GIỚI THIỆU CHUNG
Giới thiệu
Ngành năng lượng điện tại Việt Nam và toàn cầu đang đối mặt với nhiều thách thức, bao gồm nhu cầu năng lượng tăng nhanh, sự khan hiếm nguồn nhiên liệu hóa thạch và áp lực giảm phát thải khí CO2 để bảo vệ môi trường Những vấn đề này đã thúc đẩy nỗ lực tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế, bên cạnh việc áp dụng các biện pháp tiết kiệm và sử dụng năng lượng hiệu quả.
Việt Nam, với vị trí địa lý gần xích đạo và trung bình 2.000 giờ nắng mỗi năm, có tiềm năng năng lượng mặt trời cao, đạt từ 4,08 đến 5,15 kWh/m²/ngày ở các đô thị lớn Điều này cho thấy điều kiện tự nhiên thuận lợi cho phát triển năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời, vốn có độ tin cậy cao và năng suất tốt vào giờ cao điểm tiêu thụ điện Mặc dù năng lượng mặt trời ngày càng trở nên quan trọng, nhưng công nghệ hiện tại vẫn còn chi phí cao và cần các biện pháp trợ giá để thúc đẩy phát triển Các nhà khoa học đang nỗ lực nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn năng lượng này Đồng thời, việc kết nối lưới điện năng lượng mặt trời cũng là giải pháp khả thi cho vấn đề lưu trữ năng lượng, nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường liên quan đến việc sử dụng ắc-quy.
Giải pháp "Nghiên cứu điều khiển tối ưu công suất cho hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới" nhằm mục tiêu cung cấp công suất điện tối đa trong mọi điều kiện môi trường, đặc biệt là cho hệ thống điện năng lượng mặt trời được kết nối với lưới điện.
Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
Đề tài "Nghiên cứu điều khiển tối ưu công suất cho hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới" nhằm mục tiêu phát triển các phương pháp tối ưu hóa công suất, cải thiện hiệu suất hoạt động của hệ thống điện mặt trời khi kết nối với lưới điện Nội dung nghiên cứu sẽ tập trung vào việc phân tích, thiết kế và triển khai các giải pháp điều khiển hiệu quả, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và tiết kiệm năng lượng.
- Khảo sát tình hình khai thác và sử dụng năng lượng điện mặt trời trên thế giới và tại Việt Nam
- Nghiên cứu pin quang điện và các đặc tính V-I và V-P của nó
- Nghiên cứu thuật toán điều khiển tối ưu công suất một hệ thống điện năng lượng mặt trời thông qua PV
- Nghiên cứu nối lưới hệ thống điện năng lượng mặt trời.
Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay, Việt Nam phụ thuộc chủ yếu vào nguồn điện từ nhiên liệu hóa thạch và khí (53,61%) cùng với nguồn thủy điện (46,08%) để phát triển kinh tế xã hội Tuy nhiên, nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt và có giá thành cao, trong khi nguồn thủy điện lại chịu ảnh hưởng lớn từ biến đổi khí hậu Do đó, năng lượng tái tạo đang trở thành một giải pháp thiết yếu cho hiện tại và tương lai.
Nhận thức rõ về tầm quan trọng và lợi ích của năng lượng tái tạo trong bối cảnh nhu cầu tiêu thụ điện ngày càng tăng, Chính phủ Việt Nam đã tiến hành nghiên cứu và khuyến khích phát triển năng lượng mới và năng lượng tái tạo Dự báo, mức tăng trưởng điện thương phẩm tại Việt Nam sẽ đạt bình quân từ 10,5 - 11%.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống pin quang điện mặt trời, bao gồm nhiều mô-đun, mỗi mô-đun chứa nhiều tế bào pin mặt trời được kết nối theo cấu hình cụ thể.
Đề tài nghiên cứu nhằm xác định điểm công suất cực đại của hệ thống điện năng lượng mặt trời trong các điều kiện bức xạ và nhiệt độ khác nhau, từ đó tối ưu hóa lượng năng lượng thu được Hệ thống này cũng sẽ được khảo sát để kết nối với lưới điện.
Ý nghĩa của đề tài
Hiện nay, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện về kỹ thuật điều khiển bám điểm công suất cực đại (MPPT) cho hệ thống pin quang điện mặt trời Các thuật toán tìm kiếm điểm công suất cực đại như P&O (Perturbation and Observation), InC (Incremental Conductance), thuật toán dựa trên kỹ thuật logic mờ, và mạng nơ-rôn đã được đề xuất Đề tài này khai thác ưu điểm của các thuật toán hiện có và giới thiệu một thuật toán bám điểm công suất cực đại với cách tiếp cận cải tiến, nhằm nâng cao hiệu quả so với các thuật toán đang được sử dụng.
Giải quyết bài toán năng lượng và môi trường hiện nay là nhiệm vụ cấp bách, trong đó năng lượng mặt trời và năng lượng tái tạo đóng vai trò quan trọng Việc nâng cao hiệu quả khai thác và sử dụng năng lượng mặt trời là cần thiết để thúc đẩy công nghệ xanh Nghiên cứu này nhằm tối ưu hóa việc khai thác năng lượng mặt trời, đồng thời kết nối hệ thống điện năng lượng mặt trời với lưới điện, giảm bớt gánh nặng cho các nguồn điện truyền thống Giải pháp này phù hợp với Quyết định số 2068/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ về chiến lược phát triển năng lượng tái tạo của Việt Nam đến năm 2030, với tầm nhìn đến năm 2050, nhằm phát triển nguồn năng lượng mặt trời cung cấp điện cho hệ thống quốc gia và các khu vực khó khăn.
Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu tài liệu về điều khiển tối ưu và kết nối lưới trong hệ thống điện năng lượng mặt trời tại Việt Nam và quốc tế giúp cải thiện hiệu suất và tính ổn định của hệ thống Việc áp dụng các phương pháp điều khiển tiên tiến sẽ tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng tái tạo, đồng thời đảm bảo sự hòa nhập hiệu quả vào lưới điện quốc gia So sánh với các nước khác, Việt Nam có thể học hỏi kinh nghiệm và công nghệ để phát triển bền vững ngành năng lượng mặt trời.
Phân tích, tổng hợp và đề xuất các thuật toán điều khiển tối ưu và kết nối lưới của một hệ thống điện năng lượng mặt trời.
Bố cục của luận văn
Bố cục của luận văn gồm 6 chương:
- Chương 2: Tổng quan tình hình nghiên cứu và khai thác nguồn năng lượng điện mặt trời và pin quang điện
- Chương 3: Pin quang điện và hệ thống pin quang điện kết nối lưới
- Chương 4: Thuật toán bám điểm công suất cực đại
- Chương 5: Mô phỏng điều khiển tối ưu công suất và kết nối lưới của một hệ thống điện năng lượng mặt trời
- Chương 6: Kết luận và hướng phát triển tương lai
TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ KHAI THÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI VÀ PIN QUANG ĐIỆN
Cấu trúc mặt trời
Mặt trời là một khối khí hình cầu với đường kính khoảng 1,39 triệu km, lớn hơn 110 lần so với đường kính của Trái đất Nó nằm cách Trái đất khoảng 150 triệu km, tương đương với một đơn vị thiên văn.
Ánh sáng Mặt trời mất khoảng 8 phút để đến Trái đất Mặt trời có khối lượng khoảng 2 x 10^30 kg và nhiệt độ trung tâm dao động từ 10^6 K đến 20 x 10^6 K, với nhiệt độ trung bình khoảng 15.600.000 K.
Ở nhiệt độ cực cao, vật chất không giữ được cấu trúc thông thường của các nguyên tử và phân tử, mà chuyển thành plasma, trong đó các hạt nhân nguyên tử di chuyển tách biệt với electron Khi các hạt nhân này va chạm, sẽ xảy ra các vụ nổ nhiệt hạch Qua việc quan sát tính chất của vật chất nguội hơn trên bề mặt Mặt Trời, các nhà khoa học đã kết luận rằng có phản ứng nhiệt hạch diễn ra bên trong lòng Mặt Trời.
Hình 2.1 Cấu trúc của mặt trời
Mặt trời được cấu trúc thành 4 vùng chính, tạo thành một khối cầu khí khổng lồ Vùng trung tâm, gọi là nhân hay "lõi", là nơi diễn ra các chuyển động đối lưu và phản ứng nhiệt hạt nhân, cung cấp nguồn năng lượng cho Mặt trời Vùng này có bán kính khoảng 175.000 km, khối lượng riêng 160 kg/dm³, nhiệt độ ước tính từ 14 đến 20 triệu độ C và áp suất lên tới hàng trăm tỷ atm.
Vùng trung gian, hay còn gọi là vùng “đổi ngược”, là nơi năng lượng được truyền từ bên trong ra bên ngoài Vật chất trong vùng này bao gồm các nguyên tố như sắt (Fe), canxi (Ca), natri (Na), stronti (Sr), crôm (Cr), niken (Ni), cacbon (C), silic (Si) cùng với các khí như hiđrô (H2) và hêli (He) Chiều dày của vùng này khoảng 400.000 km.
Đối lưu có độ dày 125.000 km, trong khi vùng quang cầu có nhiệt độ khoảng 6.000 K và dày 1.000 km Khu vực này chứa các bọt khí sôi sục, cùng với các vết đen là những hố xoáy có nhiệt độ thấp khoảng 4.500 K, bên cạnh đó là các tai lửa có nhiệt độ từ 7.000 K đến 10.000 K.
Khí quyển của Mặt trời, vùng ngoài cùng của nó, có nhiệt độ bề mặt lên tới 5.762 K, đủ cao để các nguyên tử tồn tại trong trạng thái kích thích Phân tích các phổ bức xạ và hấp thụ cho thấy Mặt trời chứa ít nhất 2/3 số nguyên tố có mặt trên Trái đất, trong đó Hydrogen là nguyên tố phổ biến nhất, chiếm khoảng 73,46% Hêlium chiếm gần 24,85%, và các nguyên tố khác như Oxygen (0,77%), Carbon (0,29%), Iron (0,16%), Neon (0,12%), Nitrogen (0,09%), Silicon (0,07%), Magnesium (0,05%) và Sulphur (0,04%) chỉ chiếm một tỷ lệ nhỏ.
Nguồn năng lượng chính của Mặt Trời được tạo ra từ phản ứng nhiệt hạch tổng hợp hạt nhân Hydro, trong đó bốn hạt nhân Hydro kết hợp để tạo thành một hạt nhân Heli, hai Neutrino và một lượng bức xạ Hạt nhân Hydro có một proton mang điện dương, và mặc dù các hạt mang điện cùng dấu thường đẩy nhau, nhưng ở nhiệt độ cao, chuyển động của chúng đủ nhanh để tiến gần và kết hợp nhờ lực hút.
Neutrino là hạt không mang điện, có độ bền cao và khả năng xuyên thấu mạnh mẽ Sau khi hình thành từ các phản ứng hạt nhân trong mặt trời, neutrino ngay lập tức thoát ra khỏi bề mặt và không tham gia vào các quá trình tiếp theo.
Trong quá trình phản ứng nhiệt hạch, Mặt Trời mất khoảng 4 triệu tấn khối lượng mỗi giây, nhưng trạng thái của nó sẽ không thay đổi trong hàng tỷ năm tới Mỗi ngày, Mặt Trời sản xuất năng lượng lên đến 9 x 10^24 kWh, tương đương với tổng điện năng sản xuất trên Trái Đất trong một năm chỉ trong chưa đầy một phần triệu giây.
Quỹ đạo của trái đất quanh mặt trời
Trái đất quay quanh mặt trời theo quỹ đạo hình elip, hoàn thành một vòng trong khoảng 365,25 ngày Điểm gần nhất giữa trái đất và mặt trời được gọi là điểm cận nhật, xảy ra vào ngày 2 tháng 1, khi khoảng cách là khoảng 147 triệu km Ngược lại, điểm xa nhất xảy ra vào ngày 3 tháng 7, với khoảng cách khoảng 152 triệu km.
Trong đó: n: Ngày đầu tiên trong tháng, ví dụ như ngày 1 tháng 1 thì n=1, ngày 31 tháng
Bảng 2.1 Bảng ngày số n của ngày đầu tiên của mỗi tháng
Tháng Một Hai Ba Bốn Năm Sáu Bảy Tám Chín Mười Mười một
Góc cao độ của mặt trời vào buổi trưa
Mặt trời mọc ở hướng đông và lặn ở hướng tây, đạt độ cao tối đa vào giữa ngày Trong khi Trái Đất quay quanh Mặt Trời, việc xác định góc của Mặt Trời so với mặt phẳng Trái Đất là điều không dễ dàng.
Hình 2.2 Quỹ đạo trái đất quay quanh mặt trời
Trái đất quay quanh trục Bắc-Nam, trong khi mặt trời di chuyển lên xuống theo tiến độ mùa Vào ngày 21 tháng 6, mặt trời đạt điểm cao nhất, tạo thành một góc 23,45 độ với mặt phẳng xích đạo từ trung tâm trái đất đến trung tâm mặt trời Góc này, được gọi là góc thiên độ (δ), thay đổi trong khoảng từ -23,45 độ đến 23,45 độ Một cách tính gần đúng cho góc δ là dựa trên năm có 365 ngày, với xuân phân vào ngày n = 81.
Hình 2.3 Quỹ đạo trái đất
Từ công thức (2.3) ta có thể tính được góc δ
Bảng 2.2 Bảng thống kê góc δ của ngày 21 mỗi tháng
Tháng Một Hai Ba Bốn Năm Sáu Bảy Tám Chín Mười Mười một
Hình 2.3 không thể hiện quỹ đạo của trái đất quanh mặt trời, nhưng rất hữu ích trong việc hiển thị các vĩ độ khác nhau và góc tính toán thu nhận năng lượng mặt trời Cụ thể, nó cho thấy góc cao độ β N của mặt trời vào buổi trưa, là góc giữa tia sáng mặt trời và đường chân trời.
Hình 2.4 Góc cao độ mặt trời
Góc cao độ của mặt trời vào buổi trưa là một thông số quan trọng để tham chiếu với việc tính toán về năng lượng mặt trời
Bức xạ mặt trời
Bức xạ mặt trời chủ yếu liên quan đến các phản ứng hạt nhân trong nhân mặt trời, nhưng chỉ chiếm khoảng 3% tổng bức xạ Khi bức xạ γ đi qua lớp vật chất dày 5.10^5 km của mặt trời, nó bị biến đổi mạnh mẽ, chuyển từ sóng ngắn nhất thành bức xạ Rơngen với bước sóng dài hơn Gần bề mặt mặt trời, nơi có nhiệt độ đủ thấp để tồn tại vật chất trong trạng thái nguyên tử, các cơ chế khác bắt đầu hoạt động Đặc trưng của bức xạ mặt trời khi truyền ra không gian là một phổ rộng, với cường độ bức xạ tối đa nằm trong dải 10^-1 - 10^6 nm, và gần một nửa tổng năng lượng mặt trời tập trung trong khoảng bước sóng 0,38 - 0,78 μm, tức là vùng nhìn thấy của phổ.
Hình 2.5 Dải bức xạ điện từ
Bức xạ trực xạ là chùm tia truyền thẳng từ Mặt trời, trong khi tổng xạ bao gồm cả tia trực xạ và tia tán xạ Mật độ dòng bức xạ trực xạ ngoài lớp khí quyển được tính cho 1m² bề mặt vuông góc với tia bức xạ.
D_ : Hệ số góc bức xạ giữa trái đất và mặt trời
C 0 =5,67 W/m 2 K 4 : Hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối
TW62 0 K: Nhiệt độ bề mặt mặt (xem giống như vật đen tuyệt đối) Độ dài bước sóng (m)
Tia tử ngoại Radar, TV, Radio
Tia cosmic Tia X Ánh sáng nhìn thấy
Tia hồng ngoại Gần Xa
Sóng dài Năng lượng mặt trời
Hình 2.6 Góc nhìn mặt trời
Khoảng cách giữa Trái đất và Mặt trời thay đổi theo mùa, dẫn đến sự biến đổi của β và q Tuy nhiên, mức độ thay đổi này không lớn, vì vậy q có thể được coi là không đổi và được gọi là hằng số mặt trời.
Khi bức xạ đi qua khí quyển Trái đất, nó bị hấp thụ và tán xạ bởi tầng ôzôn, hơi nước và bụi, chỉ một phần năng lượng đến được bề mặt Trái đất Ôxy phân tử O2 bị phân ly thành ôxy nguyên tử O, cần photon có bước sóng ngắn hơn 0,18μm để phá vỡ liên kết phân tử Hầu hết các nguyên tử ôxy tương tác với nhau để tạo thành ôzôn O3, loại phân tử này cũng hấp thụ bức xạ tử ngoại nhưng ít hơn O2 Dưới tác động của photon có bước sóng ngắn hơn 0,32μm, O3 phân tách thành O2 và O Quá trình này giúp duy trì sự cân bằng giữa O2 và O3, đồng thời biến đổi bức xạ tử ngoại thành bức xạ có năng lượng thấp hơn khi đi qua khí quyển.
Trái đất Đường kính, D = 1.390.000 km Đường kính, D ' = 12.700 km
Các bức xạ có bước sóng trong vùng nhìn thấy và hồng ngoại tương tác với các phân tử khí và hạt bụi trong không khí mà không làm phá vỡ liên kết của chúng, dẫn đến hiện tượng tán xạ photon theo nhiều hướng khác nhau Bức xạ tán xạ chủ yếu là bức xạ có bước sóng ngắn, mang lại màu xanh lam cho bầu trời trong sáng, dễ quan sát ở độ cao không lớn Ngoài ra, các giọt nước cũng tán xạ mạnh bức xạ mặt trời Khi đi qua khí quyển, bức xạ mặt trời gặp trở ngại do sự hấp thụ của hơi nước, khí cacbonic và các hợp chất khác, với mức độ hấp thụ phụ thuộc vào bước sóng, mạnh nhất ở giữa vùng hồng ngoại Trong những ngày quang đãng, năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới bề mặt trái đất đạt khoảng 1.000W/m² vào thời điểm cao nhất.
Hình 2.7 Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển của trái đất
Cường độ bức xạ mặt trời tại một điểm trên Trái đất phụ thuộc vào quãng đường mà bức xạ đi qua, với sự mất mát năng lượng liên quan đến tán xạ và hấp thụ bức xạ, ảnh hưởng bởi thời gian trong ngày, mùa và vị trí địa lý Các mùa được hình thành do sự nghiêng của trục trái đất khoảng 66,5 độ đối với mặt phẳng quỹ đạo quanh Mặt trời, một góc nghiêng gần như không thay đổi trong không gian Sự định hướng của trục quay này tạo ra những biến động quan trọng về độ dài ngày và đêm trong suốt năm.
Ứng dụng năng lượng mặt trời
Năng lượng mặt trời (NLMT) đã được con người sử dụng từ rất sớm, nhưng chỉ thực sự được ứng dụng rộng rãi vào cuối thế kỷ 18, chủ yếu ở những khu vực có nhiều ánh sáng mặt trời như sa mạc Sau các cuộc khủng hoảng năng lượng toàn cầu năm 1968 và 1973, NLMT đã thu hút sự chú ý đặc biệt Các quốc gia công nghiệp phát triển đã dẫn đầu trong việc nghiên cứu và ứng dụng NLMT, với nhiều ứng dụng phổ biến hiện nay.
Năng lượng mặt trời được chuyển đổi trực tiếp thành điện năng thông qua các tế bào quang điện bán dẫn, hay còn gọi là pin mặt trời Những pin này sản xuất điện năng liên tục miễn là có bức xạ mặt trời chiếu đến.
Lĩnh vực thứ hai là ứng dụng năng lượng mặt trời dưới dạng nhiệt năng, trong đó chúng ta sử dụng thiết bị thu thập bức xạ nhiệt mặt trời và lưu trữ dưới dạng nhiệt năng để phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau.
Việt Nam có tiềm năng lớn về năng lượng mặt trời (NLMT), với vị trí địa lý từ 8° Bắc đến 23° Bắc, nơi có cường độ bức xạ mặt trời cao, đạt từ 100-175 kcal/cm²/năm Việc khai thác NLMT tại Việt Nam hứa hẹn mang lại hiệu quả kinh tế lớn Hiện nay, các thiết bị sử dụng NLMT chủ yếu bao gồm hệ thống điện từ pin mặt trời, hệ thống nấu cơm bằng gương phản xạ, cung cấp nước nóng, chưng cất nước, sử dụng NLMT cho động cơ nhiệt như động cơ Stirling, và ứng dụng NLMT trong làm lạnh Đây là những lĩnh vực nghiên cứu hấp dẫn và đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước.
Pin mặt trời là công nghệ chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng thông qua thiết bị quang điện Với thiết kế gọn nhẹ, pin mặt trời có thể lắp đặt ở bất kỳ vị trí nào có ánh sáng mặt trời, đặc biệt hữu ích trong lĩnh vực tàu vũ trụ Ứng dụng năng lượng mặt trời theo hình thức này đang phát triển nhanh chóng, đặc biệt tại các quốc gia phát triển.
Ngày nay, pin năng lượng mặt trời (NLMT) đang được áp dụng để thay thế dần nguồn năng lượng truyền thống, nhưng giá thành thiết bị vẫn còn cao, khoảng 5 USD/WP Ở các nước đang phát triển, pin mặt trời chủ yếu chỉ cung cấp điện cho những vùng sâu, xa chưa có điện lưới quốc gia Tại Việt Nam, nhờ sự hỗ trợ từ các tổ chức quốc tế, nhiều trạm pin mặt trời với công suất khác nhau đã được xây dựng, phục vụ nhu cầu sinh hoạt và văn hóa cho các địa phương, đặc biệt là ở đồng bằng sông Cửu Long và Tây Nguyên Tuy nhiên, pin mặt trời vẫn được xem là hàng xa xỉ đối với nhiều nước nghèo như Việt Nam.
2.5.2 Nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời
Điện năng có thể được tạo ra từ năng lượng mặt trời (NLMT) thông qua việc sử dụng hệ thống gương phản chiếu và hội tụ để gia nhiệt cho môi chất làm việc, từ đó truyền động cho máy phát điện Trong các nhà máy nhiệt điện sử dụng NLMT, có ba loại hệ thống bộ thu chính: đầu tiên là hệ thống parabol trụ, tập trung tia bức xạ mặt trời vào ống môi chất với nhiệt độ đạt tới 400 °C; thứ hai là hệ thống nhận nhiệt trung tâm với gương phản xạ định vị theo phương mặt trời, tập trung NLMT vào bộ thu trên đỉnh tháp cao, nhiệt độ có thể vượt qua 1.500 °C; cuối cùng là hệ thống gương parabol tròn xoay, cũng định vị theo phương mặt trời, tập trung NLMT vào bộ thu ở tiêu điểm của gương với nhiệt độ tương tự trên 1.500 °C.
Hình 2.10 Tháp năng lượng mặt trời
2.5.3 Động cơ Stirling chạy bằng NLMT a) b)
Động cơ Stirling sử dụng năng lượng mặt trời (NLMT) đang ngày càng được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi, đặc biệt trong việc bơm nước sinh hoạt và tưới cây tại các nông trại Tại Việt Nam, các nghiên cứu và chế tạo động cơ Stirling chạy bằng NLMT đã được thực hiện nhằm triển khai ứng dụng thực tiễn, ví dụ như bơm nước sử dụng năng lượng mặt trời.
2.5.4 Thiết bị đun nước nóng bằng NLMT Ứng dụng đơn giản, phổ biến và hiệu quả nhất hiện nay của NLMT là dùng để đun nước nóng Các hệ thống nước nóng dùng NLMT đã được dùng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới Ở Việt Nam hệ thống cung cấp nước nóng bằng NLMT đã và đang được ứng dụng rộng rãi ở Hà Nội, TP HCM và Đà Nẵng Các hệ thống này đã tiết kiệm cho người sử dụng một lượng đáng kể về năng lượng, góp phần rất lớn trong việc thực hiện chương trình tiết kiệm năng lượng của nước ta và bảo vệ môi trường chung của nhân loại
Hệ thống cung cấp nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời (NLMT) tại Việt Nam và trên toàn thế giới chủ yếu sử dụng bộ thu cố định kiểu tấm phẳng hoặc dãy ống có cánh nhận nhiệt Khi nhiệt độ nước sử dụng đạt 60°C, hiệu suất của bộ thu khoảng 45%, tuy nhiên, hiệu suất này sẽ giảm khi sử dụng ở nhiệt độ cao hơn.
Hình 2.12 Hệ thống cung cấp nước nóng dùng NLMT
2.5.5 Thiết bị làm lạnh và điều hoà không khí dùng NLMT
Làm lạnh và điều hòa không khí là một trong những ứng dụng hấp dẫn nhất của năng lượng mặt trời, đặc biệt ở những khu vực khí hậu nóng và vùng sâu vùng xa của các nước đang phát triển, nơi nhu cầu làm lạnh cao nhưng giá nhiên liệu lại đắt đỏ Máy lạnh hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng qua pin mặt trời, tuy nhiên, giá thành pin mặt trời hiện nay vẫn còn cao Bên cạnh đó, các hệ thống lạnh sử dụng năng lượng mặt trời dưới dạng nhiệt năng để vận hành máy lạnh hấp thụ ngày càng được ứng dụng nhiều hơn, mặc dù chúng chưa được thương mại hóa rộng rãi do chi phí cao và hiệu suất của bộ thu còn thấp (dưới 45%), yêu cầu diện tích lắp đặt lớn Tại Việt Nam, một số nhà khoa học đã nghiên cứu tối ưu hóa bộ thu năng lượng mặt trời kiểu hộp phẳng mỏng có gương phản xạ, giúp tạo nhiệt độ cao cho máy lạnh hấp thụ, nhưng vẫn cần diện tích lắp đặt rộng.
Hình 2.13 Hệ thống máy lạnh dùng NLMT
Tình hình khai thác năng lượng mặt trời tại Việt Nam
Lãnh thổ Việt Nam trải dài từ vĩ độ 8 đến 23 độ Bắc, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời cao, với tổng bức xạ đạt từ 100 đến 175 kcal/cm² mỗi năm.
Việc sử dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam mang lại hiệu quả kinh tế lớn và được xem là giải pháp tối ưu, nhờ vào nguồn năng lượng sạch, không ô nhiễm và trữ lượng dồi dào Phát triển ngành công nghiệp sản xuất năng lượng mặt trời sẽ giúp thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch, giảm phát thải khí nhà kính và bảo vệ môi trường Mặc dù năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng quý giá, Việt Nam mới chỉ khai thác khoảng 25% tiềm năng này Lãnh thổ trải dài của Việt Nam tạo ra sự khác biệt về tiềm năng năng lượng mặt trời giữa các vùng, có thể chia thành 5 vùng với mức tiềm năng khác nhau.
Bảng 2.3 Tiềm năng năng lượng mặt trời tại Việt Nam
Năng lượng mặt trời trung bình (kcal/cm 2 năm)
Số giờ nắng trung bình năm (giờ/năm)
Việt Nam sở hữu tiềm năng lớn về năng lượng mặt trời nhờ vào số giờ nắng cao trong năm, như thể hiện trong Bảng 2.3.
Nhờ sự hỗ trợ của nhà nước và các tổ chức quốc tế, nhiều tỉnh thành ở Việt Nam đã thành công trong việc xây dựng các trạm điện mặt trời (PV) với công suất đa dạng, phục vụ nhu cầu sinh hoạt và văn hóa tại các vùng sâu, vùng xa cũng như những khu vực không có lưới điện Ngành bưu chính viễn thông dẫn đầu trong việc ứng dụng công nghệ này, với các trạm PV cung cấp điện cho thiết bị thu phát sóng tại bưu điện và trạm truyền hình vệ tinh Trong lĩnh vực hàng hải, trạm PV cung cấp điện cho thiết bị chiếu sáng, cột hải đăng và đèn báo sông Trong công nghiệp, chúng được sử dụng làm nguồn điện dự phòng cho thiết bị điều khiển trạm biến áp 500 kV và máy tính, cũng như kết nối với lưới điện quốc gia Đối với các hộ gia đình ở vùng sâu, các trạm PV giúp cung cấp điện cho ánh sáng, radio và truyền hình Ngoài ra, trong giao thông đường bộ, trạm PV cũng dần được sử dụng để cung cấp điện cho các cột đèn đường.
Tại khu vực phía Nam, các dàn PV được ứng dụng để cung cấp ánh sáng và hỗ trợ sinh hoạt văn hóa cho những vùng nông thôn xa lưới điện Các trạm điện mặt trời có công suất từ 500–1.000 Wp được lắp đặt tại trung tâm xã, giúp nạp điện vào ắc quy phục vụ các hộ gia đình Ngoài ra, các dàn PV công suất từ 250–500 Wp thường được sử dụng cho việc thắp sáng tại bệnh viện, trạm xá và các cụm văn hóa xã Hiện tại, khu vực này đã lắp đặt khoảng 800–1.000 dàn PV.
PV đã được lắp đặt và sử dụng cho các hộ gia đình với công suất mỗi dàn từ 22,5–
Khu vực miền Trung Việt Nam sở hữu bức xạ mặt trời tốt và số giờ nắng cao, tạo điều kiện lý tưởng cho việc ứng dụng năng lượng mặt trời Hiện tại, miền Trung đang có hai dự án năng lượng mặt trời lai ghép với công suất lớn nhất cả nước.
Dự án phát điện kết hợp giữa năng lượng mặt trời và thủy điện nhỏ tại xã Trang, huyện Mang Yang, tỉnh Gia Lai, có tổng công suất 125 kW, trong đó hệ thống năng lượng mặt trời đạt 100 kWp và hệ thống thủy điện 25 kW Dự án đã được đưa vào vận hành từ cuối năm 1999, cung cấp điện cho 5 làng và hiện đang được quản lý và vận hành bởi Điện lực Mang Yang.
Dự án phát điện lai giữa năng lượng mặt trời (PV) và năng lượng gió có công suất 9 kW, trong đó hệ thống PV chiếm 7 kWp, được thực hiện bởi Viện Năng lượng và lắp đặt tại làng Kongu 2, huyện Đak Hà, tỉnh Kon Tum Kể từ tháng 11/2000, công trình này đã cung cấp điện cho 42 hộ gia đình của một bản người dân tộc thiểu số Hệ thống điện hiện đang được Sở Công thương tỉnh quản lý và vận hành.
Các hệ thống năng lượng mặt trời (PV) đã được lắp đặt tại nhiều tỉnh như Gia Lai, Quảng Nam, Bình Định, Quảng Ngãi và Khánh Hòa, với công suất mỗi hộ gia đình dao động từ 40–50 Wp Ngoài ra, các dàn PV cũng được triển khai tại các trung tâm cụm xã và trạm y tế xã, với công suất từ 200–800 Wp.
Tại miền Bắc, việc ứng dụng các hệ thống năng lượng mặt trời (PV) đang phát triển nhanh chóng, đặc biệt phục vụ cho hộ gia đình ở vùng núi cao, hải đảo và các trạm biên phòng Công suất của các hệ thống PV cho hộ gia đình dao động từ 40–75 Wp, trong khi đó, các hệ thống dành cho trạm biên phòng và hải đảo có công suất từ 165–300 Wp.
Wp Các dàn PV dùng cho các trạm xá và các cụm văn hóa thôn, xã là từ 165–525
Tại Quảng Ninh có hai dự án PV được thực hiện bằng vốn ngân sách nhà nước là:
Dự án PV cho các đơn vị bộ đội tại các đảo vùng Đông Bắc có tổng công suất lắp đặt khoảng 20 kWp, được thực hiện bởi Viện Năng lượng và Trung tâm Năng lượng mới, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Hệ thống này chủ yếu phục vụ cho việc thắp sáng và truyền thông, được quản lý và vận hành trực tiếp bởi các đơn vị bộ đội.
- Dự án PV cho các cơ quan hành chính và một số hộ dân của huyện đảo Cô
Tô Tổng công suất lắp đặt là 15 kWp Dự án do Viện Năng lượng thực hiện Công trình đã được đưa vào vận hành và sử dụng từ tháng 12/2001
Công ty BP Solar của Úc đã tài trợ một dự án năng lượng mặt trời với công suất 6.120 Wp, phục vụ cho các trạm xá, trụ sở xã, trường học và khoảng 10 hộ gia đình tại xã Sĩ Hai, huyện Hà Quảng, tỉnh Cao Bằng.
Dự án “Ứng dụng thí điểm điện mặt trời cho vùng sâu, vùng xa” tại xã Ái Quốc, tỉnh Lạng Sơn đã được hoàn thành vào tháng 11/2002, với tổng công suất 3.000 Wp Hệ thống điện mặt trời này cung cấp nguồn điện cho trung tâm xã và trạm truyền hình, góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống cho người dân địa phương.
Trung tâm Hội nghị Quốc gia là công trình điện mặt trời lớn nhất tại Việt Nam, với tổng công suất hệ thống điện mặt trời đạt 154 kWp.
- Trạm PV nối lưới của Viện Năng lượng với tổng công suất là 1080 Wp
- Trạm PV nối lưới lắp đặt trên mái tòa nhà của Bộ Công thương, 54 Hai Bà Trưng, Quận Hoàn Kiếm, Hà Nội với tổng công suất là 2.700 Wp
Hệ thống đèn năng lượng mặt trời đã được lắp đặt trên các con đường ở Đà Nẵng Hệ thống này thu thập năng lượng mặt trời được gắn trực tiếp trên thân trụ đèn, trong khi bên trong trụ có các bình ắc quy để lưu trữ năng lượng.
Tổng quan tình hình nghiên cứu
Một số kỹ thuật tối ưu hóa công suất cực đại đã được giới thiệu, bao gồm thuật toán xáo trộn và giám sát (P&O), thuật toán gia tăng độ dẫn (InC), mạng nơ-ron nhân tạo và logic mờ Các phương pháp này khác nhau về tính đơn giản, tốc độ hội tụ, độ phức tạp trong thực hiện và chi phí áp dụng cho từng giải pháp.
Trong luận văn Thạc Sĩ, tác giả Phạm Văn Để đã cải tiến thuật toán gia tăng độ dẫn (InC) để điều khiển bám điểm công suất cực đại cho hệ thống điện năng lượng mặt trời, cho thấy kết quả mô phỏng có thời gian đáp ứng và độ ổn định tốt hơn với các thay đổi bức xạ Tác giả Trầm Minh Tuấn cũng đã nâng cấp thuật toán P&O nhằm khắc phục các khuyết điểm trong điều kiện bức xạ thay đổi đột ngột, giúp cải thiện giá trị và tốc độ hội tụ Tác giả Nguyễn Mạnh Tường đã đề xuất thuật toán tối ưu hóa bầy đàn (PSO) để tìm điểm công suất cực đại, đặc biệt trong trường hợp có bóng râm, cho thấy hiệu quả trong việc xác định điểm công suất cực đại toàn cục Cuối cùng, J Jiang và các cộng sự đã giới thiệu phương pháp so sánh 3 điểm, cải tiến thuật toán P&O bằng cách so sánh 3 thời điểm để đưa ra quyết định, tuy nhiên, phương pháp này cũng có nhược điểm khi cường độ bức xạ thay đổi mạnh và kéo dài, có thể dẫn đến quyết định không chính xác về giá trị điện áp.
Để khắc phục các khuyết điểm của thuật toán P&O truyền thống, D Sera, T Kerekes, R Teodorescu và F Blaabjerg đã phát triển một thuật toán bám điểm công suất cực đại mới dựa trên P&O, sử dụng các mẫu trung gian Thuật toán này giúp bộ điều khiển duy trì hiệu suất tối ưu khi cường độ sáng thay đổi tuyến tính Tuy nhiên, khi cường độ chiếu sáng thay đổi không tuyến tính, thuật toán có thể gặp sai sót trong hoạt động.
M A Younis, T Khatib, M Najeeb và A M Ariffin [15] đã tiếp tục nghiên cứu để kết hợp công nghệ mạng nơ-rôn nhân tạo và thuật toán P&O cho việc xây dựng một bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại Các tác giả đã sử dụng mạng nơ-rôn nhân tạo để dự báo giá trị điện áp tối ưu của hệ thống PV sao cho có thể đạt được điểm công suất cực đại Cấu trúc mạng nơ-rôn được sử dụng trong nghiên cứu là cấu trúc lan truyền ngược với bốn tín hiệu ngõ vào mà tương ứng là cường độ bức xạ, nhiệt độ, hệ số nhiệt của dòng điện ngắn mạch và hệ số nhiệt độ của điện áp hở mạch của PV và tín hiệu ngõ ra của mạng nơ-rôn là giá trị điện áp tối ưu Các kết quả mô phỏng trong nghiên cứu này cho thấy rằng bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại sử dụng công nghệ mạng nơ-rôn có các đáp ứng nhanh hơn bộ điều khiển sử dụng thuật toán P&O và đồng thời, hiệu suất bám trung bình cũng được cải tiến hơn thuật toán P&O một cách đáng kể
B Das, A Jamatia, A Chakraborti, P R Kasari và M Bhowmik [16] đã giới thiệu phương pháp chia đôi (Bisection method) cho bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ thống PV Thuật toán tìm ra được giá trị điện áp của mô-đun
Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã thực hiện tính toán công suất PV và xác định điểm công suất cực đại Kết quả mô phỏng cho thấy phương pháp đề xuất đạt được công suất cực đại nhanh hơn so với kỹ thuật P&O thông thường, qua đó chứng minh hiệu quả của phương pháp mới.
Bên cạnh các kỹ thuật bám điểm công suất cực đại, việc nghiên cứu và thiết kế các hệ thống điều khiển bám theo mặt trời cũng rất quan trọng để tối ưu hóa khả năng khai thác nguồn năng lượng mặt trời.
C D Oancea, L Kreindler và J Rizk, Y Chaiko [17]-[19] đã thực hiện các nghiên cứu, thiết kế và thực hiện một hệ thống bám theo mặt trời cho hệ thống PV Một hệ thống bám đơn trục đã được đề xuất trong nghiên cứu này để đảm bảo việc tối ưu hóa khả năng chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng bằng cách định hướng đúng các PV theo vị trí thật của ánh nắng mặt trời Hoạt động của mô hình thử nghiệm trong nghiên cứu được dựa trên một động cơ bước mà được điều khiển thông minh và một hệ thống truyền động để điều khiển mô-đun PV theo các tín hiệu nhận được từ hai cảm biến ánh sáng Các kết quả đạt được trong nghiên cứu này cho thấy rằng mô-đun PV luôn luôn di chuyển mô-đun PV theo cường độ ánh sáng của mặt trời
N Barsoum và P Vasant đã giới thiệu một thiết kế mới cho hệ thống bám theo mặt trời, được điều khiển bởi vi điều khiển PIC16F84A.
PIN QUANG ĐIỆN VÀ HỆ THỐNG PIN QUANG ĐIỆN KẾT NỐI LƯỚI
Giới thiệu
Mặt trời phát ra một dải bức xạ năng lượng rộng, nhưng không phải tất cả bức xạ đều tạo ra hiện tượng quang điện Chỉ những bức xạ có bước sóng, , với năng lượng lớn hơn mức năng lượng kích hoạt electron mới có khả năng gây ra hiện tượng này Hiện tượng quang điện xảy ra khi ánh sáng có bước sóng ngắn làm bật các electron ra khỏi bề mặt kim loại, và các electron này được gọi là electron quang điện.
Phổ năng lượng mặt trời ảnh hưởng đến hiệu suất của pin mặt trời (PV), trong đó 20,2% năng lượng mặt trời bị tổn hao do không đủ năng lượng để kích hoạt electron ra khỏi trạng thái tĩnh (hv < Eg) Ngoài ra, 30,2% năng lượng bị mất ở các vùng năng lượng cao hơn (hv > Eg), chỉ có 49,6% năng lượng hữu ích được thu thập bởi PV.
Hình 3.1 Phổ năng lượng mặt trời
Chiều dài sóng (m) Công suất bức xạ (W/m2 m)
Chiều dài mức năng lượng kích hoạt 1,11m
Năng lượng mặt trời, một dạng quang năng, có khả năng chuyển đổi thành điện năng thông qua hai hình thức chính.
- Quang năng được chuyển thành nhiệt năng và nhiệt năng được chuyển thành điện năng
- Quang năng được trực tiếp chuyển thành điện năng
Trong 2 hình thức phát điện trên, có thể nhận ra rằng hình thức thứ 2 với quang năng được chuyển đổi trực tiếp thành điện năng được nghiên cứu và khai thác mạnh mẽ hơn Hình thức khai thác này sẽ được thực hiện thông qua hệ thống
PV (Photovoltaic, PV) mà được cấu thành từ các chất bán dẫn
Công nghệ năng lượng mặt trời (PV) sử dụng chất bán dẫn để chuyển đổi ánh sáng thành điện năng, tương tự như quy trình sản xuất các linh kiện bán dẫn như diode và transistor Nguyên liệu chính để sản xuất PV thường là tinh thể silicon, thuộc nhóm IV Có thể coi PV như một phiên bản ngược lại của diode quang, khi mà diode quang nhận điện năng để phát ra ánh sáng, thì PV lại thu nhận ánh sáng để sản xuất điện năng.
Bảng 3.1 Bảng phân loại tuần hoàn trích lược với tinh thể Silicon thuộc nhóm IV
29 Cu 30 Zn 31 Ga 32 Ge 33 As 34 Se
47 Ag 48 Cd 49 In 50 Sn 51 Sb 52 Te
Hình 3.2 Nguyên tắc chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện của PV
Mô hình đơn giản của PV được mô tả như sau, Hình 3.3 a) b)
Hình 3.3 Mô hình đơn giản của PV
Sơ đồ thay thế đơn giản của PV
Sơ đồ thay thế đơn giản của PV được biểu diễn như sau, hình 3.4 [16]
Hình 3.4 Sơ đồ thay thế đơn giản của PV
Trong PV, hai tham số quan trọng của nó là dòng điện ngắn mạch, I sc và điện áp hở mạch, V 0c
Photon Điện nạp âm Photon
Các lỗ trống Điện nạp dương
Các tiếp điểm điện Electron
~ a) Dòng điện ngắn mạch, I sc b) Điện áp hở mạch, V 0c
Hình 3.5 Các tham số quan trọng của PV: dòng điện ngắn mạch, I sc và điện áp hở mạch, V oc
Các đặc tuyến mô tả PV:
I: Cường độ dòng điện của PV;
I sc : Cường độ dòng điện ngắn mạch của PV;
V oc : Điện áp hở mạch của PV;
I 0 : Dòng điện ngược của diode, có giá trị rất nhỏ khoảng 10 -12 A/cm 2 ; q: Điện tích electron, q = 1,602.10 -19 (C); k: Hằng số Boltzman, k = 1,381 x 10 -23 (J/K);
Trong điều kiện 25 0 C, ta có:
Sơ đồ thay thế của PV có xét đến các tổn hao
Trong thực tế, hệ thống năng lượng mặt trời (PV) luôn gặp phải tổn hao, được thể hiện qua các thông số R s và R p Do đó, mô hình PV có thể được mô tả dựa trên những yếu tố này để hiểu rõ hơn về hiệu suất hoạt động của nó.
Hình 3.6 Mô hình thay thế PV có xét đến các tổn hao
Biểu thức đặc trưng của PV có xét đến các ảnh hưởng của R s và R p :
I 0 exp 1 (3.5) Đặc tính PV có xét đến các ảnh hưởng của R s và R p
Hình 3.7 Đặc tính PV có xét đến các ảnh hưởng của R s và R p
Module PV
Một khuyết điểm của PV là điện áp và dòng điện làm việc của nó rất nhỏ Một
Pin mặt trời (PV) có điện áp làm việc khoảng 0,5 V Để đạt được điện áp lớn hơn, cần phải kết nối các pin mặt trời theo kiểu nối tiếp Đồng thời, để tăng cường dòng điện, các pin cần được mắc song song.
I Điện áp (V) Cường độ dòng điện (A)
Khi ấy, điện áp của module PV có thể được xác định như sau:
V module : Điện áp của module PV n: Số PV của module PV
R s : Giá trị điện trở nối tiếp
Các đường đặc tính của một module PV được mô tả như sau:
Hình 3.9 Đặc tính của module PV
Mảng PV
Mảng PV được định nghĩa là việc kết nối nhiều module PV Có 3 hình thức kết nối các module PV như: nối tiếp, song song và hổn hợp
Mắc nối tiếp các cell
3.5.1 Nối nối tiếp nhiều module PV
Hình thức này được sử dụng để nâng điện áp của hệ thống PV
Hình 3.10 Các module PV được kết hợp nối tiếp với nhau
3.5.2 Nối song song nhiều module PV
Hình thức này được sử dụng để nâng cường độ dòng điện của hệ thống PV
Hình 3.11 Các module PV được kết hợp song song với nhau
3.5.3 Nối hỗn hợp nhiều module PV
Hình thức này được sử dụng để nâng cả điện áp và cường độ dòng điện của hệ thống PV
Hình 3.12 Các module PV được kết hợp hỗn hợp với nhau
Các ảnh hưởng đến PV
Các PV có bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như cường độ chiếu sáng, nhiệt độ, hiện tượng bóng râm,
3.6.1 Ảnh hưởng của cường độ chiếu sáng
Cường độ chiếu sáng càng lớn thì công suất thu được của PV càng lớn, dòng
I Điện áp Cường độ dòng điện
Hình 3.13 Đặc tuyến V-I của PV với các cường độ chiếu sáng khác nhau và nhiệt độ PV không đổi, 25 0 C
3.6.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ
Nhiệt độ PV càng cao thì V oc càng thấp, Hình 3.14
Hình 3.14 Đặc tuyến V-I của PV với các nhiệt độ khác nhau và cường độ chiếu sáng không đổi 1 kW/m 2 Điện áp (V)
75 0 C 50 0 C 25 0 C Điện áp (V) Cường độ dòng điện (A)
Cường độ chiếu sáng, 1 kW/m 2
3.6.3 Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm
Hiện tượng bóng râm xảy ra khi các tấm pin mặt trời (PV) bị che phủ một phần, dẫn đến ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất hoạt động của chúng Khi một tấm PV trong mảng bị che khuất, hiệu suất năng lượng có thể giảm đáng kể.
Hình 3.15 Module PV với n PV trong trường hợp module không bị che khuất
Hình 3.16 Module PV với n PV trong trường hợp module bị che khuất một phần
Khi ấy, điện áp của module PV sẽ là:
PV thứ n bị che khuất
Khi ấy, sụt áp gây ra bởi hiện tượng bóng râm được xác định như sau:
Mặt khác, do R p >> R s Khi ấy:
~ (3.12) Đặc tính của module PV khi bị ảnh hưởng bởi hiện tượng bóng râm được biểu diễn như hình 3.16
Hình 3.17 minh họa ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm đến module PV Đặc tuyến V-I thể hiện sự khác biệt giữa trường hợp module PV không bị che khuất và bị che khuất, cho thấy sự giảm điện áp khi có bóng râm.
Trong trường hợp khi nhiều PV bị che khuất thì các đặc tuyến có thể được biểu diễn như hình 3.18
Để bảo vệ các tấm pin năng lượng mặt trời (PV) khỏi ảnh hưởng của bóng râm, việc sử dụng các diode bypass là rất cần thiết Hình 3.18 minh họa sự khác biệt giữa PV không bị che khuất và PV bị che khuất, cho thấy tầm quan trọng của việc bảo vệ này trong hệ thống năng lượng mặt trời.
Hình 3.19 Module PV sử dụng diode bypass
Cường độ dòng điện (A) Điện áp (V)
I Đặc tính của PV trong trường hợp sử dụng diode bypass được mô tả như hình 3.20
Hình 3.20 Đặc tính của PV trong trường hợp sử dụng diode bypass
Xét một mảng PV dùng nạp điện cho một bộ ắc-quy, 65V khi không có và có diode bypass bảo vệ
Hình 3.21 Đánh giá so sánh giữa các trường hợp có và không có diode bypass
Bị che khuất với diode bypass
Bị che khuất và không sử dụng diode bypass Điện áp ắc-quy Điện áp (V) Cường độ dòng điện (A)
A a) Không bị che b) Bị che khuất và không sử dụng dioide b) Bị che khuất và sử dụng dioide bypass
Trong hình 3.21, các pin mặt trời (PV) hoạt động như nguồn phát điện với điện áp 65 V, tạo ra cường độ dòng điện 3,3 A Khi một mô-đun PV bị che khuất bởi bóng râm, nó không còn phát điện, và dòng điện sẽ chạy qua điện trở song song R p, gây ra điện áp rơi ΔV = I x R p Giá trị ΔV này sẽ được cộng với điện áp của ắc-quy.
65 V sẽ là điện áp đặt trên các mô-đun PV còn lại và dựa vào đặc tuyến (V, I) của
Khi xảy ra hiện tượng che khuất, dòng điện của pin mặt trời (PV) sẽ giảm Nếu pin mặt trời sử dụng các diode bypass, dòng điện sẽ được dẫn qua các diode này Tuy nhiên, điều này cũng có nghĩa là pin mặt trời sẽ bị ảnh hưởng nhiều hơn trong trường hợp che khuất.
Các hệ thống PV ứng dụng
3.7.1 Hệ thống PV độc lập
Hệ thống PV độc lập là giải pháp thiết yếu cho các vùng nông thôn, vùng núi cao và khu vực hẻo lánh ở các nước đang phát triển, nơi chưa có lưới điện quốc gia Nguồn điện từ hệ thống PV có thể cung cấp cho tải DC trực tiếp hoặc qua hệ thống nghịch lưu để cấp cho tải AC Bên cạnh đó, phần lưu trữ năng lượng đóng vai trò quan trọng trong việc tích trữ và phát lại năng lượng khi cần thiết.
Hình 3.22 Hệ thống PV độc lập
3.7.2 Hệ thống PV kết nối lưới
Một trong những xu hướng nghiên cứu hiện nay là hệ thống năng lượng mặt trời (PV) kết nối lưới điện Mặc dù điện năng từ các hệ thống PV kết nối lưới vẫn chưa cạnh tranh được về mặt kinh tế so với nguồn điện từ năng lượng truyền thống và các máy phát điện tái tạo khác, nhưng chúng vẫn thu hút sự chú ý đáng kể.
+ Chúng là một nguồn điện sạch
+ Chúng thuộc quyền sở hữu của từng cá nhân hay từng công ty
+ Chúng có thể được lắp đặt gần vị trí cần nguồn điện
Chúng có khả năng gắn kết với các tòa nhà và kiến trúc khác, giúp tiết kiệm chi phí sơn phủ và giảm thiểu yêu cầu về diện tích đất để xây dựng công trình.
+ Chúng hoạt động yên tĩnh và không có thành phần chuyển động
Các mô-đun này có độ tin cậy cao, tuổi thọ vượt quá 20 năm và chi phí bảo trì thấp, đồng thời dễ dàng điều chỉnh để phù hợp với từng vị trí và mở rộng khi cần thiết.
+ Có nhiều triển vọng để tiếp tục giảm chi phí và phát triển công nghệ
Hệ thống PV kết nối lưới điện có thể có hoặc không có ắc quy dự phòng, nhưng việc tích trữ điện năng bằng ắc quy giúp tăng tính tin cậy trong cung cấp điện Hệ thống này cho phép khách hàng sử dụng điện mặt trời và cung cấp năng lượng dư thừa cho lưới điện, từ đó rút ngắn thời gian hoàn vốn đầu tư Khi được tích hợp với lưới điện công cộng, dòng công suất có thể chảy theo hai hướng, với lưới điện nhận công suất dư từ hệ PV và cung cấp lại cho khách hàng vào buổi tối hoặc khi hệ thống không đủ công suất Các công ty điện lực khuyến khích mô hình này trên toàn cầu Hệ PV kết nối lưới có thể được phân loại thành nhiều loại khác nhau.
+ Hệ PV kết nối lưới được gắn trên mái nhà;
+ Hệ PV quy mô lớn
Hệ thống PV kết nối lưới không chỉ gia tăng công suất cho hệ thống điện quốc gia mà còn giúp tiết kiệm chi phí điện cho cả hộ gia đình và doanh nghiệp Đặc biệt, hệ thống này không yêu cầu thiết bị lưu trữ, vì công suất dư thừa có thể được chuyển trực tiếp lên lưới điện.
PV kết nối lưới gia tăng đáng kể trên toàn thế giới Trong năm 2004, ở Đức gần 1 tỷ Watt của hệ PV kết nối lưới được lắp đặt
Hình 3.23 Hệ PV kết nối lưới
Trong hệ thống PV kết nối lưới, bộ nghịch lưu đóng vai trò quan trọng như bộ điều hòa công suất, liên kết hệ PV với lưới điện Nó chuyển đổi dòng DC từ các tấm PV thành dòng AC phù hợp với lưới điện công cộng Bộ nghịch lưu cần tạo ra sóng sin chuẩn, đồng thời tuân thủ điện áp và tần số của lưới, cũng như tối ưu hóa công suất từ các tấm PV thông qua bộ dò tìm điểm công suất cực đại Các cấp điện áp ngõ vào của bộ nghịch lưu được điều chỉnh để xác định điểm công suất cực đại theo đặc tính V-I.
Bộ nghịch lưu phải giám sát và điều khiển tất cả các pha ngõ ra theo sự thay đổi của điện áp và tần số
Bộ nghịch lưu kết nối lưới thông thường sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) và hoạt động trong khoảng từ 2 kHz đến 20 kHz
Hệ thống điều khiển dòng công suất trên lưới điện, như mô tả trong Hình 3.24, có thể được điều khiển bằng analog hoặc vi xử lý Hệ thống này tạo ra dạng sóng và điều chỉnh biên độ cũng như góc pha để kiểm soát dòng công suất giữa bộ nghịch lưu và lưới điện Mạch ghép nối giữa lưới điện và bộ nghịch lưu sử dụng bộ điều khiển áp (VCI) hoặc bộ điều khiển dòng (CCI), cho phép dòng công suất chảy theo cả hai chiều Hệ thống không chỉ cung cấp điện cho các tải cục bộ mà còn có khả năng phát công suất tác dụng và phản kháng dư cho lưới điện công cộng Để tránh sự cố trong quá trình đồng bộ và ngăn ngừa quá tải cho bộ nghịch lưu, cần sử dụng bộ điều khiển thích hợp Mạch ghép nối đơn giản giữa lưới và bộ nghịch lưu với bộ lọc bậc một và giản đồ pha được trình bày trong Hình 3.24 và 3.25.
Trong trường hợp của bộ điều khiển áp, phương trình công suất là như sau: jQ P
Trong trường hợp của bộ điều khiển dòng, phương trình công suất là như sau:
Hình 3.24 Sơ đồ đơn giản của hệ PV kết nối với lưới điện
Hình 3.25 Sơ đồ pha của hệ PV kết nối với lưới điện
Các bộ nghịch lưu được dùng để điều hòa công suất và đồng bộ ngõ ra của hệ
PV với lưới điện công cộng Cấu hình của hệ PV kết nối lưới không có hệ tích trữ được phân thành 4 loại:
+ Bộ biến đổi DC-DC với một bộ nghịch lưu ở ngõ ra;
+ Bộ nghịch lưu tích hợp môđun
Các bộ nghịch lưu được dùng để điều hòa công suất và đồng bộ ngõ ra của hệ
Hệ thống PV kết nối với lưới điện công cộng bao gồm các mô-đun PV được mắc nối tiếp thành các mảng PV, sau đó các mảng này được ghép song song nối đến một đường dẫn DC Hệ thống này thường được sử dụng và được minh họa trong Hình 3.26.
Hình 3.26 Hệ PV kết nối lưới điện đơn giản
Các yếu tố cần xem xét khi hệ PV kết nối lưới điện bao gồm:
Có hai nhóm cấu hình chính được sử dụng trong việc kết nối hệ PV với lưới điện là: cách ly và không cách ly
Hình 3.27 Sơ đồ khối mô tả hệ PV kết nối lưới
Dạng biến đổi có cách ly có thể được thực hiện bằng cách sử dụng bộ nâng áp DC-DC với máy biến áp tần số cao, nghịch lưu và bộ lọc đầu ra LC, sau đó kết nối với lưới điện Ngoài ra, có thể áp dụng nghịch lưu điện áp thấp kết hợp với máy biến áp tần số thấp để nâng điện áp lên mức tương ứng với điện áp hệ thống trước khi kết nối vào lưới điện.
Hình 3.28.Kiểu máy biến áp tần số thấp, Kiểu máy biến áp tần số cao
Trong phương pháp sử dụng máy biến áp tần số thấp, năng lượng điện từ tấm pin mặt trời được chuyển đổi từ điện áp một chiều sang điện xoay chiều áp thấp qua bộ nghịch lưu và bộ lọc điện dung, sau đó nâng lên 220V bằng máy biến áp lõi thép để cung cấp cho tải AC Ngược lại, trong phương pháp máy biến áp tần số cao, cần thêm một tầng chuyển đổi DC/DC với biến áp xung, sử dụng các phương pháp như Flyback, Halfbridge, Fullbridge để nâng điện áp từ PV lên mức DC cao, phục vụ cho việc nghịch lưu trực tiếp 220/380V vào tải.
Biến đổi không cách ly bằng máy biến áp (Transformerless) cho phép chuyển đổi trực tiếp năng lượng điện một chiều từ ngõ ra PV lên lưới thông qua các bộ nâng áp DC không cách ly Phát triển kiểu Transformerless tập trung vào việc nâng cao hiệu suất, giảm chi phí đầu tư hệ thống và đơn giản hóa thiết kế ở quy mô lớn Kiểu biến đổi này có thể đạt hiệu suất tối đa lên đến 98%, trong khi các cấu hình cách ly sử dụng Transformer chỉ đạt hiệu suất tối đa từ 95% đến 96%.
Hình 3.29 Kiểu không cách ly bằng máy biến áp
Cấu hình DC/DC - DC/AC
3.8.1 Bộ biến đổi DC/DC
Có hai cách để thực hiện các bộ biến đổi DC-DC kiểu chuyển mạch:
+ Dùng các tụ điện chuyển mạch, và
+ Dùng các điện cảm chuyển mạch
Giải pháp dùng điện cảm chuyển mạch có ưu thế hơn ở các mạch công suất lớn
Các bộ biến đổi DC-DC cổ điển dùng điện cảm chuyển mạch bao gồm: buck (giảm áp), boost (tăng áp), và buck-boost/inverting (đảo dấu điện áp)
Hình 3.30 minh họa sơ đồ nguyên lý của các bộ biến đổi Buck, Boost và Buck-Boost Mặc dù có sự khác biệt trong cách bố trí điện cảm, khóa chuyển mạch và diode, nhưng tất cả các bộ biến đổi này đều hoạt động dựa trên nguyên tắc duy trì dòng điện qua điện cảm để đạt được các mục tiêu khác nhau.
Hình 3.30 Các bộ biến đổi DC-DC chuyển mạch cổ điển
Trong nghiên cứu này, bộ biến đổi Buck-Boost được đưa vào sử dụng trong các hệ PV
Hình 3.31 Bộ biến đổi Buck-Boost
Bộ biến đổi Buck-Boost hoạt động dựa trên nguyên tắc duy trì dòng điện trong điện cảm khi khóa (van) đóng và tạo ra điện áp cảm ứng khi khóa (van) ngắt Tùy thuộc vào tỷ lệ thời gian đóng và ngắt khóa, điện áp ra có thể nhỏ hơn, bằng hoặc lớn hơn điện áp vào, nhưng luôn có dấu ngược với điện áp vào Trong chu kỳ chuyển mạch T, với T1 là thời gian đóng khóa và T2 là thời gian ngắt khóa, điện áp rơi trung bình trên điện cảm được xác định bởi công thức (T1/T) × Vin và −(T2/T) × Vout Điều kiện để điện áp rơi trung bình trên điện cảm bằng 0 được biểu diễn qua phương trình (T1/T) × Vin − (T2/T) × Vout = 0.
Lưu ý rằng các giá trị V in và V out ở trên chỉ xét về độ lớn, vì thực tế V in và V out là ngược dấu
Như vậy, bộ biến đổi này có thể tăng áp hay giảm áp và đó là lý do mà nó được gọi là bộ biến đổi Buck-Boost
Trong các bài toán thường gặp, cần xác định các yếu tố như phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào V in, giá trị điện áp ngõ ra V out, độ dao động điện áp ngõ ra cho phép, và dòng điện tải tối thiểu I out,min Điều này giúp xác định giá trị của điện cảm, tụ điện, tần số chuyển mạch, cũng như phạm vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ, nhằm đảm bảo ổn định điện áp ngõ ra.
Phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào và giá trị điện áp ngõ ra sẽ quyết định chu kỳ nhiệm vụ D.
D min = V out /(V in,max + V out ) (3.18)
D max = V out /(V in,min + V out ) (3.19)
Lý thuyết tương tự cho bộ biến đổi buck cho thấy rằng độ thay đổi dòng điện cho phép gấp đôi dòng điện tải tối thiểu Tình huống xấu nhất xảy ra khi điện áp trung bình tại điện cảm đạt giá trị tối đa khi khóa (van) ngắt, tức là khi D bằng D min.
Như vậy, đẳng thức dùng để chọn chu kỳ (tần số) chuyển mạch và điện cảm L giống như của bộ biến đổi Buck:
(1 − D min ) T V out = L min 2 I out,min (3.20)
Hình 3.32 Sơ đồ xung kích, dòng tải và dòng qua cuộn cảm
3.8.2 Bộ biến đổi DC/AC
Bộ nghịch lưu điện áp có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp DC 100V từ DC Link thành điện áp xoay chiều 3 pha hình sin, đồng thời điều chỉnh tần số và pha của dòng điện để phù hợp với lưới điện Khi hoạt động, bộ nghịch lưu cung cấp công suất có ích vào lưới điện 3 pha, góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng.
Hình 3.33 Sơ đồ nghịch lưu 3 pha hòa lưới
Bộ nghịch lưu sử dụng biến tần 3 pha 2 bậc với thuật toán điều chế vectơ không gian, giúp điều khiển công suất hiệu quả Sau khi đóng cắt, điện áp phát sinh nhiều thành phần hài bậc cao, được xử lý qua bộ lọc L hoặc LC Cuối cùng, điện áp này sẽ được đưa vào biến áp cách ly hoặc trực tiếp hòa lưới mà không cần biến áp cách ly.
Cho đại lượng ba pha cân bằng V a , V b , V c thỏa mãn:
Phép biến hình từ đại lượng ba pha V a , V b , V c sang vector:
3 j e a : Phép biến hình vectơ và đại lượng v gọi là vectơ không gian của đại lượng ba pha
Các tính toán trên vectơ không gian giúp xử lý thông tin hiệu quả cho đại lượng ba pha Điều chế vectơ không gian, hay còn gọi là điều chế độ rộng xung sin (SVPWM), cho phép tạo ra vectơ không gian quay đều trong hệ tọa độ, từ đó nghịch lưu điện áp ba pha với biên độ và tần số theo yêu cầu.
Bộ điều khiển nghịch lưu 3 pha hòa lưới được mô tả như hình 3.34
Hình 3.34 Bộ điều khiển nghịch lưu 3 pha hòa lưới
Phần điều khiển bao gồm:
+ Bộ PLL: được sử dụng để nhận dạng biên độ, tần số và góc pha của điện áp lưới
+ Bộ biến đổi abc thành dq: được sử dụng để biến đổi điện áp 3 pha abc sang dq
Bộ PI được sử dụng để điều chỉnh điện áp Ud và Uq nhằm đạt được góc pha dòng điện mong muốn, đồng thời đảm bảo góc pha của dòng điện cùng pha với góc pha áp Trong khi đó, bộ nghịch lưu PWM thực hiện chức năng biến đổi từ hệ tọa độ dq sang vectơ không gian, từ đó xuất ra xung điều khiển cho bộ công suất.
PLL là một hệ thống hồi tiếp vòng kín gồm ba khối quan trọng là:
+ Phát hiện pha (Phase Detector); và
+ Bộ lọc thông thấp (Lowpass Filter)
Trong hệ thống điều khiển PLL, VCO phát tín hiệu theo một tín hiệu khác, dù có thể có sự lệch trong quá trình hiệu chỉnh Tuy nhiên, khi vòng lặp kết thúc, tín hiệu ngõ ra của PLL phải tương đồng với tín hiệu ngõ vào Định nghĩa về pha và tần số vào ra khi hoàn thành vòng kín được xác định rõ ràng.
Hình 3.35 Sơ đồ hệ thống điều khiển PLL
Phân tích lần lượt 3 khối của một hệ thống điều khiển PLL:
Ngõ ra của VCO được xác định như sau:
0 : Tần số ngõ tại thời điểm V cont = 0
Hệ số tỷ lệ của bộ VCO (rad/s/V) là yếu tố quan trọng để đạt được ngõ ra mong muốn Để điều chỉnh V cont, cần sử dụng bộ phase detector trong phạm vi điều chỉnh của VCO Độ lệch pha được định nghĩa dựa trên các yếu tố này.
Hình 3.36 Tín hiệu ngõ ra VCO
Trong hình 3.36, khi hai ngõ vào của bộ phát hiện pha là hai sóng vuông, mức logic 1 sẽ xuất hiện mỗi khi chúng lệch pha Nếu tần số mong muốn là ω1 như trong hình phía trên bên phải, sẽ có một áp điều khiển V1 được tạo ra từ bộ phát hiện pha Khi PLL hoạt động theo cơ chế lặp vòng kín, độ lệch pha này sẽ được giảm xuống.
PLL được sử dụng với nhiều mục đích khác nhau, sau đây ta sẽ phân tích bộ PLL trong việc phát hiện pha của lưới điện 3 pha
Hình 3.37 Sơ đồ thực hiện bộ PLL 3 pha
Khối này có nhiệm vụ so sánh ngõ ra với ngõ vào và phát sinh ra một sai số với hệ số tỉ lệ nhất định KD (V/rad)
Giả sử sai số này bao gồm các hài bậc cao như sau:
Tần số cao hơn tần số cơ bản sẽ được loại bỏ bởi bộ lọc thông thấp Sai số sau khi lọc tỷ lệ thuận với biến Vcont (áp điều khiển - DC), đóng vai trò làm tham chiếu cho bộ VCO.
Bộ biến đổi abc thành αβ
Bộ biến đổi abc thành αβ được thiết kế để chuyển đổi điện áp 3 pha sin, lệch nhau 120 độ, thành 2 pha trực giao với độ lệch pha 90 độ Điện áp 3 pha được biểu diễn bằng các công thức: a = Usin(θ); b = Usin(θ + 120); c = Usin(θ - 120).
Hình 3.38 Hệ trục tọa độ
Với phép biến đổi như trên, ta sẽ thu được 2 thành phần điện áp: Thành phần
U α cùng pha với a của điện 3 pha, U β sớm hơn U α một góc là 90 0
Từ những thông tin thu được, chúng ta có thể xác định hai thành phần quan trọng là biên độ điện áp U và góc pha điện áp, bao gồm cosθ và sinθ, thông qua các phép tính đơn giản cần thiết cho quá trình nghịch lưu.