số của lưới Fh = fl

- Cac té may phat phải có cùng thứ tự pha

-_ Góc lệch giữa hai véc tơ Eh,UI bằng "không "

Để phân tích các điều kiện ta có thể giả thiết các máy phát đang làm việc khi thực

hiện hoà đồng bộ chính xác phải làm sao để dòng điện cân bằng chạy giữa các máy phát điện có giá trị nhỏ nhất để máy phát không hỏng, các máy phát hoạt động song song bình thường Nếu các điều kiện hoà song song được thoả mãn, đặc biệt góc lệch pha giữa các điện áp pha nằm trong giới hạn cho phép việc hoà song song xây

ra êm, không có dòng cân bằng lớn

Khi các điều kiện hoà song song giữa các máy phát được thỏa mãn hiệu số hình học điện áp giữa điện áp pha của máy phát đang hoạt động và máy phát được hoà phải bằng không và dòng cân bằng vào thời điểm hoà bằng không, cụ thể không có

tang dong đột bién, không có hiện tượng giao động điện áp trên thanh cái Nếu các

điều kiện hoà đồng bộ chính xác không được thoả mãn từng phân hay toàn bộ khi hòa máy phát vào mạng sẽ có đòng cân băng và giao động điện áp trên thanh cái với những giá trị khác nhau trên lưới được quy về một tổ máy tương đương gọi là F Máy sẽ hoà vào goi la MF}

Tại bât cứ thời điểm nào trước khi hoà ta cũng có:

1, = 2U, sin(ø# + Ø,)

đ, = V2E, sin(@,t + 9, )

Giả sử ban dau lay 9, = 9, =90 taco:

u, —e, = Au =2U cos( 211 2 yp sin( 2-4 2 2

Dòng điện cân bằng chạy trong 2 tổ máy phát ở thời điểm hoà được tính theo công thức sau:

Hình 2 11 Sơ đồ biểu thị vecto khi hòa

2.2.2.2 Phân tích các điều kiện hòa

a Điêu kiện về điện áp.

Về trị số độ lớn của điện áp lưới và Sđđ máy hoà không thoả mãn trong khi đó

các điều kiện kia thoả mãn:

o = _ Au —- > 0

Lúc đó — Ã:*¿ : độ lớn tuỳ thuộc độ chênh lệch

Biểu thị véc tơ chứng minh điều kiện hoà thứ nhất không thỏa mãn chứng tỏ dòng cân bằng còn tổn tại, dòng cân bằng này có giá trị từ 0 —l„m

Uaa [AU kEa

Hình 2 12 Sơ đồ vecto khi điện áp không thỏa mãn

b Điều kiện tần số không thoả mãn

Giả sử điện áp các máy phát bằng nhau, tần số khác nhau: Ul= Eh= U, fI z th

Trong trường hợp đó các vecto điện áp của máy đang hoạt động và máy được

hoà sẽ lệch nhau một góc Š, Vì tốc độ góc của 2 máy phát “1: không bằng nhau

nên góc thay đổi từ 0-1800, hiệu số hình học các điện áp năm trong giới hạn từ 0- 2U Vào thời điểm hoà máy phát điện 1 vào mạng sẽ xuất hiện dòng cân bằng, giá

trị của nó phụ thuộc hiệu hình học điện áp A, Vì điện trở tác dụng của cuộn dây

stator nhỏ so với điện trở kháng nên vecto dòng cân bằng Ty lệch pha với vecto điện áp ^ một góc 90° Dòng cân bằng có giá trị đủ lớn gây ra va đập cơ học trên trục các máy phát làm hư hỏng nặng

Giá trị biên độ dòng cân bằng vào thời điểm hoà đối với máy phát có cuộn ổn

EaEe _ suc điện động của máy phát I và máy phát 2 có điện trở kháng siêu

dẫn dọc trục

XaXaa _ Điện trở kháng siêu dẫn dọc trục của máy phat 1 va may phat 2

Xc - Điện trở kháng, qua điện trở đó máy phát 1 được hoà với máy phát 2

Ky - Hệ số va đập, có tính đến thành phần không chu kỳ của dòng điện

v2 Hệ số xác định biên độ thành phần có chu kỳ dòng điện

Dòng cân bằng đạt giá trị cực dai khi 5 = 180°

Dòng cân bằng đạt giá trị cực đại khi =180”,AU = 2U (2E)

Nếu hệ thống điện năng có 2 máy phát giếng nhau nên «ti F Xa›%: * 0 trong

trường hợp xấu nhất ở = 180” khi hoà song song, dòng cân bằng đạt giá trị cực dai

lyp = 42k, =

bằng dòng va đập ngắn mạch 3 pha trên thanh cái của hệ thống: Xi

Giá trị hiệu dụng chênh lệch điện áp AU sẽ biến đổi từ 0 khi góc (ổ = 0°) đến

lL, = Au

X, +X

2U khi (ở = 180”) và vì vậy dòng cân bằng " thay đổi trong khoảng từ

0(5=0°) đến Inm khi ở =180°) với tần số là 4% =O - fi)

5x, = 7,5 10° q

Trong kỹ thuật hoà chính xác người ta thường lấy góc