3. Mô hình độ tin cậy
3.3.5.Hàm mục tiêu và hàm ràng buộc
▪ Hàm mục tiêu của hệ thống là mô hình kinh tế (Chi phí vòng đời của hệ thống: CVDHT) bao gồm chi phí công suất hàng năm (Ccs), chi phí xây dựng (Cxd), chi phí thay thế hàng năm (CTT), chi phí hoạt động và bảo dưỡng hàng năm (CVHBD).
Vấn đề tối ưu là xét tới tối ưu tỷ lệ của hệ thống NLMT. Giải pháp tối ưu tốt nhất là thỏa hiệp giữa độ tin cậy cung cấp điện và chi phí tổng của hệ thống
Hàm mục tiêu của vấn đề quy hoạch công suất tối ưu là để CVDHT nhỏ nhất khi thỏa mãn yêu cầu của hệ thống PV và được biểu diễn bởi biểu thức dưới đây.
CVDHT = CCS+ CXD + CTT + CHĐBD (VNĐ) (3.12) ( ) 1 VDHT 0 H BD H BD 1 1 1 (1 ) (1 ) C . . C 1 . T (1 ) (1 ) 1 i i t T n n T BD oi T txd i t Đ Đ i i t C k d d C C C d d − = = = + + = + + + + + − (VNĐ) (3.13) ▪ Hàm ràng buộc
Từ phương trình (3.13), kỹ thuật đa thức hồi quy có thể sử dụng để có hàm ràng buộc (H) giữa PPV/PAQ (BTY) dưới LOLH khác nhau và được biểu diễn như sau. 2 0 1 2 ( , ) ( ... m m) H f PV BTY
PV BTY BTY BTY
=
Độ tin cậy khau nhau của hệ thống PV có thể đánh giá qua việc lựa chọn các khoảng công suất của dàn pin mặt trời (PPV) và dung lượng của ắc quy (PAQ) phù hợp.
3.4. Áp dụng các thuật toán di truyền (Genetic Algorithm: GA) trong tính toán tối ưu hệ thống NLMT.
3.4.1. Thuật toán di truyền
GA là một kỹ thuật tối ưu mạnh lấy cảm hứng từ nguyên lý của quá trình chọn lọc tự nhiên và tiến hóa sinh vật học. Phương pháp này được phát triển đầu tiên bởi John Holland vào năm 1975 ở trường Đại học Michigan (Mỹ) và mở rộng lên bởi học trò của ông ta (David Goldberg, 1989). Thuật toán di truyền đã áp dụng thành công trong nhiều lĩnh vực tối ưu phức tạp cũng như trong kỹ thuật NLTT [20].
GA sử dụng ba hoạt động di truyền học chủ yếu: lựa chọn, nhân chéo và đột biến, được miêu tả tới cấu trúc của thuật toán cho vấn đề tối ưu. Nó là một nghiên cứu ngẫu nhiên bởi vì có sử dụng lựa chọn ngẫu nhiên trong quá trình nghiên cứu. Nó làm việc với tỉ lệ quần thể không đổi trong giải pháp có thể của vấn đề, gọi là cá thể. Mã hóa nhị phân và xây dựng cá thể trong quần thể là một bước rất quan trọng trong thuật toán. Công suất của PV và BTY là hai thông số quyết định chính trong tối ưu hóa. Trước khi áp dụng GA cho vấn đề tối ưu, một số tham số như tỷ lệ quần thể, xác suất nhân chéo và đột biến đã được kiểm tra cẩn thận và cho như sau: Số lượng quần thể: 100, tỷ lệ nhân chéo: 0,7, tỷ lệ đột biến: 0,01 và số thế hệ: 50.
Các hoạt động bao gồm cả mã hóa, đánh giá, lựa chọn, nhân chéo và đột biến đã được xem xét trong quá đánh giá tối ưu hóa bởi GA [3, 7]. Các quá trình GA có thể được hiển thị dưới đây.
Bước 0: Đưa các giá trị yêu cầu đặc biệt của độ tin cậy LOLH trong các giải
pháp khác nhau của PPV và PAQ.
Bước 1: Lựa chọn ngẫu nhiên quần thể ban đầu của Npop chuỗi, khi mà Npop là tỷ lệ quần thể.
Bước 2:Tính giá trị hàm mục tiêu.
Bước 3: Áp dụng các toán tử nhân chéo được xác định trước cho mỗi cặp được
chọn trong bước 2 để tạo ra chuỗi với xác suất nhân chéo định trước Npop.
Bước 4: Áp dụng các toán tử đột biến được xác định trước cho mỗi chuỗi tạo
với xác suất đột biến được xác định trước.
Bước 6: Nếu điều kiện dừng được xác định trước là thỏa mãn, dừng thuật toán
3.4.2. Kết quả tính toán tỷ lệ tối ưu từ thuật toán di truyền
Qua phân tích và tính toán tối ưu tỷ lệ hệ thống ĐMT độc lập, chúng tôi thấy rằng thuật toán di truyền là thích hợp nhất.
Ở đây, phân tích và tính toán tỷ lệ giữa dàn pin mặt trời và ắc quy có xét đến độ tin cậy cung cấp điện và đặc tính kinh tế của hệ thống cho ba đài khí tượng của Thừa Thiên Huế: Nam Đông, thành phố Huế và A Lưới. Bản đồ địa lý 3 huuện của tỉnh Thừa Thiên Huế cho trên hình 3.21.
Dữ liệu đầu vào sử dụng trong mô phỏng hệ thống bao gồm: độ tin cậy của hệ thống với tám giá trị đặc biệt 0, 10, 20, 50, 100, 150, 200 và 400 giờ. Phụ tải trung bình hàng ngày cho kiểm tra là 1kW. Dữ liệu bức xạ mặt trời và nhiệt độ môi trường từ ba trạm thời tiết ở Thừa Thiên Huế trong năm 2014 đã được sử dụng. Mô đun PV PB 380, mô đun ắc quy Deka 8G31, tỷ lệ chiết khấu 7 %, tỷ lệ lạm phát 4. Sử dụng máy tính Intel(R) Core (TM) i5 CPU with 4 GHz /4 GB of RAM và mô phỏng bởi matlab.
Lựa chọn kích thước tối ưu hệ thống theo yêu cầu độ tin cậy đặc biệt có thể giúp tiết kiệm vốn đầu tư và tránh chi tiêu vượt mức. Vì vậy, quan hệ giữa độ tin cậy hệ thống và tỷ lệ tối ưu đã được nghiên cứu tỷ mỹ. Phân tích quan hệ công suất PV/BTY và giá trị LOLH có thể xác định giải pháp công suất tối ưu cho hệ thống.
Kích thước tối ưu của hệ thống ĐMT độc lập có thể ảnh hưởng bởi một số yếu tố như LOLH, khu vực, tỷ lệ chi phí các phần tử. Công suất xây dựng PPV/BTY sẽ giảm đáng kể khi LOLH biến đổi từ 0 đến 400 giờ. Điều này có thể thấy rằng chi phí tối ưu cho xây dựng hệ thống PV bị tác động bởi yêu cầu độ tin cậy của hệ thống thực. Chi phí xây dựng của hệ thống sẽ tăng để thỏa mãn yêu cầu độ tin cậy, LOLH tỷ lệ nghịch với chi phí hệ thống.
Yếu tố quan trọng chủ yếu là bức xạ mặt trời ở các khu vực, bởi vì với khu vực khác nhau thì đặc tính bức xạ mặt trời khác nhau. Nam Đông có bức xạ mặt trời thấp nhất trong số ba vị trí kiểm tra, bởi vậy công suất xây dựng của PPV/ PAQ là lớn nhất, nên chi phí xây dựng hệ thống PV lớn hơn hai khu vực Huế và A Lưới. Ngược lại, ở thành phố Huế có bức xạ mặt trời lớn hơn nên công suất xây dựng hệ thống PV nhỏ so với hai khu vực còn lại. So sánh kết quả mô phỏng ở ba vị trí cho thấy rằng, thành phố Huế có tiềm năng NLMT tốt nhất so với Nam Đông và A Lưới nên chi phí xây dựng hệ thống PV là nhỏ nhất.Kết quả tính toán tối ưu tỷ lệ hệ thống ĐMT độc lập cho trên bảng 3.7.
Bảng 3.7. Kích thước tối ưu của hệ thống ĐMT độc lập tại 3 khu vực
Khu vực thành phố Huế
LOLH (giờ) PPV (Wp) PAQ (Wh) Chi phí (USD)
0 422.6 1673.8 1488.7 10 492.0 1275.5 1379.2 20 444.1 1259.6 1301.9 50 382.1 1133.9 1146.4 100 370.6 1071.4 1097.0 150 371.5 945.0 1031.9 200 368.2 869.9 987.6 400 365.2 581.9 832.0
Khu vực Nam Đông
LOLH (giờ) PPV (Wp) PAQ (Wh) Chi phí (USD)
0 461.0 1656.7 1534.9 10 442.3 1559.6 1456.9 20 418.4 1519.8 1401.6 50 428.7 1315.9 1309.3 100 395.8 1156.5 1178.1 150 390.1 1024.4 1100.5 200 389.9 901.1 1035.2 400 345.1 664.5 846.3 Khu vực A Lưới
LOLH (giờ) PPV (Wp) PAQ (Wh) Chi phí (USD)
0 426.7 1979.4 1655.3 10 433.5 1686.4 1511.0 20 396.2 1661.2 1443.9 50 432.6 1366.2 1341.3 100 398.4 1196.6 1202.9 150 392.5 1059.9 1122.6 200 389.7 954.0 1062.8 400 361.3 712.1 894.8 Nhận xét:
Để định hướng trong quy hoạch, phát triển dự án điện khí hóa cho hệ thống ĐMT độc lập ở các vùng xa, sâu và vùng nông thôn ở nước ta. Rất cần có bộ tài liệu hướng dẫn, tham khảo cho chương trình phát triển các mục tiêu NLMT.
3.5. Thiết kế mô hình hệ thống điện mặt trời độc lập cho hộ gia đình
3.5.1. Hệ thống điện mặt trời độc lập
Hệ thống ĐMT là một hệ thống bao gồm các thành phần như: các tấm pin mặt trời (máy phát điện), các thiết bị lưu trữ NL, các thiết bị điều phối NL, các tải tiêu thụ,…
Thiết kế hệ thống ĐMT là xây dựng mối quan hệ tương thích giữa các thành phần của hệ về mặt định tín và định lượng để đảm bảo sự truyền tải NL hiệu quả cao từ pin mặt trời đến các tải tiêu thụ.
Không như các hệ năng lượng khác, “nhiên liệu” của máy phát điện là bức xạ mặt trời, nó luôn thay đổ phức tạp theo thời gian, địa điểm và phụ thuộc vào điều kiện khí hậu, thời tiết…nên với cùng một tải điện yêu cầu có thế có một số thiết kế khác nhau tùy theo các thông số riêng của hệ. Vì vậy không nên áp đặt các thiết kế mẫu dùng chung cho tất cả các hệ thống ĐMT.
Thiết kế một hệ thống ĐMT bao gồm nhiều công đoạn, từ việc vẽ sơ đồ khối đến các tín toán dung lượng dàn pin, các bộ ắc quy, các thiết bị điện tử điều phối như các bộ điều khiển, bộ đổi điện….đến việc tính toán lắp đặt các hệ giá đỡ pin mặt trời, hệ định hướng dàn pin mặt trời theo hướng mặt trời, nhà xưởng đặt thiết bị….
Trong hai thành phần được quan tâm là dàn pin mặt trời và bộ ắc quy là hai thành phần chính của hệ thống và chiếm tỉ trọng lớn nhất trong chi phí cho hệ thống ĐMT. Cùng một phụ tải tiêu thụ, có nhiều phương án lựa chọn hệ thống ĐMT, trong đó dàn pin mặt trời và bộ ắc quy có quan hệ tương hỗ sau:
- Tăng dung lượng ắc quy thì giảm dung lượng dàn pin mặt trời. - Tăng dung lượng dàn pin mặt trời thì giảm dung lượng ắc quy.
Tuy nhiên để lựa chọn dung lượng dàn pin mặt trời quá nhỏ thì ắc quy sẽ bị phóng kiệt hoặc luôn luôn bị “đói” dễ hư hỏng. Ngược lại nếu dung lượng pin mặt trời quá lớn sẽ gây lãng phí. Do vậy phải lựa chọn sao cho thích hợp để hệ thống hoạt động có hiệu quả cao nhất.
Trong thực tế có những hệ thống pin mặt trời nằm trong các tổ hợp hệ thống NL gồm hệ thống pin mặt trời, máy phát điện chạy nằng gió, diezen….Trong hệ thống đó điện năng từ hệ thống ĐMT hòa vào điện lưới chung của tổ hợp hệ thống.
Các thông số cần thiết để thiết kế hệ thống ĐMT như sau: - Các yêu cầu và đặc trưng của phụ tải.
• Yêu cầu và đặc trưng của phụ tải:
Đối với các phụ tải cần quan tâm đến các thông số sau:
- Gồm bao nhiêu thiết bị, các đặc trưng điện của mỗi thiết bị như công suất tiêu thụ, hiệu điện thế và tần số làm việc, hiệu suất của các thiết bị điện,…
- Thời gian làm việc của các thiết bị bao gồm thời gian biểu và quãng thời gian trong ngày, trong tuần, trong tháng,...
- Thứ tự ưu tiên của các thiết bị, thiết bị nào phải hoạt động liên tục và cần độ ổn định cao, thiết bị nào có thể ngừng tạm thời.
Các thông số trên trước hết cần thiết cho việc thiết kế sơ đồ khối. Ví dụ nếu phụ tải làm việc ban đêm thì hệ thống cần có thành phần tích trữ năng lượng, tải làm việc với hiệu điện thế xoay chiều với tần số cao thì cần dùng bộ đổi điện. Ngoài ra các thông số này còn là cơ sở để tính toán định lượng dung lượng của hệ thống.
• Vị trí lắp đặt hệ thống
Yêu cầu này xuất phát từ việc thu nhập các số liệu về bức xạ mặt trời và các số liệu về thời tiết khí hậu khác. Bức xạ mặt trời phụ thuộc vào từng địa điểm trên mặt đất và các điều kiện tự nhiên của từng địa điểm đó. Các số liệu về bức xạ mặt trời và khí hậu, thời tiết được các trạm khí tượng ghi lại và xử lý trong các khoảng thời gian rất dài, hàng chục, có khi là hàng trăm năm. Vì các thông số này biết đổi rất phức tạp, nên với mục đích thiết kế đúng hệ thống pin mặt trời cần phải lấy các số liệu ở các trạm khí tượng đã hoạt động trên mười năm. Khi thiết kế hệ thống pin mặt trời, rõ ràng để cho hệ thống cung cấp đủ NL cho tải trong suốt cả năm ta phải chọn giá trị cường độ bức xạ của tháng thấp nhất trong năm làm cơ sở. Tất nhiên khi đó ở các tháng mùa hè NL của hệ sẽ dư thừa và có thể gây lãng phí lớn nếu không dùng thêm các tải phụ. Ta không thể dùng các bộ tích trữ NL như ắc quy để tích trữ điện năng trong các mùa hè để dùng trong các tháng mùa đông vì không kinh tế. Để giải quyết vấn đề trên người ta dùng thêm nguồn dự phòng (máy phát diezen,…) cấp điện thêm cho những tháng có cường độ bức xạ mặt trời thấp hoặc sử dụng công nghệ lai ghép giữa các nguồn điện khác nhau. Trong trường hợp này có thể có thể chọn cường độ bức xạ trung bình trong năm để tính toán và do đó giảm được dung lượng dàn pin mặt trời.
Ngoài ra còn một thông số khác liên quan đến bức xạ mặt trời là số ngày không có nắng trung bình trong năm. Nếu không tính đến thông số này vào mùa mưa có thể có một số ngày không có nắng ắ quy sẽ bị kiệt và tải phải ngừng hoạt động. Muốn tải làm việc liên tục trong các ngày không có nắng cần phải tăng thêm dung lượng ắc quy dự trữ điện năng.
Vị trí lắp đặt hệ thống pin mặt trời còn để xác định góc nghiêng của dàn pin mặt trời sao cho khi đặt cố định hệ thống có thể nhận đượng tổng cường độ bức xạ lớn nhất.
Nếu gọi là góc nghiêng của dàn pin mặt trời so với mặt phẳng ngang (hình 3.22) thì thông thường ta chọn:
= +/- 100 (3.15)
Hình 3.22. Góc nghiêng của hệ thống điện mặt trời
Với là vĩ độ nơi lắp đặt. Còn về hướng thì nếu ở bán cầu Nam thì quay về hướng Bắc, nếu ở bán cầu Bắc thì quay về hướng Nam. Ngoài ra việc đặt nghiêng dàn pin còn có ý nghĩa khác là khả năng tự làm sạch. Khi có mưa do mặt dàn pin nghiêng nên nước mưa sẽ tẩy bụi bẩn bám trên mặt pin, làm tăng khả năng hấp thụ NLMT của dàn pin.
Ở các vị trí lắp đặt khác nhau, nhiệt độ môi trường cũng khác nhau nên nhiệt độ làm việc của pin mặt trời cũng khác nhau. Thông thường nhiệt độ làm việc của pin mặt trời cao hơn nhiệt độ làm việc của nôi trường ( 23 300C) và tùy thuộc vào tốc độ gió. Vì khi nhiệt độ tăng hiệu suất của pin mặt trời M giảm và có thể biểu diễn bằng quan hệ sau:
M(T) = M(Tc).{1+Pc.(T-Tc)} (3.16) Trong đó:
M(T) là hiệu suất của mô đun ở nhiệt độ T;
M(Tc) là hiệu suất của mô đun ở nhiệt độ chuẩn Tc = 250C;
Pc là hệ số nhiệt của mô đun. Trong tính toán thực tế thường lấy hệ số gần đúng Pc = -0.005/0C;
3.5.2. Sơ đồ khối hệ thống
Hình 3.23. Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời
Các khối đưa vào trong hệ thống đều gây tổn hao NL, vì vậy cần lựa chọn sơ đồ khối sao cho số khối hay thành phần trong hệ là ít nhất. Ví dụ nếu phụ tải là các thiết bị sử dụng nguồn 12VDC (đèn 12VDC, Radio, Ti vi đen trắng,…) thì không nên dùng bộ đổi điện.
3.5.3. Tính toán thiết kế và phân tích kinh tế hệ thống ĐMT độc lập
3.5.3. 1. Tính tổng lượng điện năng tiêu thụ của tất cả các thiết bị trong ngày
Tính tổng lượng tiêu thụ điện (Etngày) của tất cả các thiết bị mà hệ thống ĐMT cung cấp. Tính tổng số Wh sử dụng mỗi ngày của từng thiết bị. Cộng tất cả lại chúng ta có tổng số Wh toàn tải sử dụng mỗi ngày.
Etngày = p1 .t1 + p2.t2 + p3. t3...+ pn.tn (Wh) (3.17) Trong đó : Etngày : Tổng Wh toàn tải;
Pn : Công suất từng phụ tải;
tn : Thời gian sử dụng tải trong ngày.