Nghiên cứu áp dụng pin mặt trời áp mái cho các dự án khu nhà ở áp dụng tính toán cho khu nhà nghỉ dưỡng ba vì

L ỜI CẢM ƠN Sau một thời gian nghiên cứu và tìm hiểu, được sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo trong bộ môn Hệ thống điện – Trường đại học Bách Khoa Hà Nội, đặc biệt là sự giúp đỡ t

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

-

TRẦN ĐĂNG HẠNH

NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG PIN MẶT TRỜI ÁP MÁI CHO

CÁC DỰ ÁN KHU NHÀ Ở ÁP DỤNG TÍNH TOÁN CHO

L ỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng toàn bộ luận văn “Nghiên cứu áp dụng pin mặt trời áp mái cho

các d ự án khu nhà ở Áp dụng tính toán cho khu nhà nghỉ dưỡng Ba Vì” là công

trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu và kết quả trong luận văn là hoàn toàn trung

thực đúng với thực tế và chưa được ai công bố

Để hoàn thành luận văn này thì tôi chỉ sử dụng những tài liệu được nêu trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác Nếu phát hiện

có sự sao chép tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Tác gi ả luận văn

Tr ần Đăng Hạnh

L ỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian nghiên cứu và tìm hiểu, được sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo trong bộ môn Hệ thống điện – Trường đại học Bách Khoa Hà Nội, đặc biệt là sự giúp đỡ

tận tình của thầy giáo PGS.TS Trần Bách, tôi đã hoàn thành luận văn với đề tài “Nghiên

c ứu áp dụng Pin mặt trời áp mái cho các dự án khu nhà ở Áp dụng tính toán cho khu nhà ngh ỉ dưỡng Ba Vì ”

Lời đầu tiên cho tôi gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo PGS.TS Trần Bách đã

hướng dẫn và giúp đỡ tôi tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình làm luận văn Và tôi cũng xin cảm ơn bạn bè đồng nghiệp và người thân đã ở bên động viên và

tiếp thêm sức mạnh để tôi có thể hoàn thành được bài luận văn này

Do kiến thức còn hạn chế nên luận văn cũng không tránh khỏi có những sai sót trong quá trình làm Tôi rất mong nhận được những lời nhận xét góp ý từ các thầy cô giáo để luận văn được hoàn thiện hơn

M ỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC HÌNH ẢNH v

DANH MỤC BẢNG vi

DANH MỤC BIỂU ĐỒ vii

DANH MỤC SƠ ĐỒ viii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ix

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 1

3 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu 1

4 Phương pháp nghiên cứu 1

5 Ý nghĩa khoa học thực tiễn của đề tài 2

6 Nội dung nghiên cứu 2

CHƯƠNG 1: CÔNG NGHỆ ĐIỆN MẶT TRỜI, ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỆN MẶT TRỜI LÊN LƯỚI ĐIỆN 3

1.1 Năng lượng mặt trời 3

1.1.1 Sơ lược về năng lượng mặt trời 3

1.1.2 Ứng dụng của năng lượng mặt trời 5

1.2 Điện mặt trời 8

1.2.1 Tổng quan 8

1.2.2 Pin mặt trời 8

1.2.3 Hệ thống điện mặt trời nối lưới 19

1.3 Ảnh hưởng của điện mặt trời lên lưới điện 26

1.3.1 Tác động liên quan quá tải 28

1.3.2 Tác động liên quan đến điện áp 30

1.3.3 Tác động dòng điện ngược 33

1.3.4 Tác động tới hệ thống bảo vệ 35

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 37

2.1 Tổng quan 37

2.2 Các thông số cần thiết để thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời 38

2.2.1 Các yêu cầu và đặc trưng của phụ tải 38

2.2.2 Vị trí lắp đặt hệ thống 38

2.3 Các bước thết kế hệ thống điện mặt trời 40

2.3.1 Lựa chọn sơ đồ khối 40

2.3.2 Tính toán hệ nguồn điện mặt trời 44

2.4 Ví dụ về thiết kế dàn PV 49

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỆN MẶT TRỜI 52 3.1 Tổng quan 52

3.2 Xây dựng mô hình cơ sở 54

3.2.1 Mô hình lưới điện phân phối 55

3.3 Phân tích và đánh giá tác động của PV 58

3.3.1 Đánh giá PV sử dụng phân tích dòng 59

3.3.2 Đánh giá PV sử dụng phân tích sự cố 60

3.4 Phương pháp tính chế độ xác lập : Phương pháp lặp NEWTON_RAPHSON: 61

3.4.1 Hệ phương trình cân bằng công suất nút 61

3.4.2 Ma trận tổng dẫn: 62

3.4.3 Thuật toán giải Newton-Raphson: 63

3.4.4 Chương trình tính toán MATPOWER: 66

3.4.5 Đánh giá kết quả tính toán 66

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN ÁP DỤNG : thiết kế dàn PV cho khu biệt thự Biệt thự Green Villas BA VÌ 68

4.1 Tổng quan 68

4.1.1 Giới thiệu 68

4.1.2 Mục tiêu 72

4.2 Yêu cầu kĩ thuật 72

4.3 Lựa chọn sơ đồ khối 73

4.3 Tính toán hệ thống và lựa chọn thiết bị 73

4.4 Chi tiết lắp đặt 77

4.5 Phân tích ảnh hưởng tới lưới điện bằng chương trình MATPOWWER chạy trên Matlab 79

4.5.1 Giới thiệu công cụ Matpower 79

4.5.2 Kiểm tra điện áp và dòng công suất của lưới điện khi có PV 79

KẾT LUẬN 88

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 89

PHỤ LỤC 1: BẢNG SỐ LIỆU TÍNH TOÁN TRƯỜNG HỢP CÔNG SUẤT PHÁT PV LỚN NHẤT 90

PHỤ LỤC 2: BẢNG SỐ LIỆU TÍNH TOÁN TRƯỜNG HỢP PHỤ TẢI ĐIỆN NHỎ NHẤT 93

PHỤ LỤC 3: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN TRƯỜNG HỢP CÔNG SUẤT PHÁT PV LỚN NHẤT 96

PHỤ LỤC 4: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN TRƯỜNG HỢP PHỤ TẢI ĐIỆN NHỎ NHẤT 100

PHỤ LỤC 5: KẾT QUẢ ĐÁNH GIÁ 103

DANH M ỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Sự hấp thụ và khuếch tán năng lượng mặt trời 4

Hình 1.2: Quan hệ các góc hình học của tia bức xạ mặt trời trên mặt phẳng nghiêng 5

Hình 1.3: Phần tử bán dẫn cấu thành pin mặt trời 9

Hình 1.4: Cấu tạo module pin mặt trời 12

Hình 1.5: Hệ 2 mức năng lượng 13

Hình 1.6: Các vùng năng lượng 13

Hình 1.7: Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 14

Hình 1.8: Nối nối tiếp các modul PV 17

Hình 1.9: Nối song song các modul PV 17

Hình 1.10: Nối hỗn hợp các modul PV 18

Hình 1.11: Hệ thống mặt trời nối lưới 19

Hình 1.12 Ảnh hưởng của PV năng lượng mặt trời lên điện áp của đường dây 31

Hình 1.13 Tác động của PV năng lượng mặt trời lên bộ điều chỉnh điện áp 33

Hình 2.1 Góc nghiêng beta của hệ thống 39

Hình 2.2 Hệ thống điện mặt trời áp mái độc lập 41

Hình 2.3 Hệ thống điện mặt trời lắp mai nối lưới trực tiếp 42

Hình 2.4 Hệ thống kiểu kết hợp, vừa lưu trữ vừa hòa lưới 43

Hình 2.5 Ví dụ pin mặt trời cho hộ gia đình 50

Hình 3.1 Mô hình chi tiết và mô hình đơn giản của trạm biến áp 56

Hình 3.2 Ví dụ về bộ điều áp và điều chỉnh chi tiết 58

Hình 3.3: Sơ đồ cân bằng công xuất nút 61

Hình 4.1 Địa hình Ba Vì – Hà Nội 69

Hình 4.2 Mặt bằng khu biệt thự 70

Hình 4.3 Pin mặt trời Canadia 320Wp 75

Hình 4.4 Bộ Inverter Growatt 18000UE 77

DANH M ỤC BẢNG

Bảng 4.1: Bảng liệt kê các phụ tải trong một căn biệt thự 71

Bảng 4.2 Thông số kỹ thuật Pin năng lượng mặt trời 75

Bảng 4.3 Thông số kỹ thuật bộ inverter 76

Bảng 4.4 Các thiết bị của hệ thống điện mặt trời 77

Bảng 4.5 Thông số các nút 80

Bảng 4.6: Thông số cách nhánh 83

DANH M ỤC BIỂU ĐỒ

Biểu đồ 1.1: Quan hệ I(U) và P(U) của PV 16

Biểu đồ 1.2: Biến động công suất của PV 27

Biểu đồ 1.3: Tải mặt nạ - khác nhau giữa tải đo được và tải gốc trong ngày (Mather et al 2014) 29

Biểu đồ 1.4: Đồ thị so sánh điện áp giữa các hệ thống 30

Biểu đồ 1.5: Ví dụ về TOV trong thời gian loại bỏ tải 34

Biểu đồ 1.6: Ví dụ minh họa quá áp tức thời 35

Biểu đồ 2.1: Đồ thị biểu diễn quan hệ Dòng và áp 48

Biểu đồ 4.1: Biểu đồ tiêu thụ điện hàng tháng của 1 căn biệt thự Green Hill Villa năm 2017 72

Biểu đồ 4.2: Đồ thị phụ tải điện 83

Biểu đồ 4.3: Đồ thị phát công suất của PV 84

Biểu đồ 4.4: Đồ thị điện áp tại các nút trong mạch 85

Biểu đồ 4.5: Đồ thị dòng công suất trên cách nhánh 85

Biểu đồ 4.6: Đồ thị điện áp tại các nút trong mạch 86

Biểu đồ 4.7: Đồ thị dòng công suất trên cách nhánh 86

DANH M ỤC SƠ ĐỒ

Sơ đồ 1.1: Sơ đồ thay thế modul PV 15

Sơ đồ 1.2: Sơ đồ bộ phận xác định điểm công suất phát cực đại cho hệ thống pin năng lượng mặt trời 18

Sơ đồ 1.3: Sơ đồ hệ thống điện mặt trời nối lưới 20

Sơ đồ 1.4: Sơ cấu hình hệ thống PV nối lưới 21

Sơ đồ 1.5: Dòng công suất ngược từ PV về nguồn 27

Sơ đồ 1.6: Bộ điều chỉnh điện áp trên đường dây 32

Sơ đồ 3.1: Sơ đồ các bước phát triển mô hình 53

Sơ đồ 3.2: Sơ đồ các bước thực hiện nghiên cứu tác động của PV 54

Sơ đồ 3.3: Sơ đồ thuật toán phương pháp N-R 64

Sơ đồ 4.1: Sơ đồ lưới điện khu biệt thự 70

Sơ đồ 4.2: Sơ đồ mặt bằng 1 căn biệt thự 71

Sơ đồ 4.3: Sơ đồ cấp nguồn cho căn biệt thự 78

Sơ đồ 4.4: Sơ đồ cấp nguồn cho khu biệt thự 78

Sơ đồ 4.5: Sơ đồ lưới điện khu biệt thự 79

Sơ đồ 4.6: Sơ đồ mô hình hóa lưới điện khu biệt thự 80

DANH M ỤC TỪ VIẾT TẮT

PEC Photoelectrochemical Công nghệ tế bào hóa học điện quang

PETE Photon enhanced thermionic

MPPT Maximum Power Point Tracker Phương pháp dò tìm điểm làm việc có

công suất tối ưu

PLC Programmable Logic Controller Thiết bị điều khiển khả trình

DG Distributed generation Nguồn phân tán

TOV Temporary overvoltage Quá áp tạm thời

CPF Continuous power flow Dòng điện liên tục

VRT Voltage Regulation Technology Công nghệ điều chỉnh điện áp

M Ở ĐẦU

1 Lý do ch ọn đề tài

Hiện nay các nguồn năng lượng truyền thống như: Dầu mỏ, khí đốt tự nhiên và than đá đang ngày một cạn kiệt, chỉ có thể đáp ứng nhu cầu năng lượng của chúng ta thêm 50-70 năm nữa Vì vậy, cần phải kiếm các nguồn năng lượng mới để thay thế Giải pháp hiện nay là nghiên cứu sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo Nguồn năng lượng tái tạo phổ

biến và được sử dụng nhiều nhất hiện nay là nguồn năng lượng mặt trời

Với các nước ở những khu vực nhiệt đới thì việc sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo để

phục vụ cho cuộc sống đã trở nên rất phổ biến, và Việt Nam cũng vậy Nhiều ứng dụng

đã được áp dụng và phát minh nhằm cho mục đích này Hệ thống năng lượng mặt trời

phục vụ cho các khu dân cư là một trong số đó

2 M ục đích nghiên cứu

Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ mặt trời vào thực tiễn, đồng thời tìm hiểu các tác

động của điện mặt trời tới lưới điện

3 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Mô hình điện năng lượng mặt trời nối lưới cho khu nhà nghỉ dưỡng tại Ba Vì

Phạm vi nghiên cứu: Phân tích tiềm năng sử dụng điện mặt trời, xây dựng thiết kế mô hình điện mặt trời nối lưới cho khu nhà nghỉ dưỡng tại Ba Vì Từ đó, phân tích tác động

của điện mặt trời tới lưới điện

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết về công nghệ điện mặt trời cùng các tác động của điện mặt trời lên lưới điện đối với hệ thống điện mặt trời nối lưới

Phân tích tiềm năng sử dụng điện mặt trời của đối tượng nghiên cứu, theo đó lên kế

hoạch và thiết kế hệ thống điện mặt trời nối lưới cho đối tượng

Mô phỏng đánh giá tác động của điện mặt trời lên lưới điện, phân tích từ số liệu thực tế

5 Ý nghĩa khoa học thực tiễn của đề tài

Công trình nghiên cứu có ý nghĩa thực tế và mang tính khoa học cao Với mục đích nâng cao ý thức sử dụng năng lượng tái tạo giúp bảo vệ môi trường, tích kiệm nhiên liệu và

giảm chi phí sử dụng điện Ngoài ra luận văn còn nghiên cứu tác động của năng lượng

mặt trời lên lưới điện, đó là một trong nhưng cơ sở xây dựng nên bộ tài liệu chuyên ngành

6 N ội dung nghiên cứu

Luận văn gồm có 4 chương:

- CHƯƠNG 1: CÔNG NGHỆ ĐIỆN MẶT TRỜI, ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỆN MẶT

TRỜI LÊN LƯỚI ĐIỆN

- CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

- CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỆN MẶT TRỜI

- CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN ÁP DỤNG : THIẾT KẾ DÀN PV CHO KHU BIỆT THỰ GREEN VILLAS BA VÌ

CHƯƠNG 1: CÔNG NGHỆ ĐIỆN MẶT TRỜI, ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỆN

M ẶT TRỜI LÊN LƯỚI ĐIỆN

1.1 Năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời, bức xạ ánh sáng và nhiệt từ Mặt trời, đã được khai thác bởi con người từ thời cổ đại bằng cách sử dụng một loạt các công nghệ phát triển hơn bao giờ

hết Bức xạ mặt trời, cùng với tài nguyên thứ cấp của năng lượng mặt trời như sức gió và sức sóng, sức nước và sinh khối, làm thành hầu hết năng lượng tái tạo có sẵn trên Trái Đất Chỉ có một phần rất nhỏ của năng lượng mặt trời có sẵn được sử dụng

Điện mặt trời nghĩa là phát điện dựa trên động cơ nhiệt và pin quang điện Sử dụng năng lượng mặt trời chỉ bị giới hạn bởi sự khéo léo của con người Một phần danh sách các ứng dụng năng lượng mặt trời sưởi ấm không gian và làm mát thông qua kiến trúc năng lượng mặt trời, qua chưng cất nước uống và khử trùng, chiếu sáng bằng ánh sáng ban ngày, nước nóng năng lượng mặt trời, nấu ăn năng lượng mặt trời, và quá trình nhiệt độ cao nhiệt cho mục đích công nghiệp Để thu năng lượng mặt trời, cách phổ biến nhất là

sử dụng tấm năng lượng mặt trời

Công nghệ năng lượng mặt trời được mô tả rộng rãi như là hoặc năng lượng mặt trời thụ động hoặc năng lượng mặt trời chủ động tùy thuộc vào cách chúng nắm bắt, chuyển đổi

và phân phối năng lượng mặt trời Kỹ thuật năng lượng mặt trời hoạt động bao gồm việc

sử dụng các tấm quang điện và năng lượng mặt trời nhiệt thu để khai thác năng lượng Kỹ thuật năng lượng mặt trời thụ động bao gồm các định hướng một tòa nhà về phía Mặt

trời, lựa chọn vật liệu có khả năng hấp thụ nhiệt thuận lợi hoặc hấp thu ánh sáng phân tán, và thiết kế không gian lưu thông không khí tự nhiên

1.1.1 Sơ lược về năng lượng mặt trời

Trái Đất nhận được 174 PW của bức xạ mặt trời đến (sự phơi nắng) ở phía trên không khí Khoảng 30% được phản xạ trở lại không gian trong khi phần còn lại được hấp thụ

bởi các đám mây, đại dương và vùng đất Phổ của ánh sáng năng lượng mặt trời ở bề mặt

của Trái Đất là chủ yếu lây lan qua nhìn thấy được và cận hồng ngoại phạm vi với một vai nhỏ trong các cận tử ngoại

Bề mặt Trái Đất, biển và bầu không khí hấp thụ bức xạ mặt trời, và điều này làm tăng nhiệt độ của chúng Không khí ấm có chứa nước bốc hơi từ các đại dương tăng lên, gây

ra lưu thông khí quyển hoặc đối lưu Khi không khí đạt đến một độ cao, nơi nhiệt độ

thấp, hơi nước ngưng tụ thành mây, mưa lên trên bề mặt của Trái Đất, hoàn thành chu kỳ nước Tiềm ẩn nhiệt ngưng tụ nước khuếch đại đối lưu, sản xuất các hiện tượng khí quyển như gió, cơn bão và chống cơn bão Ánh sáng mặt trời bị hấp thụ bởi các đại dương và các vùng đất giữ bề mặt ở nhiệt độ trung bình là 14 °C Bằng cách quang

hợp cây xanh chuyển đổi năng lượng mặt trời vào năng lượng hóa học, trong đó sản xuất

thực phẩm, gỗ và sinh khối từ nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch

Tổng số năng lượng mặt trời được hấp thụ bởi bầu khí quyển, và bề mặt của Trái Đất là khoảng 3.850.000 (EJ) mỗi năm Trong khi đó theo ước tính năm 2002, năng lượng mà

thế giới đã sử dụng trong một năm cần khoảng 3850000/24*360= 445,602 (EJ)

Cường độ bức xạ mặt trời trên mặt đất chủ yếu phụ thuộc 2 yếu tố: góc nghiêng của các tia sáng đối với mặt phẳng bề mặt tại điểm đã cho và độ dài đường đi của các tia sáng trong khí quyển hay nói chung là phụ thuộc vào độ cao của Mặt trời(Góc giữa phương từ điểm quan sát đến Mặt trời và mặt phẳng nằm ngang đi qua điểm đó)

Hình 1.2: Quan h ệ các góc hình học của tia bức xạ mặt trời trên mặt phẳng nghiêng

1.1.2 Ứng dụng của năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời chia ra làm năng lượng nhiệt, năng lượng điện và hóa học Dưới đây

là 2 ứng dụng nhiệt và hóa của năng lượng mặt trời Năng lượng điện sẽ được đề cập ở

b Hệ thống sưởi ấm, làm mát và thông gió

Tại Hoa Kỳ, hệ thống sưởi ấm, thông gió và điều hòa không khí (HVAC) chiếm 30% (4,65 EJ) năng lượng được sử dụng trong các tòa nhà thương mại và gần 50% (10,1 EJ) năng lượng sử dụng trong các tòa nhà dân cư Công nghệ sưởi ấm, làm mát và thông gió năng lượng mặt trời có thể được sử dụng để bù đắp một phần năng lượng này

c Nhiệt quy trình

Công nghệ năng lượng mặt trời tập trung như đĩa parabol, máng và bộ phản xạ Scheffler

có thể cung cấp nhiệt quá trình cho các ứng dụng thương mại và công nghiệp Hệ thống thương mại đầu tiên là Dự án Năng lượng Tổng số Mặt trời ở Shenandoah, Georgia, Mỹ,

một khu vực gồm 114 đĩa parabol cung cấp 50% năng lượng các quá trình làm nóng, điều hòa không khí và điện cho một nhà máy sản xuất quần áo Hệ thống này đồng phát kết

nối lưới điện cung cấp 400 kW điện cộng với năng lượng nhiệt dưới dạng hơi nước 401

kW và 468 kW nước lạnh, và có một tải trọng lưu trữ cao điểm một giờ nhiệt

Ngoài ra, còn rất nhiều ứng dụng khác về năng lượng nhiệt mặt trời như xử lý nước, bếp

mặt trời,…

Quá trình hóa học năng lượng mặt trời sử dụng năng lượng mặt trời để dẫn dắt phản ứng hóa học Các quá trình này đã bù đắp năng lượng mà nếu không sẽ phải đến từ nguồn nhiên liệu hóa thạch và cũng có thể chuyển đổi năng lượng mặt trời thành nhiên liệu thỏa mãn điều kiện lưu trữ và vận chuyển Năng lượng mặt trời gây ra các phản ứng hóa học

có thể được chia thành nhiệt hóa hoặc quang hóa Một loạt nhiên liệu có thể được sản

xuất bởi quang hợp nhân tạo Xúc tác hóa học đa điện tử liên quan trong việc đưa ra các nhiên liệu carbon (như methanol) từ giảm lượng khí carbon dioxit là một thách thức, một

sự thay thế khả thi là hydrogen sản xuất từ proton, mặc dù sử dụng nước như là nguồn

gốc của các điện tử (như các nhà máy) đòi hỏi phải làm chủ quá trình oxy hóa đa điện tử

của hai phân tử nước ôxy phân tử Các nhà hoạch định chiến lược dự kiến năm 2050 sẽ xây dựng khu đô thị tại các ven biển với việc sử dụng hoàn toàn năng lượng điện bằng năng lượng tái sinh, nhà máy sản xuất năng lượng điện bằng năng công nghệ - tách nước

biển cung cấp hydro để được chạy các nhà máy điện sản xuất điện sạch và nước tinh khiết được sản sinh ra sẽ đi trực tiếp vào hệ thống nước đô thị

Công nghệ sản xuất Hydrogen là một khu vực quan trọng của nghiên cứu hóa học năng lượng mặt trời từ những năm 1970 Ngoài điện phân điều khiển bởi các tế bào quang điện

hoặc tế bào hóa nhiệt, quy trình nhiệt hóa cũng đã được khám phá Một cách như vậy sử

dụng các bộ tập trung để phân tách nước thành oxy và hydro ở nhiệt độ cao (2300 - 2.600

°C) Cách tiếp cận khác sử dụng nhiệt từ các bộ tập trung năng lượng mặt trời để tái tạo hơi khí tự nhiên do đó làm tăng tổng sản lượng hydro so với phương pháp tái tạo thông thường Chu kỳ nhiệt hóa đặc trưng bởi sự phân hủy và tái sinh của chất phản ứng theo

một cách khác để sản xuất hydro Quá trình Solzinc được phát triển tại Viện Khoa học Weizmann sử dụng một lò năng lượng mặt trời 1 MW để phân hủy oxide kẽm (ZnO) ở nhiệt độ trên 1200 °C Phản ứng này ban đầu sản xuất kẽm tinh khiết, sau đó có thể phản ứng với nước để sản xuất hydro

Công nghệ Sunshine to Petrol (S2P) của Sandia sử dụng nhiệt độ cao tạo ra bằng cách tập trung ánh sáng mặt trời cùng với một chất xúc tác zirconia/ferrite để phá vỡ dioxide carbon trong khí quyển thành oxy và carbon monoxide (CO) Khí carbon monoxide sau

đó có thể được sử dụng để tổng hợp các nhiên liệu thông thường chẳng hạn như methanol, xăng và nhiên liệu phản lực

Một thiết bị quang điện hóa là một loại pin, trong đó các dung dịch tế bào (hoặc tương đương) tạo ra các sản phẩm hóa học trung gian giàu năng lượng khi được chiếu sáng

Những sản phẩm hóa học trung gian giàu năng lượng có khả năng có thể được lưu trữ và sau đó phản ứng tại điện cực để tạo ra một điện thế Tế bào hóa học ferric-thionine là một

ví dụ của công nghệ này

Tế bào điện hóa hay các Photoelectrochemical(PEC) bao gồm một chất bán dẫn, thường

là titanium dioxide hoặc các titanate có liên quan, nhúng trong môi trường điện phân Khi

chất bán dẫn được chiếu sáng một điện thế được phát triển Có hai loại tế bào điện hóa: tế bào quang điện chuyển đổi ánh sáng thành điện và các tế bào quang sử dụng ánh sáng để điều khiển các phản ứng hóa học như phản ứng điện phân

Một tế bào kết hợp nhiệt/quang hóa cũng đã được đề xuất Quá trình Stanford PETE sử

dụng năng lượng nhiệt mặt trời để tăng nhiệt độ của một kim loại nhiệt khoảng 8000C để tăng tốc độ sản xuất của điện lực để điện giải CO2 trong khí quyển thành carbon hoặc carbon monoxide sau đó chúng có thể được sử dụng để sản xuất nhiên liệu, và nhiệt dư cũng có thể được sử dụng

1.2 Điện mặt trời

1.2.1 T ổng quan

Kỹ thuật điện mặt trời đơn giản là cách chuyển quang năng thành điện năng trực tiếp nhờ các tấm pin mặt trời ghép lại với nhau thành mô đun Photon đập vào electron làm năng lượng của electron tăng lên và di chuyển tạo thành dòng điện

Điện năng do pin mặt trời tạo để sử dụng hay để sạc pin Thời kỳ đầu diện mặt trời chỉ được dùng cho vệ tinh nhân tạo hay phi thuyền nhưng ngày nay công dụng chính của nó

là để cấp điện vào lưới điện chung nhờ bộ chuyển đổi từ dòng điện một chiều trong pin sang điện xoay chiều Còn một phần nhỏ dùng cấp điện cho các ngôi nhà, trạm điện thoại, bộ điều khiển từ xa

Tấm pin được đặt dưới một lớp gương nhằm ngăn những tác động từ môi trường Để có lượng điện lớn hơn một mảnh pin riêng lẻ có thể tạo ra người ta gắn kết nhiều mảnh lại thành một tấm lớn là pin mặt trời Một tấm pin riêng lẻ đủ cấp điện cho một trạm điện thoại công cộng, còn để đủ cấp cho một căn nhà hay một nhà máy điện thì phải cần nhiều

tấm ghép lại thành dãy Dù hiện giờ giá thành điện mặt trời hầu như vẫn cao hơn rất nhiều so với giá điện lưới nhưng ở một số nước như Nhật Bản hay Đức nhờ có ưu đãi về tài chính, thuế khóa mà sản lượng của ngành này đã có bước tiến vượt bậc do lượng cầu tăng

The EPIA/Greenpeace Advanced Scenario dự báo đến năm 2030 ngành điện mặt trời toàn thế giới sẽ đạt công suất xấp xỉ 2600 TWh, nghĩa là đủ cung cấp cho 14% dân số địa

cầu

1.2.2 Pin m ặt trời

Pin năng lượng mặt trời hay pin mặt trời hay pin quang điện (Solar panel) bao gồm nhiều

tế bào quang điện (solar cells) - là phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các cảm biến ánh sáng là điốt quang, thực hiện biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện Cường độ dòng điện, hiệu điện thế hoặc điện trở của pin mặt trời thay đổi

phụ thuộc bởi lượng ánh sáng chiếu lên chúng Tế bào quang điện được ghép lại thành

khối để trở thành pin mặt trời (thông thường 60 hoặc 72 tế bào quang điện trên một tấm pin mặt trời) Tế bào quang điện có khả năng hoạt động dưới ánh sáng mặt trời hoặc ánh

sáng nhân tạo Chúng có thể được dùng như cảm biến ánh sáng, hoặc các phát xạ điện từ

gần ngưỡng ánh sáng nhìn thấy hoặc đo cường độ ánh sáng

Sự chuyển đổi này thực hiện theo hiệu ứng quang điện Hoạt động của pin mặt trời được chia làm ba giai đoạn:

- Đầu tiên năng lượng từ các photon ánh sáng được hấp thụ và hình thành các cặp electron-hole trong chất bán dẫn

- Các cặp electron-hole sau đó bị phân chia bởi ngăn cách tạo bởi các loại chất bán dẫn khác nhau (p-n junction) Hiệu ứng này tạo nên hiệu điện thế của pin mặt trời

- Pin mặt trời sau đó được nối trực tiếp vào mạch ngoài và tạo nên dòng điện

Các pin năng lượng Mặt trời có nhiều ứng dụng trong thực tế Do giá thành còn đắt, chúng đặc biệt thích hợp cho các vùng mà điện lưới khó vươn tới như núi cao, ngoài đảo

xa, hoặc phục vụ các hoạt động trên không gian; cụ thể như các vệ tinh quay xung quanh

quỹ đạo trái đất, máy tính cầm tay, các máy điện thoại cầm tay từ xa, thiết bị bơm nước Các Pin năng lượng Mặt trời được thiết kế như những modul thành phần, được ghép lại

với nhau tạo thành các tấm năng lượng Mặt trời có diện tích lớn, thường được đặt trên nóc các tòa nhà nơi chúng có thể có ánh sáng nhiều nhất, và kết nối với bộ chuyển đổi

của mạng lưới điện Các tấm pin Mặt Trời lớn ngày nay được lắp thêm bộ phận tự động điều khiển để có thể xoay theo hướng ánh sáng, giống như loài hoa hướng dương hướng

về ánh sáng Mặt Trời

1.2.2.1 N ền tảng lý thuyết

Lý thuyết về chất bán dẫn là nền tảng của pin mặt trời Để đơn giản, miêu tả sau đây chỉ

giới hạn hoạt động của một pin năng lượng tinh thể silic

Nguyên tố Silic thuộc nhóm IVA trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học, tức là có 4 electron lớp ngoài cùng Silic nguyên tố không tìm thấy trong tự nhiên mà tồn tại dạng

hợp chất phân tử ở thể rắn Cơ bản có hai loại chất rắn silicon, là đa thù hình (không có

trật tự sắp xếp) và tinh thể (các nguyên tử sắp xếp theo thứ tự dãy không gian 3 chiều) Pin năng lượng Mặt trời phổ biến nhất là dạng đa tinh thể silicon

Silic là vật liệu bán dẫn Nghĩa là trong thể rắn của silic, tại một tầng năng lượng nhất định, electron có thể đạt được, và một số tầng năng lượng khác thì không được Đơn giản

hiểu là có lúc dẫn điện, có lúc không dẫn điện Lý thuyết này căn cứ theo thuyết cơ học lượng tử

Ở nhiệt độ phòng thí nghiệm (khoảng 28 °C), Silic nguyên chất có tính dẫn điện kém (cơ

học lượng tử giải thích mức năng lượng Fermi trong tầng trống) Trong thực tế, để tạo ra các phân tử silic có tính dẫn điện tốt hơn, chúng được thêm vào một lượng nhỏ các nguyên tử nhóm III hay V trong bảng tuần hoàn hóa học Các nguyên tử này chiếm vị trí

của nguyên tử silic trong mạng tinh thể, và liên kết với các nguyên tử silic bên cạnh tương tự tạo thành một mạng silic (mạng tinh thể) Tuy nhiên các phân tử nhóm III có 3 electron ngoài cùng và nguyên tử nhóm V có 5 electron ngoài cùng, vì thế nên có chỗ trong mạng tinh thể có dư electron còn có chỗ thì thiếu electron Vì thế các electron thừa hay thiếu electron (gọi là lỗ trống) không tham gia vào các kết nối mạng tinh thể Chúng

có thể tự do di chuyển trong khối tinh thể Silic kết hợp với nguyên tử nhóm III (nhôm hay gali) được gọi là loại bán dẫn p bởi vì năng lượng chủ yếu mang điện tích dương (positive), trong khi phần kết hợp với các nguyên tử nhóm V (phốt pho, asen) gọi là bán

dẫn n vì mang năng lượng âm (negative) Lưu ý rằng cả hai loại n và p có năng lượng trung hòa, tức là chúng có cùng năng lượng dương và âm, loại bán dẫn n, loại âm có thể

di chuyển xung quanh, tương tự ngược lại với loại p

1.2.2.2 V ật liệu cấu thành và hiệu suất hoạt động

Đã có nhiều loại vật liệu khác nhau được thử nghiệm chế tạo pin Mặt trời Có hai tiêu chuẩn đánh giá, là hiệu suất và giá cả

Hiệu suất là tỉ số giữa năng lượng điện từ và năng lượng ánh sáng Mặt trời Vào buổi trưa

một ngày trời trong, ánh Mặt trời tỏa nhiệt khoảng 1000 W/m² trong đó 10% hiệu suất

của 1 module 1 m² cung cấp năng lượng khoảng 100 W hiệu suất của pin Mặt trời thay đổi từ 6% từ pin Mặt trời làm từ silic không thù hình, và có thể lên đến 30% hay cao hơn

trọng Và để tạo nên ứng dụng thực tế cho pin năng lượng, điện năng tạo nên có thể nối

với mạng lưới điện sử dụng dạng chuyển đổi trung gian; trong các phương tiện di chuyển, thường sử dụng hệ thống ắc quy để lưu trữ nguồn năng lượng chưa sử dụng đến Các pin năng lượng thương mại và hệ thống công nghệ cho nó có hiệu suất từ 5% đến 15% Giá

của 1 đơn vị điện từ 50 Eurocent/kWh (Trung Âu) giảm xuống tới 25 eurocent/kWh trong vùng có ánh Mặt trời nhiều

Ngày nay thì vật liệu chủ yếu chế tạo pin Mặt trời (và cho các thiết bị bán dẫn) là silic

dạng tinh thể Pin Mặt trời từ tinh thể silic chia ra thành ba loại:

- Một tinh thể hay tinh thể đơn (module) sản xuất dựa trên quá trình Czochralski Đơn tinh thể loại này có hiệu suất tới 16% Chúng thường rất đắt tiền do được cắt từ các thỏi silic hình ống, các tấm đơn tinh thể này có các mặt trống ở góc nối các module

- Đa 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 tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể 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 tinh 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

Nền tảng chế tạo dựa trên Công nghệ sản suất tấm mỏng, có độ dày 300 μm và xếp lại để

tạo nên các module tạo thành các loại pin trên

Công nghệ chế tạo pin mặt trời gồm nhiêu công đoạn khác nhau để tạo nên module pin

mặt trời hoàn chỉnh

Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel Tuy nhiên cho đến 1883 một pin năng lượng mới 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%, Russell Ohl xem là người tạo ra pin năng lượng mặt trời đầu tiên năm 1946 Sau đó Sven Ason Berglund đã có các phương pháp liên quan đến

việc tăng khả năng cảm nhận ánh sáng của pin

Xét một hệ hai mức năng lượng điện tử E1<E2, bình thường điện tử chiếm mức năng lượng thấp hơn E1 Khi nhận bức xạ mặt trời, lượng tử ánh sáng photon có năng lượng hν (trong đó h là hằng số Planck, ν là tần số ánh sáng) bị điện tử hấp thụ và chuyển lên mức năng lượng E2 Ta có phương trình cân bằng năng lượng:

Hν = E2 – E1

Hình 1.5: H ệ 2 mức năng lượng

Trong các vật thể rắn, do tương tác rất mạnh của mạng tinh thểlên điện tử vòng ngoài, nên các mức năng lượng của nó bị tách ranhiều mức năng lượng sát nhau và tạo thành các vùng năng lượng Vùng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm đầy khi ở trạngthái cân

bằng gọi là vùng hoá trị, mà mặt trên của nó có mức năng lượng Ev Vùng năng lượng phía trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi là vùng dẫn, mặt dưới

của vùng có năng lượng là Ec Cách ly giữa 2 vùng hóa trị và vùng dẫn là một vùng cấp

có độ rộng với năng lượng là Eg, trong đó không có mức năng lượng cho phép nào của điện tử

Hình 1.6: Các vùng năng lượng

Khi nhận bức xạ mặt trời, photon có năng lượng hν tới hệ thống và bị điện tử ở vùng hoá

trị thấp hấp thu và nó có thể chuyển lên vùng dẫn để trở thành điện tử tự do e-, để lại ở vùng hoá trị một lỗ trống có thể coi như hạt mang điện dương, ký hiệu là h+ Lỗ trống này có thể di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện

Tóm lại khi vật rắn nhận tia bức xạ mặt trời, điện tử ở vùng hoá trị hấp thụ năng lượng photon hoán vị và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn điện tử - lỗ trống e- - h+, tức là

đã tạo ra một điện thế Hiện tượng đó gọi là hiệu ứng quang điện bên trong

1.2.2.4 Mô hình toán và đặc tính làm việc của pin mặt trời

Các đại lượng vật lý phức tạp của pin năng lương mặt trời (PV) được mô tả bằng sơ đồ thay thế trong hình

Sơ đồ 1.1: Sơ đồ thay thế modul PV

Mạch điện tương đương của mô hình tế bào quang điện bao gồm: Dòng quang điện, điốt, điện trở song song (dòng điện dò), điện trở nối tiếp được chỉ ra trên hình ta có:

Dòng quang điện phụ thuộc trực tiếp vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ pin, được tính theo công thức:

𝐼𝑔𝑐 = �𝜇𝑆𝐶�𝑇𝐶 − 𝑇𝑟𝑒𝑓� + 𝐼𝑆𝐶�G

Với là hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ của dòng ngắn mạch (A/C); là nhiệt độ tham chiếu

của tế bào quang điện (0K); là nhiệt độ làm việc của tế bào quang điện (0K); là dòng điện ngắn mạch trong điều kiện tiêu chuẩn (nhiệt độ 25 C và bức xạ mặt trời 1kW/); G là

Bi ểu đồ 1.1: Quan hệ I(U) và P(U) của PV

Đặc tính làm việc của pin mặt trời thể hiện qua đường đặc tính I(U) (hình 2.5),hai thông

số là điện áp hở mạch (khi dòng điện ra bằng 0) và dòng điện ngắn mạch (khi điện áp ra

bằng 0) MPP là điểm làm việc trên đường đặc tính P(U) mà tại đó điện áp đạt cực đại (và công suất đạt cực đại

Công suất của pin được tính theo công thức:

P = U.I

Hiệu suất biến đổi quang năng của pin PV được định nghĩa như sau:

Hiệu suất biến đổi của pin càng cao, công suất thu được ở đầu ra càng lớn dưới một ánh sáng cho trước

Ta có nhận xét sau:

- Dòng ngắn mạch tỉ lệ thuận với cường độ bức xạ mặt trời và ít thay đổi theo nhiệt độ

- Điện áp hở mạch tỉ lệ nghịch với nhiệt độ và ít thay đổi theo bức xạ mặt trời

- Công suất modul PV thay đổi nhiều theo cả bức xạ mặt trời và nhiệt độ

tấm PV Mỗi đường đặc tính P(U) có một điểm ứng với công suất lớn nhất, gọi là điểm công suất cực đại (MPP – Max Power Point)

Một khuyết điểm của PVlà điện áp và dòng điện làm việc của nó thường nhỏ.Do đó, để điện áp làm việc lớn hơn, yêu cầu phải mắc nối tiếp các PV và để có dòng điện làm

việc lớn hơn yêu cầu phải mắc song song các PV Mảng PV được định nghĩa là việc kết

nối nhiều module PV.Có3 hình thức kết nối các module PV như: nối tiếp, song song và

hổnhợp

Hình thức nàyđược sử dụngđể nâng điện áp của hệ thốngPV

Hình thức nàyđược sử dụngđể nâng cường độ dòng điện của hệ thống PV

Hình thức này được sử dụng để nâng cả điện áp và cường độ dòng điện của hệ thống PV

Hình 1.10: N ối hỗn hợp các modul PV

Các module, tấm năng lượng mặt trời không tự tạo thành các hệ thống điện năng lượng

mặt trời Để tạo thành hệ thống cần phải có cấu trúc gắn kết các tấm pin PV, theo điều

kiện ánh sáng mặt trời, cũng như các thành phần hoạt động với điện một chiều DC sản

xuất bởi các tấm PV nhằm sản xuất điện năng theo yêu cầu của phụ tải Nếu tải sử dụng điện xoay chiều, hệ thống cần bộ phận chỉnh lưu biến đổi điện một chiều thành xoay chiều ở tần số công nghiệp

Sơ đồ 1.2: Sơ đồ bộ phận xác định điểm công suất phát cực đại cho hệ thống pin năng

điều kiện khí hậu nhất định Đầu ra các tấm pin đi vào bộ nghịch lưu chuyển đổi DC thành AC Công suất do hệ thống sinh ra nếu vượt quá yêu cầu của phụ tải sẽ được sử

dụng để sạc hệ thống ắc qui Bộ sạc ắc qui thường là bộ biến đổi DC - DC Buck converter Khi không có ánh sáng mặt trời, điện năng chứa trong ắc qui được cung cấp cho phụ tải qua bộ chỉnh lưu Diode được sử dụng để ngăn chặn việc tiếp tục sạc ắc qui khi bộ sạc đã được mở sau khi sạc đầy hoặc vì lý do khác Các diode tránh hiện tượng

mảng PV tiêu thụ năng lượng từ ắc qui vào ban đêm Bộ điều khiển chế độ thu thập các tín hiệu hệ thống, như dòng điện và điện áp các mảng PV và ắc qui, theo dõi trạng thái ắc qui, điều khiển bộ sạc, bộ biến đổi, và máy sưởi bật hoặc tắt khi cần thiết Bộ điều khiển

chế độ là bộ điều khiển trung tâm cho toàn bộ hệ thống

Đối với hệ thống PV nối lưới, hệ thống sưởi không bắt buộc do công suất thừa sẽ được truyền lên lưới điện Ắc qui cũng được loại bỏ, trừ tải nhỏ quan trọng, như các bộ điều khiển khởi động và máy tính Điện năng một chiều được biến đổi trước tiên thành xoay chiều bằng nghịch lưu, dòng và áp sẽ được lọc đưa lên lưới điện

Đối với các ứng dụng PV, nghịch lưu là một thành phần tối quan trọng giúp chuyển đổi dòng điện DC nguồn vào thành AC cung cấp cho phụ tải hoặc giao truyền tải lên lưới

1.2.3 H ệ thống điện mặt trời nối lưới

Hệ thống PV chuyển hóa thành nguồn điện một chiều (DC) từ các tấm pin năng lượng

mặt trời thành nguồn điện xoay chiều (AC) thông qua bộ chuyển đổi điện nối lưới (inverter) Bộ chuyển đổi này được lập trình tự dò điểm công suất cực đại (MPPT) từ các

tấm pin nhằm tối ưu điện năng nhận được từ năng lượng mặt trời Ngoài ra, hệ thống sẽ đồng pha và kết nối giữa điện mặt trời và điện lưới Trong đó, ưu tiên sử dụng điện mặt

trời cung cấp trực tiếp cho tải

Sơ đồ 1.3: Sơ đồ hệ thống điện mặt trời nối lưới

Hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới bao gồm các thành phần chính sau:

- Khối Module quang điện PV

- Bộ biến đổi DC/DC (Boost Converter)

- Bộ nghịch lưu DC/AC (Inverter)

- Bộ điều khiển

- Bộ đóng cắt mềm lưới và máy cắt phụ tải

- Bộ bảo vệ, chống sét

Sơ đồ 1.4: Sơ cấu hình hệ thống PV nối lưới

a) Khối Module quang điện (PV)

Là bộ nối các khối pin lại với nhau, làm nhiệm vụ biến đổi năng lượng mặt trời thành điện năng một chiều với công suất điện phụ thuộc vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ làm

việc của pin mặt trời

b) Bộ biến đổi DC/DC hay bộ Boost Converter

Bộ biến đổi DC/DC có nhiệm vụ xác định điểm phát công suất cực đại của pin, biến đổi điện áp một chiều tương ứng với điểm công suất cực đại thành điện áp một chiều có giá

trị phù hợp và ổn định, thường được sử dụng ở mạch một chiều trung gian của các thiết bị

biến đổi điện năng công suất vừa đặc biệt là các hệ thống phát điện sử dụng năng lượng tái tạo (sức gió, mặt trời )

c) Bộ nghịch lưu DC/AC

Bộ nghịch lưu DC/AC có chức năng biến đổi dòng điện một chiều (DC) từ dàn pin mặt

trời hoặc từ bộ ắc-quy thành dòng điện xoay chiều (AC) Các thông số kỹ thuật chính cần quan tâm bao gồm:

- Thế vào một chiều

- Thế ra xoay chiều

- Tần số và dạng dao động điện (hình sin hay vuông góc, …)

- Công suất yêu cầu cũng được xác định như đối với bộ điều khiển, nhưng ở đây chỉ tính các tải của riêng bộ biến đổi điện

- Hiệu suất biến đổi phải đạt yêu cầu 85% đối với trường hợp sóng điện xoay chiều có

dạng vuông góc hay biến điệu và 75% đối với bộ biến đổi có sóng điện ra hình sin Việc dùng bộ biến đổi điện có tín hiệu ra dạng xung vuông, biến điệu hay hình sin lại phụ thuộc vào tải tiêu thụ Nếu tải chỉ là tivi, radio, tăng âm, thì chỉ cần dùng loại sóng ra

dạng xung vuông hay biến điệu Nhưng nếu tải là các động cơ điện, quạt điện, tức là

những thiết bị có cuộn cảm thì phải dùng các bộ biến đổi có sóng ra dạng sin

Vì hiệu điện thế trong hệ nguồn điện pin mặt trời thay đổi theo cường độ bức xạ và trạng thái nạp của ắc-quy, nên các điện thế vào và ra của bộ điều khiển cũng như bộ biến đổi điện phải được thiết kế trong một khoảng dao động khá rộng nào đó Ví dụ đối với hệ nguồn làm việc với điện thế V = 12V thì bộ điều khiển và bộ đổi điện phải làm việc được trong dải điện thế từ Vmin10V đến Vmax = 15V

Hệ điều khiển nghịch lưu dùng để tạo ra các xung điều khiển đóng mở các van động lực theo những luật mong muốn Các luật điều khiển chủ yếu tập trung vào các vấn đề điều

chỉnh điện áp, tần số và đảm bảo chất lượng áp của nghịch lưu

d) Bộ điều khiển

Là bộ điều khiển trung tâm của cả hệ thống thực hiện chức năng điều phối công suất giữa

hệ thống pin mặt trời với lưới nhằm điều khiển phát công suất phản kháng lên lưới và phát công suất tác dụng cực đại lên lưới, điều phối tải (tải cục bộ), điều khiển quá trình

nạp xả của ắc-quy

Bộ điều khiển (BĐK) là một thiết bị điện tử có chức năng kiểm soát tự động các quá trình

nạp và phóng điện của bộ ác qui Bộ điều khiển theo dõi trạng thái của ắc quy thông qua

hiệu điện thế trên các điện cực của nó

Các thông số kỹ thuật chính cần phải được quan tâm:

- Ngưỡng điện thế cắt trên Vmax:

Ngưỡng điện thế cắt trên Vmax là giá trị hiệu điện thế trên hai cực của bộ ắc-quy đã được

nạp điện no, dung lượng đạt 100% Khi đó nếu tiếp tục nạp điện cho bộ ắc-quy thì ắc-quy

sẽ bị quá no, dung dịch ắc-quy sẽ bị sôi dẫn đến sự bay hơi nước và làm hư hỏng các bản

cực Vì vậy khi có dấu hiệu ắc-quy đã được nạp no, hiệu điện thế trên các cực bộ ắc-quy đạt đến V = Vmax, thì bộ điều khiển (BĐK) sẽ tự động cắt hoặc hạn chế dòng nạp điện từ dàn pin mặt trời Sau đó khi hiệu điện thế bộ ắc-quy giảm xuống dưới giá trị ngưỡng, BĐK lại tự động đóng mạch nạp lại

- Ngưỡng cắt dưới Vmin:

Ngưỡng cắt dưới Vmin là giá trị hiệu điện thế trên hai cực bộ ắc-quy khi ắc-quy đã phóng điện đến giá trị cận dưới của dung lượng ắc-quy (ví dụ, đối với ắc-quy chì- axit, khi trong ắc-quy chỉ còn lại 30% dung lượng) Nếu tiếp tục sử dụng ắc-quy thì nó sẽ bị phóng điện quá kiệt, dẫn đến hư hỏng ắc-quy Vì vậy, khi BĐK nhận thấy hiệu điện thế bộ ắc-quy V

= Vminthì nó sẽ tự động cắt mạch tải tiêu thụ Sau đó nếu hiệu điện thế bộ ắc-quy tăng lên trên giá trị ngưỡng, BĐK lại tự động đóng mạch nạp lại

Đối với ắc-quy chì- axit, hiệu điện thế chuẩn trên các cực của một bình là V = 12V, thì thông thường người ta chọn Vmax= (14,0 -14,5) V, còn Vmin = (10,5 - 11,0) V

Thông thường nằm trong dải: 1,3 PL≤ P ≤ 2 PL

Trong đó: PL là tổng công suất các tải có trong hệ nguồn, PL= Pi, i = 1, 2

Hiệu suất của BĐK phải càng cao càng tốt, ít nhất cũng phải đạt giá trị lớn hơn 85% e) Bộ đóng cắt mềm lưới và máy cắt phụ tải

Là hệ thống máy cắt được điều khiển bằng PLC hoặc điều khiển trực tiếp bằng tay dùng

để điều khiển hòa đồng bộ nguồn năng lượng mặt trời với lưới và điều khiển cung cấp điện cho tải

Hòa đồng bộ là một trong các điều kiện để nguồn điện (từ máy phát, pin mặt trời…) có

thể hoạt động ở chế độ làm việc song song hoặc cùng nối chung với một mạng lưới điện Các nguồn điện khi hoạt động ở chế độ làm việc song song với một nguồn khác, hoặc nhiều nguồn cùng nối chung vào một mạng lưới điện luôn đòi hỏi một số điều kiện Một trong các điều kiện đó là các nguồn điện phải hoạt động đồng bộ với nhau

a) Các điều kiện hòa đồng bộ

- Điều kiện về tần số: Hai nguồn phải bằng tần số với nhau, hoặc tần số nguồn điện phải

- Điều kiện về tần số:

Tần số của hai nguồn xấp xỉ bằng nhau Sai lệch nằm trong khoảng ∆f cho phép ∆f này

là bao nhiêu tùy thuộc vào việc chỉnh định bộ điều tốc và rơle hòa điện tự động, hoặc rơle

chống hòa sai

Thông thường, người ta điều chỉnh sao cho ∆f có trị số lớn hơn 0 một chút, nghĩa là tần

số nguồn điện cao hơn tần số lưới một chút Như vậy, khi hòa vào lưới nguồn điện sẽ bị

tần số lưới giữ lại, nghĩa là nguồn điện sẽ phát một công suất nhỏ ra lưới ngay thời điểm đóng máy cắt

- Điều kiện về điện áp:

Người ta cũng cho phép điện áp có sai lệch chút ít so với điện áp lưới và người ta cũng

chỉnh định sao cho điện áp nguồn điện bằng hoặc hơn điện áp lưới một chút để khi đóng điện thì công suất vô công của nguồn điện nhỉnh hơn 0 một chút Đối với điện áp thì có

thể điều chỉnh cho điện áp nguồn điện bằng điện áp lưới chính xác mà không có vấn đề

gì

- Điều kiện về pha:

Đây là điều kiện bắt buộc và phải tuyệt đối chính xác Thứ tự pha thường chỉ kiểm tra khi

lắp đặt máy hoặc sau khi có thao tác sửa chữa bảo trì mà phải tháo rời các điểm nối Vì

phải điều chỉnh tần số nên hai tần số không bằng nhau Do đó, góc pha sẽ thay đổi liên

tục theo tần số phách bằng hiệu của hai tần số Các role phải dự đoán chính xác thời điểm góc pha bằng 0, biết trước thời gian đóng của máy cắt và phải cho ra tín hiệu đóng máy

cắt trước thời điểm đồng bộ bằng đúng thời gian đó Thường khoảng dưới 100ms đến vài trăm ms Các điều kiện về điện áp và điều kiện về tần số có thể kiểm tra bằng các dụng

cụ đo trực tiếp như vôn kế, tần số kế nhưng các điều kiện về pha: thứ tự pha và đồng vị pha (góc lệch pha) cần phải kiểm tra nghiêm ngặt hơn

b) Đồng vị pha trong hai hệ thống lưới

Đối với các hệ thống phân đoạn, hệ thống lưới mạch vòng, thì đồng vị pha đã được xác định ngay khi thiết kế Tuy nhiên do những sai lệch về điện áp giáng trên đường dây, trên

tổng trở ngắn mạch của máy biến áp, do phối hợp các tổng trở các máy biến áp trong

mạch vòng không tốt và do sự phân bố tải trước khi đóng, nên góc pha giữa hai đầu máy

cắt có thể khác 0 Nhưng thường là ít thay đổi trong thời gian ngắn Trong trường hợp này, đóng máy cắt sẽ không gây ra ảnh hưởng gì lớn, ngoại trừ một vài điểm nào đó có

khả năng quá tải Đối với một số vùng liên kết với hệ thống lưới bằng một đường duy

nhất, hoặc nhiều đường nhưng do sự cố đã rã toàn bộ, thì khi đóng lại, góc pha sẽ không còn 0 nữa Khi đó, góc pha sẽ thay đổi liên tục, vì hai tần số lúc ấy sẽ không còn bằng nhau Đóng máy cắt lúc đó phải đầy đủ các điều kiện về tần số như hòa đồng bộ máy phát điện Và thường rất khó, khó hơn hòa đồng bộ máy phát Vì muốn thay đổi tần số của

một trong 2 hệ thì không thể tác động tại chỗ được, mà phải liên hệ từ xa Để bảo đảm đồng vị pha, trên mạch điều khiển các máy cắt ấy phải có lắp đặt rơle hòa đồng bộ, hoặc rơle chống hòa sai

Đối với trường hợp thứ nhất, rơ le có thể chỉnh định với khoảng cho phép khá rộng: góc pha có thể sai từ 5 đến 10%, điện áp cho phép sai từ 5 đến 10%

Để hòa nguồn điện từ pin mặt trời vào lưới cũng không đơn giản, do điện áp và tần số khó thỏa mãn điều kiện hoà Do vậy, ta không nên hòa trực tiếp, mà hòa điện thông qua

bộ nghịch lưu Các bộ nghich lưu ngày nay có thể biến điện áp một chiều từ ắc quy thành nguồn có tần số và điện áp bất kỳ

Từ những phân tích trên chúng ta có thể thấy lợi ích của năng lượng điện mặt trời lên lưới điện hay nối lưới (Grid Connected) đó là:

- Tiết kiệm 100% chi phí điện

- Cắt giảm tối đa chi phí điện cho gia đình đặc biệt ở các khung giờ cao điểm Khả năng

tiết kiệm còn tùy thuộc vào diện tích mái nhà khả dụng và mức đầu tư công suất năng lượng mặt trời

- Tăng giá trị thẩm mĩ cho những đối tượng sử dụng

- Tiết kiệm chi phí đầu tư và bảo trì nếu không sử dụng acquy

- Tạo thêm thu nhập từ chính sách mua điện của chính phủ trong 20 năm

Tuy nhiên, cũng có một số bất cập khi điện mặt trời nối lưới đó là khó nối trực tiếp, mà

cần phải thông qua các bộ nghịch lưu để biến đổi thành nguồn có tần số và điện áp bất

kỳ Cùng với đó là tính xuyên tâm cao của điện mặt trời gây khó khăn không nhỏ cho quá trình thiết kế, sử dụng; ảnh hưởng của đặc tính này sẽ được phân tích kỹ ở phần đưới dây

1.3 Ảnh hưởng của điện mặt trời lên lưới điện

Đặc tính làm việc của điện mặt trời: điện mặt trời có 2 đặc tính quan trong ảnh hưởng

đên công tác của lưới điện :

- Công suất biến đổi mạn khi có đám mây bay qua

- Sinh ra dòng điện ngược từ PV về nguồn điện khi PV kết nối trên lưới điện

Sơ đồ 1.5: Dòng công suất ngược từ PV về nguồn

Theo truyền thống, hệ thống phân phối đã được thiết kế theo kiểu hình tia, theo hướng nguồn trạm đến tải Nhưng hiện nay, do sự thiếu hụt năng lượng cùng với việc thúc đẩy

sản xuất và sử dụng năng lượng sạch đã làm cho hệ thống phân phối trong đó có hệ thống quang điện phân tán trở nên phổ biến hơn Mặc dù các kỹ sư ngày nay đã dần quen với

những thách thức về thiết kế và vận hành hệ thống phân phối,nhưng sự xuyên thấu cao

của PV rất khó dự đoán, đôi khi tạo ra đầu ra rất biến đổi Thể hiện một thách thức lớn Không giống như kiểu phân tích phân phối truyền thống, được thực hiện tại một số thời điểm (Ví dụ như tải trọng nặng nhất,…) Tác động của sự thâm nhập cao của PV cần được nghiên cứu phân tích dựa trên sự biến đổi theo thời gian, khó dự đoán bằng phân tích tại

1 thời điểm thời gian duy nhất Phân tích theo thời gian bao gồm hoạt động của biến tần tác động nhanh, tải động và các thiết bị điều khiển điện áp tự động trên bộ nạp

Dưới đây sẽ nên ra các tác động tiềm ẩn do sự thâm nhập cao của PV,hiểu định nghĩa về

PV thâm nhập cao Theo mục đích, thâm nhập cao của PV được định nghĩa là mức độ

mạng lưới phân phối có khả năng bị vi phạm tiêu chuẩn điện áp, nhiệt hoặc bảo vệ cao

1.3.1 Tác động liên quan quá tải

Sự thâm nhập cao của các hệ thống PV có thể gây tăng tỷ lệ quá tải của cách phần tử trong mạch theo một số cách Trực quan nhất, năng lượng sinh ra từ các hệ thống PV có

thể gây quá tải các phần tử nằm giữa hệ thống PV và các tải trung tâm trên một mạng lưới nhất định

Mặc dù phụ tải đỉnh thường không đồng thời, các hệ thống PV đặt tương đối gần nhau Trong trường hợp này, nhiều hệ thống PV có kích thước lớn để bù đắp phụ tải điện (Ví

dụ trong khu dân cư) có thể gây quá tải các phần tử lưới điện vì tính chất trùng hợp của đầu ra PV đỉnh liên quan đến hệ số đồng thời củaphụ tải đỉnh

Khi kiểm tra quá tải cần cân nhắc cả hai điều kiện hệ thống bình thường và sự mất mát

của các đoạn mạch

Vị trí của PV có thể ảnh hưởng đáng kể đến việc truyền tải của các đoạn lưới; Do đó cần

kiểm tra các đoạn truyền tải giữa PV và trạm biến áp có đủ khả năng để phân phối công

suất dư thừa của PV ( Sau khi trừ đi tải cục bộ và hạ lưu) Ở mức thâm nhập cao, đặc biệt trong điều kiện đầu ra PV cao Trong một số trường hợp, dòng điện có thể tăng cao hơn

so với công suất tải lớn nhấtkhi không có đầu ra PV

Tải mặt nạ được hiểu như tải bị ẩn từ các thành phần ngược dòng của PV hoặc các nguồn khác sinh ra Bởi vì có nhiều khả năng DG không được giám sát và có thể bị ngắt kết nối

mà không có thông tin báo trước Điều quan trọng là tổng tải được xem xét trong thiết kế

và vận hành thực tế Cho các mục đích báo cáo, tải gắn liền với mạch được gọi là tải gốc Hình đưới đây cho thấy tải trọng đo được, tải gốc và PV sinh ra trong một ngày Tải gốc (đường màu xám) cao hơn nhiều so với lưu lượng được đo (đường màu xanh nhạt), bởi vì lưu lượng được đo là kết hợp của tải gốc và thành phần PV sinh ra (đường xanh đậm)

Nếu quyết định dựa trên các kết quả đo thay vì tính toán tải gốc, sự quá tại nghiêm trọng

của các thành phần trong mạch sẽ xảy ra nếu ngắt PV bất ngờ

2014)

Tải lạnh diễn ra khi một mạch phân phối được thiết lập lại sau khi cúp điện dài Trong tình huống này, sự mất đa dạng tải cùng với dòng điện đột ngột có thể dẫn đến các mức dòng trung chuyển có thể cao hơn nhiều so với dòng tối đa chịu đựng của dây Điều này

có thể dẫn đến tình trạng quá tải và điện áp thấp nếu hệ thống bảo vệ không kịp thời tác động trước

PV có thể làm trầm trọng thêm vấn đề tải lạnh bằng cách tăng sự chênh lệch giữa dòng

tải được đo trước sự cố và dòng tải lạnh sau khi sự cố Solar PV thường bị vấp khi xảy ra

sự cố Nếu PV không thể tự động kết nối lại hệ thống sau khi loại bỏ sự cố (hoặc người

vận hành không thao tác kết nối lại) hoặc sự cố phát sinh trước đó đã không còn, tải đầu

trạm biến áp hoặc đoạn trung chuyển đầu tiên của nguồn phát sẽ gặp sự cố lớn hơn bội

lần so với trường hợp đoạn nối không có hệ thống PV mặt trời

Do đó, việc đánh giá tải trọng lạnh có thể cần thiết khi xem xét tích hợp một hệ thống PV

lớn vào hệ thống phân phối Do đó, một lần nữa, việc xác định tải ban đầu là quan trọng hàng đầu trong việc thiết kế các mạch có mức thâm nhập cao của PV