Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật điện: Nghiên cứu giải pháp tổng quát trong thiết kế tối ưu bộ điều khiển biến tần kết nối lưới dùng cho hệ thống điện mặt trời

Luận văn được nghiên cứu với mục tiêu nhằm tìm hiểu và nghiên cứu về năng lượng mặt trời. Tìm hiểu về các bộ pin mặt trời. Tìm hiểu về giải thuật PS 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.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

-

LÊ NGỌC TUÂN

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TỔNG QUÁT TRONG THIẾT KẾ TỐI ƯU BỘ ĐIỀU KHIỂN BIẾN TẦN KẾT NỐI LƯỚI DÙNG CHO HỆ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

-

LÊ NGỌC TUÂN

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TỔNG QUÁT TRONG THIẾT KẾ TỐI ƯU BỘ ĐIỀU KHIỂN BIẾN TẦN KẾT NỐI LƯỚI DÙNG CHO HỆ

Cán bộ hướng dẫn khoa học :

PGS TS Ngô Cao Cường ThS Lê Đình Lương

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP HCM ngày 12 tháng 03 năm 2016

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

2 PGS TS Nguyễn Thanh Phương Phản biện 1

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 HCM, ngày 15 tháng 01 năm 2016

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Lê Ngọc Tuân Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 30/10/1980 Nơi sinh: Hà Nội

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện MSHV: 1441830027

I- Tên đề tài:

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TỔNG QUÁT TRONG THIẾT KẾ TỐI ƯU BỘ ĐIỀU KHIỂN BIẾN TẦN KẾT NỐI LƯỚI DÙNG CHO HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI

II- Nhiệm vụ và nội dung:

- Tìm hiểu và nghiên cứu về năng lượng mặt trời

- Tìm hiểu về các bộ pin mặt trời

- T m hiểu về giải thuật PSO trong hệ th ng điều khiển t động

- Phân tích các ảnh hưởng của việc hòa hai nguồn điện

- Xây d ng phương tr nh 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 ph i

III- Ngày giao nhiệm vụ: 20/08/2015

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 15/01/2016

V- Cán bộ hướng dẫn: PGS TS Ngô Cao Cường - ThS Lê Đình Lương

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

PGS TS Ngô Cao Cường

LỜI CAM ĐOAN

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

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

đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc

Học viên thực hiện Luận văn

Lê Ngọc Tuân

Xin cám ơn trường quý Thầy Cô trường Đại Học Công Nghệ Tp.HCM, Khoa

Cơ - Điện - Điện Tử, Phòng Quản Lý Khoa Học - Đào Tạo Sau đại học, tập thể lớp 14SMĐ11 đã tạo điều kiện cho tôi thực hiện Luận văn này

Tôi xin cảm ơn quý Thầy Cô trong Hội đồng đánh giá Luận văn đã nhiệt tình góp ý chỉnh sửa để luận văn được hoàn chỉnh hơn

Tôi xin cảm ơn các anh chị học viên và các đồng nghiệp đã hổ trợ và đóng góp

ý kiến để luận văn của tôi được hoàn thiện hơn

Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và người thân đã luôn

ở bên tôi và động viên, giúp đỡ tôi rất nhiều để tôi hoàn thành khóa học này

Người thực hiện luận văn

Lê Ngọc Tuân

TÓM TẮT

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 khả 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 th o sự thay đổi của cường độ bức xạ mặt trời thì yêu cầu về tối thiểu hóa tổng độ m o dạng sóng hài TH 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 PS 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 ổn 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 năng lượng mặt trời Đồng thời, TH của dòng điện bơm vào lưới luôn được giữ ở mức thấp

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 control 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

MỤC LỤC

LỜI CAM Đ AN i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT iii

ABSTRACT iv

MỤC LỤC v

MỤC LỤC C C H NH viii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xi

CH ƠN 1 I I THI 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ 3

1.3 Phạm vi nghiên cứu 3

1.4 Phương pháp nghiên cứu 3

1.5 Điểm mới của luận văn 4

1.6 Giá trị thực tiễn của luận văn 4

1.7 Nội dung của luận văn 5

CH ƠN T N Q AN 6

2.1 Tổng quan về pin năng lượng mặt trời 6

1.1 Lịch sử phát triển pin mặt trời 6

1 Tình hình phát triển của pin mặt trời hiện nay 8

1 .1 Trên thế giới 8

1 Thực tế tại iệt Nam 10

a Tiềm năng phát triển năng lượng mặt trời tai iệt Nam 10

b Hiện trạng ứng dụng năng lượng mặt trời tại iệt Nam hiện nay 11

1 Phân loại pin mặt trời 13

1.4 Cấu tạo và hoạt động của pin mặt trời Silic 14

1.5 Cấu tạo và hoạt động của các loại pin mặt trời kiểu mới 17

2.1.5.1 Pin Mặt trời nhạy cảm chất màu DSC (Dye - sensitized solar cell) 17

2.2 Tổng quan về kết nối bộ năng lượng mặt trời với lưới điện phân phối 20

2.2.1 Tính cần thiết của việc kết nối bộ pin mặt trời vào lưới điện phân phối 20

Hòa đồng bộ hai máy phát 22

1 Hòa đồng bộ hai nguồn áp 23

Phân tích các điều kiện hòa 25

a Điều kiện về điện áp 25

b Điều kiện tần số không thoả mãn 25

c Điều kiện về thứ tự pha 27

d Điều kiện về góc lệch pha 27

Hòa đồng bộ một nguồn dòng vào một nguồn áp 28

2.3 Giải thuật tối ưu hóa bầy đàn 29

2.3.1 Giới thiệu về thuật toán tối ưu hóa bầy đàn 29

Lịch sử phát triển của giải thuật tối ưu hóa bầy đàn 29

Khái quát hóa giải thuật tối ưu hóa bầy đàn 30

2.3.4 Một số khái niệm trong giải thuật tối ưu hóa bầy đàn 32

CH ƠN KHẢ S T T NH T N 34

1 Pin năng lượng mặt trời và phương trình toán của pin năng lượng mặt trời 34

1.1 Phương trình tương đương của pin năng lượng mặt trời 34

3.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến pin năng lượng mặt trời 35

1 Phương trình tương đương của bộ pin năng lượng mặt trời 36

3.2 Mạch nghịch lưu kết nối lưới điện phân phối 38

3.2.1 Phân loại bộ nghịch lưu 38

Phương pháp điều khiển khóa công suất trong bộ nghịch lưu nguồn áp 38

Phương pháp điều khiển khóa công suất trong bộ nghịch lưu nguồn dòng 42

Xây dựng giải thuật tối ưu hóa bầy đàn 45

1 Các bước trong việc xây dựng giải thuật PSO 45

Lưu đồ giải thuật PSO 46

3.3.3 Những vấn đề cần quan tâm khi xây dựng giải thuật PSO 47

Đặc điểm và ứng dụng của giải thuật PSO 51

CH ƠN 4 M H NH H A M PH N 53

4.1 Sơ đồ kết nối bộ pin năng lượng mặt trời vào lưới điện phân phối 53

4.1.1 Khối bộ pin năng lượng mặt trời 53

4.1.2 Khối nghịch lưu 54

4.1.3 Khối lưới điện phân phối 54

4.1.4 Khối điều khiển 55

4.1.4.1 Nguyên lí hoạt động của khối MPPT 57

4.1.4.2 Khối PI_V 62

4.1.4.3 Khối PLL 62

4.1.4.4 Khối DC/AC 63

4.1.4.5 Khối điều khiển Hyst r sis điều khiển bang-bang ) 63

4 Kết quả khi thực hiện giải thuật PS 64

4.2.1 Các bước xác định các thông số Kp, Ki bằng giải thuật PSO 64

4 Kết quả thu được khi thực thi giải thuật PS 65

4.3 Kết quả mô phỏng khi kết nối bộ pin năng lượng mặt trời vào lưới điện 67

4 .1 Khi cường độ bức xạ mặt trời lần lượt là -500-600 W/m2 67

4 Khi năng lượng bức xạ mặt trời lần lượt là -900-700 W/m2 70

4 Khi năng lượng bức xạ mặt trời lần lượt là 1 -700-900 W/m2 73

4 .4 Khi năng lượng bức xạ mặt trời lần lượt là -400-600 W/m2 76

4.4 Nhận x t và đánh giá 79

CH ƠN 5 KẾT L N H N PH T T I N 81

5.1 Các vấn đề được thực hiện trong luận văn 81

5 Đề nghị và các hướng phát triển của luận văn 82

T I LI THAM KHẢ 83

MỤC LỤC CÁC HÌNH

Hình 1 Phân bố năng lượng mặt trời tại các vùng trên lãnh thổ iệt Nam 11

Hình Các loại pin mặt trời thường gặp 13

Hình Cấu tạo cơ bản của một tế bào quan điện Silic 14

Hình 4 Nguyên lí hoạt động của một tế bào quam điện Silic 15

Hình 5 Hoạt động cơ bản của một bộ pin năng lượng mặt trời 16

Hình Pin mặt trời nhạy cảm chất màu DSC 17

Hình Cấu tạo của pin mặt trời nhạy cảm chất màu DSC 18

Hình Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời nhạy cảm chất màu DSC 19

Hình Hình ảnh mô phỏng cấu tạo lá nhân tạo 20

Hình 1 Công tác song song 24

Hình 11 Sơ đồ biểu thị vecto khi hòa 24

Hình 1 Sơ đồ v cto khi điện áp không thỏa mãn 25

Hình 1 Sơ đồ hệ thống ba pha vector quay 27

Hình 14 Sơ đồ kết nối nguồn dòng vào nguồn áp khi hòa đồng bộ 28

Hình 15 iểu diễn vector quay của dòng điện và điện áp 28

Hình 1 Khái niệm về sự thay đổi điểm tìm kiếm của PSO 32

Hình 3 1 Mạch điện tương đương của pin mặt trời 34

Hình 3 2 Mô hình pin mặt trời lý tưởng 35

Hình Mô đun pin mặt trời 36

Hình 4 Đặc tuyến I-V với các bức xạ khác nhau 37

Hình 5 Đặc tuyến P-V với các bức xạ khác nhau 37

Hình 3 6 Giản đồ xung kích bộ nghịch lưu một pha bằng phương pháp SPWM 40

Hình 3 7 Giản đồ dòng và áp ngõ ra nghịch lưu dùng phương pháp SPWM 41

Hình Sơ đồ kết nối đơn giản của bộ nghịch lưu ba pha 42

Hình ạng sóng dòng điện trong phương pháp bang bang trên một pha 43

Hình 1 iải thuật điều khiển bang bang trên một cặp chân của bộ nghịch lưu 43

Hình 3 11 giải thuật điều khiển bang bang cải tiến 44

Hình 1 Lưu đồ chung cho giải thuật PSO 47

Hình 3 13 Chuyển động của cá thể 49

Hình 4 1 Sơ đồ tổng quát mạch mô phỏng 53

Hình 4 Sơ đồ kết nối của khối năng lượng mặt trời 53

Hình 4 Sơ đồ kết nối của khối nghịch lưu 54

Hình 4 4 Sơ đồ kết nối của khối lưới điện phân phối 55

Hình 4 5 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của mạch điện mô phỏng 56

Hình 4 Sơ đồ kết nối của khối điều khiển trong mạch mô phỏng 57

Hình 4 Lưu đồ giải thuật P&O 58

Hình 4 Đặc tuyến V-P của pin mặt trời khi NL XMT không đổi 59

Hình 4 9 Nguyên tắc hoạt động của bộ MPPT 60

Hình 4 1 Sơ đồ kết nối của khối PI 62

Hình 4 11 Sơ đồ nguyên lí của khối PLL 62

Hình 4 1 Lưu đồ giải thuật PSO 65

Hình 4 13 Bảng tổng kết các kết quả thu được khi thực hiện PSO 66

Hình 4 14 Bảng thông số Kp, Ki theo công suất của pin mặt trời 66

Hình 4 15 Sơ đồ kết nối của bộ điều khiển dòng điện PI 67

Hình 4 16 Dạng sóng điện áp khi NL XMT đạt 300-500-600 W/m2 68

Hình 4 17 Dạng sóng dòng điện khi NL XMT đạt 300-500-600 W/m2 69

Hình 4 18 Công suất tại NLBXMT lần lượt là 300-500-600 W/m2 69

Hình 4 19 Kết quả mô phỏng khi NL XMT đạt 300-500-600 W/m2 70

Hình 4 20 Dạng sóng điện áp khi NL XMT đạt 600-900-700 W/m2 71

Hình 4 21 Dạng sóng dòng điện khi NL XMT đạt 600-900-700 W/m2 72

Hình 4 22 Công suất tại NLBXMT lần lượt là 600-900-700 W/m2 72

Hình 4 23 Kết quả mô phỏng khi NL XMT đạt 600-900-700 W/m2 73

Hình 4 24 Dạng sóng điện áp khi NL XMT đạt 1000-700-900 W/m2 74

Hình 4 25 Dạng sóng dòng điện khi NL XMT đạt 1000-700-900 W/m2 75

Hình 4 26 Công suất tại NLBXMT lần lượt là 1000-700-900 W/m2 75

Hình 4 27 Kết quả mô phỏng khi NL XMT đạt 1000-700-900 W/m2 76

Hình 4 28 Dạng sóng điện áp khi NL XMT đạt 800-400-600 W/m2 77

Hình 4 29 Dạng sóng dòng điện khi NL XMT đạt 800-400-600 W/m2 78

Hình 4 30 Công suất tại NLBXMT lần lượt là 800-400-600 W/m2 78

Hình 4 31 Kết quả mô phỏng khi NL XMT đạt 800-400-600 W/m2 79

Hình 4 32 Bảng kết quả mô phỏng tại một số NLBXMT tiêu biểu 80

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

THD: Tổng độ m o dạng sóng hài total harmonic distortion PSO: Giải thuật tối ưu hóa bầy đàn particl s arm optimi ation DC: Dòng điện một chiều (direct current)

AC: Dòng điện xoay chiều (Alternating current)

LED: Diod phát quang (light dependen resistor)

DSC: Pin mặt trời nhạy cảm chất màu y - sensitized solar cell) MPP: Điểm công suất cực đại (maximum power point)

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

1.1 Đặt vấn đề

Nguồn năng lượng mà chúng ta sử dụng ngày nay chủ yếu là năng lượng hóa thạch như than đá, dầu mỏ, các sản phẩm từ dầu 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 o đó, càng ngày người ta càng lo ngại về một cuộc khủng hoảng năng lượng có thể 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 Dầu, 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 à đương nhiên trong tương lai nhu cầu toàn cầu về dầu hỏa sẽ vượt xa khả năng cung cấp Từ năm 1 5, 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 4 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 kể 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 nguồn năng truyền thống đang cạn kiệt Các quốc gia đã và đang phát triển đều xem năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng lý tưởng phù hợp với xu hướng phát triển 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 tấm 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 iệt 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 còn nhiều hạn chế, một phần là do nhà nước chưa có chính sách hỗ trợ thích hợp và c ng do giá thành các thiết bị chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện còn khá cao o 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 Th o xu hướng thiết kế môi trường xanh, các tòa nhà đã được thiết kế th o hướng sử dụng ít hơn năng lượng từ lưới điện phân phối và dùng các tấm pin mặt trời để tạo ra nguồn điện xanh để cung cấp một phần nhu cầu cho công trình Điều này thúc đẩy việc nghiên cứu chế tạo các bộ chuyển đổi 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 PS 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 vi 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 về 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

- Nghiên cứu các mô hình hòa đồng bộ giữa hai nguồn năng lượng mặt trời và lưới điện Ảnh hưởng của các thông số khi hòa Đề nghị mô hình tính toán cụ 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 Điểm 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 đổi nguồn năng lượng mặt trời hòa vào lưới điện quốc gia

- Góp phần tiết kiệm năng lượng của các hộ tiêu thụ điện c ng 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 thế giới ngày 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,

- Làm tài liệu tham khảo và làm nền tảng để phát triển hướng cho các nghiên cứu sau này

- Ứng dụng rộng rãi việc sử dụng cùng lúc hai nguồn năng lượng mặt trời và lưới điện quốc gia cho các hộ tiêu thụ điện

- 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 lai

- Sử dụng làm tài liệu giảng dạy

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

1.7 Nội dung của luận văn

Chương 1 iới thiệu

Chương Tổng quan

Chương Khảo sát và tính toán

Chương 4 Mô hình hóa và mô phỏng

Chương 5 Kết luận và Hướng phát triển

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN

2.1 Tổng quan về pin năng lượng ặt t ời

2.1.1 Lịch phát t iển pin ặt t ời

Pin mặt mrời 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 1 khi nhà vật lý người Pháp Al xandr dmond cqu r l phát hiện ra hiệu ứng quang điện khi ông đưa điện cực ra môi trường ánh sáng Tuy nhiên mọi chuyện chỉ dừng tại đó mà không có tiến triển gì thêm

Mãi đến năm 1 , Willoughby Smith đã phát hiện ra chất quang dẫn S l n, 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 1 Adam đã quan sát về các hiện tượng quan điện trên chất S l n và sau đó xuất bản thành cuốn sách Th action o light on s l nnium Đến năm 1 thì tấm pin năng lượng mặt trời đầu tiên đã được tạo thành bởi Charl s ritts, ông phủ lên mạch bán dẫn một lớp selen cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối Thiết bị chỉ có hiệu suất 1 Tuy hiệu suất rất thấp so với các tấm 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 quan sát bằng mắt thường rất định tính và không chính xác 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 1 H rt 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 d ard W ston đã đưa ra các định luật quang điện một cách đầy đủ cho hiệu ứng quang điện ngoài Đây là bước tiến dài cho việc ứng dụng hiện tượng quang điện để chế tạo các tấm 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

Năm 1 4, Wilh lm Hall achs đã tạo ra đã tao ra một tiếp xúc bán dẫn cho pin năng lượng mặt trời bằng đồng và đồng oxit iệc chuyển từ kh hở giữa hai cực

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, các

l ctron sẽ cần ít năng lượng hơn để di chuyển giữa hai bản cực Đây c ng là bước tiến lớn về công nghệ khi kích thước của tấm pin sẽ thu nhỏ hơn trước đây, công suất sẽ tăng lên trên cùng một diện tích bề mặt tiếp xúc

Năm 1 5, khái niệm về hiệu ứng quang điện đã thay đổi gần như hoàn toàn khi Alb rt inst in 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 Alb rt inst in là người đầu tiên giải thích thành công hiệu ứng quang điện

c ng 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 1 - Audob rt và Stora đã phát hiện ra hiệu ứng quang điện trong chất Cadimium sulfua (CdS) Và chất dùng làm quang dẫn này vẫn còn được sử dụng cho đến hôm nay

Năm 1 54, kỹ thuật pin năng lượng mặt trời được chính thức khai sinh tại 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 tấm pin năng lượng mặt trời đầu tiên có thể chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng

để cung cấp cho các thiết bị điện hằng ngày Phòng thí nghiệm ll đã cho ra một tấm 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 1 5 , vệ tinh nhân tạo anguard I đã sử dụng năng lượng điện thu được từ các tấm pin năng lượng mặt trời để liện lạc vô tuyến với trạm điều khiển mặt đất Một năm sau, đến lượt các vệ tinh Explorer III, Vanguard II, và Sputnik- được

trang bị các hệ thống pin năng lượng mặt trời Mặc 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 v trụ Thành công này vẫn còn được duy trì cho đến ngày nay Năm 1 , với sự tài trợ từ tập đoàn xxon, tiến sĩ lliot rman đã tạo ra một cuộc cách mạng lớn trong việc giảm giá thành sản xuất ra tấm pin năng lượng mặt trời iá 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 dân 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, đó là các tấm pin năng lượng mặt trời

Ngày nay, với sự phát triển như v 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 trường 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 nền công nghiệp năng lượng mặt trời trên thế giới bởi giá thành chế tạo c ng như chi 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 t iển của pin ặt t ời hiện nay

2.1.2.1 T ên th 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 11, tăng ,5 so với năm 1

Đầu tư cho năng lượng sạch ở châu và châu Đại ương đã tăng 1 , lên 5 tỷ

S , đưa khu vực này trở thành điểm đến hấp dẫn thứ 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

iám 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 kể từ năm 4 Sự gia tăng mạnh mẽ này có ý nghĩa rất quan trọng vì nó thúc đẩy 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 S , 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 50% trong vòng một năm qua đã càng thúc đẩy đầu tư vào lĩnh vực này Giá các tua bin gió c ng giảm trong năm 11

C ng trong năm 11 thế giới đã sản xuất được gần W năng lượng mặt trời

Sự kết hợp của giá thành giảm và đầu tư phát triển tăng đã giúp tạo ra được một công suất năng lượng sạch lắp đặt kỷ lục ,5 W trong năm 11, nâng tổng công suất năng lượng sạch tồn cầu lên 565 GW

Tính đến hết năm 11, các lĩnh vực năng lượng sạch đã nhận được 1.000 tỷ

S đầu tư tư nhân, đánh dấu một sự tăng trưởng đáng kể trong năm qua

iá các môđun quang điện, hiện thấp hơn so với cách đây 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 P , đầu tư cho năng lượng sạch tại Australia đã tăng 11 trong năm 2011 lên 4,9 tỷ S , trong đó vào lĩnh vực năng lượng mặt trời Trong Nhóm , Australia đứng thứ 13 về 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 S đầu tư cho năng lượng sạch, đứng thứ trong Đầu tư vào năng lượng gió ở Trung Quốc đạt 29 tỷ USD, cao gấp 3 lần nước thành viên đứng ngay sau trong G20

Trong năm 1 và 11, 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 4 W Đầu tư vào lĩnh vực năng lượng Mặt Trời của nước này đã tăng lên 11, tỷ USD và thêm 2,3

GW công suất lắp đặt mới trong năm 11

Lĩnh vực năng lượng sạch của Ấn Độ tiếp tục phát triển mạnh trong năm 11, với đầu tư tăng 54 lên 1 , tỷ S , đưa quốc gia Nam Á này lên vị trí thứ 6 trong , N lhi đặt mục tiêu lắp đặt được W năng lượng Mặt Trời từ nay đến năm với tổng mức đầu tư 4, tỷ USD

Đầu tư vào năng lượng sạch tại Nhật Bản c ng tăng lên , 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 4 cho lĩnh vực năng lượng Mặt Trời

Qua các số về 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 t tại iệt Na

a Tiề năng phát t iển năng lượng ặt t ời tai iệt Na

Lãnh thổ Việt nam kéo dài từ vĩ độ 8 – vĩ độ Bắc, nằm trong khu vực nhiệt đới, có tiềm năng lớn về NL mặt trời Số giờ nắng trung bình năm hrs y ar 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 đổi trên mỗi đơn vị diện tích thuộc hàng cao trên thế giới Thông số khảo sát được đưa ra như trong hình bên dưới

ới sự trải dài từ ắc xuống Nam của lãnh thổ 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 1 bên dưới

Qua hình 1 ta rút ra được các nhận x t sau

- Khu vực ắc ộ có giờ nắng thấp nhất do ảnh hưởng của gió mùa Đông ắc 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

- Nhìn chung, tiềm 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 gần

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

b Hiện trạng ứng dụng năng lượng ặt t ời tại iệt Na 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, ngh 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 modul 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 phần trong nước Tuy hiện nay đã có một số doanh nghiệp tư nhân đầu tư vào lĩnh vực chế tạo các tấm pin năng lượng mặt trời, nhưng các nhà máy này vẫn còn nhiều vướng mắc về

chính sách và hướng phát triển nên c ng chưa tạo được thế đứng trên thị trường iệt Nam Nhiều doanh nghiệp đã thoái vốn, đóng cửa nhà máy

Công suất cài đặt tích luỹ trong cả nước đến nay được ước tính khoảng 1,5 –1,6MWp Các khách hàng chủ yếu là viễn thông, truyền thông hàng hải và hộ gia đình nông thôn và cộng đồng ề hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới hiện nay vẫn còn khá mới m 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 cản

- Cho đến nay, Việt Nam tương đối có tiềm năng về nhiên liệu hóa thạch như than, dầu, khí tự nhiên, và thủy điện Nhưng từ nay Việt Nam sẽ trở thành nước nhập khẩu năng lượng, trong đó nhập khẩu điện từ Trung Quốc, than từ Indonesia, ới 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 o 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 và 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 cản 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 dữ liệu năng lượng mặt trời để thiết lập các

dự án thương mại c ng như thiếu ngành công nghiệp điện mặt trời và mạng

lưới dịch vụ

2.1 Phân l ại pin ặt t ời

Cho tới nay thì vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời (và cho các thiết bị bán dẫn) là các silic tinh thể Pin mặt trời từ tinh thể silic chia ra thành 3 loại:

Hình 2 2: Các loại pin mặt trời thường gặp

* Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình Czochralski Đơn tinh thể loại này có hiệu suất tới 1 Chúng thường rất đắt tiền do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn 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 r 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 r nhất trong các loại

vì Hình 2 3 không cần phải cắt từ thỏi silicon

Từ các tế bào pin mặt trời của cả ba loại trên có dạng các tấm mỏng với độ dày khoảng m Để sử dụng hiệu quả các tấm pin quang điện, người ta gh p chúng lại để cho ra các modul pin năng lượng mặt trời Số lượng c ng như cách thức

gh p các tấm pin năng lượng mặt trời này phụ thuộc vào nhu cầu sử dụng

2.1.4 Cấu tạ v h ạt động của pin ặt t ời Silic

Vật liệu xuất phát để làm pin mặt trời silic phải là bán dẫn silic tinh khiết Ở dạng tinh khiết, còn gọi là bán dẫn ròng số hạt tải (hạt mang điện) là electron và số hạt tải

là lỗ trống hol như nhau

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

Hình 2 4: Cấu tạo cơ bản của một tế bào quan điện Silic

Thực tế thì xuất phát từ một phiến bán dẫn tinh khiết tức là chỉ có các nguyên tử

Si để tiếp xúc p - n, người ta phải pha thêm vào một ít nguyên tử khác loại, gọi là pha tạp Nguyên tử Si có 4 electron ở vành ngoài, cùng dùng để liên kết với bốn nguyên tử Si gần đó cấu trúc kiểu như kim cương Nếu pha tạp vào Si một ít nguyên tử phôt-pho P có 5 electron ở vành ngoài, electron thừa ra không dùng để liên kết nên dễ chuyển động hơn làm cho bán dẫn pha tạp trở thành có tính dẫn điện electron, tức là bán dẫn loại n (negatif - âm Ngược lại nếu pha tạp vào Si một ít

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 ậy trên cơ sở bán dẫn tinh 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 loạị 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 l ctron c ng 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

c ng tạo nên hiệu thế gọi là hiệu thế ở tiếp xúc p - n, đối với Si vào cỡ , đến , Đây là hiệu thế sinh ra ở chỗ tiếp xúc không tạo ra dòng điện được

Hình 2 5: 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 thể 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 l ctron, 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 đẩy electron về một bên (bên bán dẫn n đẩy lỗ trống về một bên (bên bán dẫn p Nhưng cơ bản là l ctron đã nhảy từ miền hoá trị dùng để liên kết) lên

miền dẫn ở mức cao hơn, có thể chuyển động tự do Càng có nhiều photon chiếu đến càng có nhiều cơ hội để electron nhảy lên miền dẫn

Nếu ở bên ngoài ta dùng một dây dẫn nối bán dẫn loại n với bán dẫn loại p (qua một phụ tải như đèn LED chẳng hạn) thì electron từ miền dẫn của bán dẫn loại n sẽ qua mạch ngoài chuyển đến bán dẫn loại p lấp vào các lỗ trống Đó là dòng điện pin mặt trời silic sinh ra khi được chiếu 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 đắt an đầu là làm từ silic 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 tinh thể, silic vô định hình tuy hiệu suất thấp hơn nhưng bù lại giá r hơn Nhưng x t cho cùng thì vật liệu silic sử dụng phải là tinh khiết nên giá thành r hơn không nhiều

- Đối với silic, để đưa l ctron 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 1,1 một chút là đủ để kích thích eletron nhảy lên miền dẫn, từ đó tham gia tạo thành dòng điện của pin mặt trời Photon ứng với năng lượng 1,1 có bước sóng

cỡ 1m tức là hồng ngoại Vậy photon có các bước sóng lục, lam, tử ngoại là có năng lượng quá thừa để kích thích điện tử của Si nhảy lên miền dẫn o đó pin mặt trời Si sử dụng lãng phí năng lượng mặt trời để biến ra điện

Hình 2 6: Hoạt động cơ bản của một bộ pin năng lượng mặt trời

2.1.5 Cấu tạ v h ạt động của các l ại pin ặt t ời iểu ới

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

DSC là một loại pin mặt trời mới, giá r , dễ làm Loại pin này do Michael Gratzel ở trường Bách khoa Lausane (Thuỵ Sĩ chế tạo lần đầu vào năm 1 1 nên còn có tên là pin Gratzel

Hình 2 7: Pin mặt trời nhạy cảm chất màu DSC

Cấu tạo nguyên thuỷ của pin DSC gồm ba phần chính (hình 2.7) Trên cùng là một lớp mỏng chất dẫn điện trong suốt, đóng vai trò anod làm bằng oxyt thiếc pha tạp fluo (SnO2: F) Lớp này phủ lên tấm thuỷ tinh 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 Ti được nhúng vào hỗn hợp chất màu nhạy quang ruthenium -polypyridin và 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 bằng tấm điện cực kim loại, thường là platin Toàn bộ được dán kín sao cho dung dịch không bị rò chảy ra

Hình 2 8: Cấu tạo của pin mặt trời nhạy cảm chất màu DSC

Pin DSC hoạt động như sau ánh sáng mặt trời qua tấm 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 dễ dàng chuyển động chạy về điện cực trong suốt ở phía trên Khi bị mất l ctron để nhận thêm cho phân tử không bị phân huỷ Phân tử chất màu nhạy quang lấy electron của iôt ở dung dịch điện phân, biến anion iôt một I- thành anion iôt ba I3- Các 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 dòng điện

Hình 2 9: Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời nhạy cảm chất màu DSC

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 rệt của loại pin này là:

- Vật liệu chế tạo r , dễ 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 dàng cải tiến nhiều khâu kỹ thuật, nhất là ứng dụng công nghệ nano để làm bột TiO2 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 1 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 dạng e nước (Lá nhân tạo)

Pin mặt trời dạng k o nước còn được gọi là Lá nhân tạo Đây là loại pin mặt trời

có thể uốn cong, có thành phần là k o 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 thấp

Hình 2 10: Hình ảnh mô phỏng cấu tạo lá nhân tạo 2.2 Tổng quan về k t nối ộ năng lượng ặt t ời với lưới điện phân phối

2.2.1 Tính cần thi t của việc k t nối ộ pin ặt t ời v 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 c ng như môi trường sinh thái Vì vậy cần nguồn năng lượng đảm bảo được các yếu tố trên nhưng lại là vô tận Phong điện, năng

lượng mặt trời được khai thác triệt để 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 c ng 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

iệc 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 chi phí lắp đặt thiết bị do ta không phải chi phí thêm khoản đầu tư cho các thiết bị lưu trữ năng lượng Đồng thời, trong tình hình an ninh năng lượng luôn là vấn đề quan tâm hàng đầu và việc mất điện luân phiên do nhu cầu 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 pin 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 l thành một nguồn năng lượng đáng kể trong hệ thống phân phối điện năng óp 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

c ng không k m 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

c ng 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 c ng được thay đổi để luôn đảm bảo tổng

độ m o dạng sóng hài của dòng điện luôn được duy trì ở mức thấp nhằm tăng 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 dòng 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 c ng như đặc tính bên trong của chính nó Ví dụ nguồn áp một chiều 5V, 12V hay nguồn áp 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 c ng 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 x m x t 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 tổ máy hoà lên lưới là việc song song với tổ máy phát đang làm việc trên lưới Điểm hoà chính xác là điểm thỏa mãn các điều kiện sau:

- iên độ Sđđ máy hòa bằng điện áp lưới Eh =Ul

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

- Các tổ máy phát phải có cùng thứ tự pha

- Góc lệch giữa hai v c tơ h, l 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 xẩy

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 tăng dòng đột biến, 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 phần hay toàn bộ khi hòa máy phát vào mạng sẽ có dòng cân bằng 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 Fl Máy sẽ hoà vào gọi là MF1

Tại bất cứ thời điểm nào trước khi hoà ta c ng có

) sin(

Giả sử ban đầu lấy 1  2  0 ta có :

t t

U u

e

2 sin(

) 2 cos(

cb

X X

u I

Hình 2 11: Công tắc song song

Hình 2 12: Sơ đồ biểu thị vector khi hòa

2.2.2.2 Phân tích các điều kiện hòa

a Điều 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:

X X

u I

; độ lớn tuỳ thuộc độ chênh lệch Biểu thị v c tơ chứng minh điều kiện hoà thứ nhất không thỏa mãn chứng tỏ dòng cân bằng còn tồn tại, dòng cân bằng này có giá trị từ 0 –Inm

Hình 2 13: Sơ đồ vector khi điện áp không thỏa mãn

Điều kiện tần số không thoả mãn

Giả sử điện áp các máy phát bằng nhau, tần số khác nhau: Ul= Eh= U, fl  fh Trong trường hợp đó các v cto điện áp của máy đang hoạt động và máy được hoà sẽ lệch nhau một góc , Vì tốc độ góc của 2 máy phát 1 ,2 không bằng nhau

nên góc  thay đổi từ 0-1800

, hiệu số hình học các điện áp nằm trong giới hạn từ 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 U ì điện trở tác dụng của cuộn dây

0-stator nhỏ so với điện trở kháng nên vecto dòng cân bằng I cb

lệch pha với vectơ điện áp U một góc 900

Dòng cân bằng có giá trị đủ lớn gây ra va đập cơ học trên trục các máy phát làm hư hỏng nặng