TÌM HIỂU NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO VÀ CÁC THUẬT TOÁN THEO DÕI ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CHO HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Sinh viên thực hiện: Phan Nguyễn Thanh Thiên MSV: 1811505120348 Huỳnh Thái Việt MSV: 1811505120256 - Tìm hiểu tổng quan về năng lượng tái tạo - Tìm hiểu về hệ thống năng lượng mặt trời

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐẠI HỌC NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ CHUYÊN NGÀNH: HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN

ĐỀ TÀI:

TÌM HIỂU NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO VÀ CÁC THUẬT TOÁN THEO DÕI ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CHO HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG

MẶT TRỜI

Người hướng dẫn: TS Trần Lê Nhật Hoàng Sinh viên thực hiện 1: Phan Nguyễn Thanh Thiên

Mã sinh viên: 1811505120348 Lớp: 18D2

Sinh viên thực hiện 2: Huỳnh Thái Việt

Mã sinh viên: 1811505120256 Lớp: 18D2

Sinh viên thực hiện 3: Nguyễn Văn Thành

Mã sinh viên: 1811505120148 Lớp: 18D1

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐẠI HỌC NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ CHUYÊN NGÀNH: HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN

ĐỀ TÀI:

TÌM HIỂU NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO VÀ CÁC THUẬT TOÁN THEO DÕI ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CHO HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG

MẶT TRỜI

Người hướng dẫn: TS Trần Lê Nhật Hoàng Sinh viên thực hiện 1: Phan Nguyễn Thanh Thiên

Mã sinh viên: 1811505120348 Lớp: 18D2

Sinh viên thực hiện 2: Huỳnh Thái Việt

Mã sinh viên: 1811505120256 Lớp: 18D2

Sinh viên thực hiện 3: Nguyễn Văn Thành

Mã sinh viên: 1811505120148 Lớp: 18D1

Đà Nẵng, 06/2022

NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN

TÓM TẮT

Tên đề tài:

TÌM HIỂU NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO VÀ CÁC THUẬT TOÁN THEO DÕI ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CHO HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI.

Giảng viên hướng dẫn: TS Trần Lê Nhật Hoàng

Sinh viên thực hiện: Phan Nguyễn Thanh Thiên Mã SV: 1811505120348

Huỳnh Thái Việt Mã SV: 1811505120256

Nguyễn Văn Thành Mã SV: 1811505120148

Bố cục của luận án gồm 6 chương:

 Chương 1: Giới thiệu chung và khái quát về năng lượng tái tạo

 Chương 2: Tổng qua về hệ thống pin mặt trời

 Chương 3: Các phương pháp tìm điểm công suất cực đại của pin mặt trời

 Chương 4: Mô hình và kết quả của các phương pháp mô phỏng điều khiển bámđiểm công suất cực đại của một hệ pin mặt trời

 Chương 5: Một số phương pháp giải thuật khác

 Chương 6: Kết luận và hướng phát triển trong tương lai của mô hình

Kết quả mô phỏng đã cho thấy sự cần thiết phải sử dụng MPPT trong hệ thống Pinnăng lượng mặt trời bằng việc sử dụng các thuật toán và nêu ra được thuật toán INCtrong MPPT là tối ưu nhất Hệ thống đã đưa pin mặt trời vào làm việc các thời điểmbức xạ và nhiệt độ thay đổi khác nhau và đưa ra được đường cong công suất việc tốiưu

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

1 Giảng viên hướng dẫn: TS Trần Lê Nhật Hoàng

2 Sinh viên thực hiện: Phan Nguyễn Thanh Thiên MSV: 1811505120348

Huỳnh Thái Việt MSV: 1811505120256

- Tìm hiểu tổng quan về năng lượng tái tạo

- Tìm hiểu về hệ thống năng lượng mặt trời

- Mô phỏng hệ thống pin năng lượng mặt trời trong Matlab/Simulink

- Nghiên cứu và ứng dụng các thuật toán nhằm tìm điểm công suất cực đại cho hệthống

- Hoàn thành và viết luận án tốt nghiệp

6 Kết quả dự kiến đạt được

- Xây dựng, mô phỏng pin năng lượng mặt trời trong Matlab/Simulink

- Áp dụng thuật toán để tìm ra điểm công suất cực đại tối ưu cho hệ thống

Hoàn thành đúng tiến độ

6 10/05/2022

-31/05/2022

Hoàn thiện và viết luận án tốt

TRƯỞNG BỘ MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN SINH VIÊN

TS Trương Thị Hoa TS Trần Lê Nhật Hoàng

Em xin chân thành cảm ơn đến quý thầy cô trong Khoa Điện – Điện tử TrườngĐại học Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng, đặc biệt là quý thầy/cô trong bộ môn

Hệ thống điện đã tận tình chỉ dạy truyền đạt kiến thức cũng như tạo điều kiện thuận lợicho em trong suốt quá trình học tập vừa qua

Em xin chân thành cảm ơn TS Trần Lê Nhật Hoàng – Trường Đại học Sư phạm

Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng, người thầy đã hết lòng chỉ bảo, hướng dẫn, truyền đạtnhững kiến thức chuyên môn cũng như những kinh nghiệm nghiên cứu trong suốt thờigian học tập và thực hiện luận văn này

Tuy nhiên do thời gian có hạn, dù đã có nhiều cố gắng hết mình nhưng vẫn khótránh khỏi những thiếu sót và hạn chế trong lúc thực hiện đồ án này

Chúng em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến và nhận xét từ các thầy cô

Em rất mong quý thầy chỉ dẫn giúp đỡ em để hoàn thiện hơn kiến thức của mình và tựtin bước vào cuộc sống với vốn kiến thức đã có được

Cuối cùng em kính chúc quý thầy/cô dồi dào sức khỏe và thành công trong sựnghiệp cao quý Đồng kính chúc gia đình, bạn bè đã giúp đỡ em dồi dào sức khỏe, đạtđược nhiều thành công trong công việc

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: “Tìm hiểu năng lượng tái tạo và các

thuật toán theo dõi điểm công suất cực đại cho hệ thống năng lượng mặt trời” do

nhóm em tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của giảng viên là TS Trần Lê Nhật Hoàng.

Các số liệu và kết quả nêu trong đồ án là hoàn toàn đúng với thực tế, trung thực vàchưa được từng được ai công bố trong các bài Luận văn khác

Để hoàn thành đồ án này em chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mụctài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác Nếu pháthiện có sự sao chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Sinh viên thực hiện

ii

Nhận xét của người hướng dẫn

Nhận xét của người phản biện

Tóm tắt

Nhiệm vụ đồ án

Lời nói đầu i

Lời cam đoan ii

Mục lục iii

Danh sách hình ảnh vi

Danh sách các xi

Danh sách các ký hiệu, chữ viết tắt xii

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VÀ KHÁI QUÁT VỀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO……… 1

1.1 Lý do chọn đề tài 1

1.2 Khái quát về các nguồn năng lượng tái tạo 2

1.2.1 Khái niệm……… 2

1.3 MỘT SỐ DẠNG NĂNG LƯỢNG NHƯ: 3

1.4 Năng lượng gió 3

1.5 Năng lượng thủy điện 4

1.6 Năng lượng địa nhiệt 4

1.7 Năng lượng sinh học 5

1.8 Một số dạng năng lượng khác như: năng lượng thủy triều, nhiên liệu hydrogen và pin nhiên liệu hydro, 6

1.9 Năng lượng mặt trời 6

1.9.1 Khái niệm……… 6

1.9.2 Ưu điểm:……… 7

1.9.3 Nhược điểm:……… 8

1.10 Tiềm năng năng lượng điện mặt trời ở Việt Nam 8

1.11 Phân biệt năng lượng tái tạo và năng lượng không tái tạo 11

1.11.1 Giống nhau:………11

1.11.2 Khác nhau:……… 11

1.12 Ưu, nhược điểm của năng lượng tái tạo 11

1.12.1 Ưu điểm:……… 11

1.12.2 Nhược điểm:……… 11

1.13 Sự cần thiết phát triển năng lượng tái tạo 12

1.14 Sự phát triển năng lượng tái tạo trên thế giới 12

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI 16

2.1 Giới thiệu 16

2.2 Mô hình đơn giản của PV được mô tả như sau 17

2.3 Sơ đồ thay thế đơn giản của PV Sơ đồ thay thế đơn giản của PV được biểu diễn như sau 18

2.4 Module PV 19

2.5 Mảng PV 20

2.5.1 Nối nối tiếp nhiều module PV……… 20

2.5.2 Nối song song nhiều module PV……… 21

2.5.3 Nối hỗn hợp nhiều module PV……….21

2.6 Hệ thống PV độc lập 22

2.7 Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng 22

2.8 Ảnh hưởng của nhiệt độ 23

2.9 BỘ CHUYỂN ĐỔI DC-DC BOOST CONVERTER 24

2.9.1 Trường hợp 1: khi van đóng cắt Q dẫn và diode D không dẫn……… 25

2.9.2 Trường hợp 2: Khi van Q không dẫn và diode D dẫn……… 26

Cấu trúc bộ điều khiển 28

2.10 Yêu cầu thiết kế 29

2.11 Tính toán lựa chọn tham số cơ bản của bộ boots 29

CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CỦA PIN MẶT TRỜI 31

iv

3.2 Thuật toán P&O (Perturbation and Observation) 32

3.3 Thuật toán điện dẫn gia tăng InC (Incremental Conductance) 35

CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH VÀ KẾT QUẢ CỦA CÁC PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CỦA MỘT HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI 37

4.1 Mô hình mô phỏng điều khiển bám điểm công suất cực đại của một hệ thống pin mặt trời 37

4.2 Mô hình pin mặt trời được xây dựng trong Matlab/Simulink 37

4.3 Mô hình mô phỏng điều khiển bám điểm công suất cực đại của một hệ thống pin mặt trời xét đến sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến cống suất của mô hình 39

4.3.1 Sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến kết quả công suất của mô hình………

4.3.2 KẾT LUẬN:……… 41

4.4 Mô phỏng điều khiển bám điểm công suất cực đại của một hệ thống pin mặt trời bằng thuật toán P&O 41

4.5 Mô phỏng điều khiển bám điểm công suất cực đại của một hệ pin mặt trời với từng bức xạ khác nhau bằng thuật toán P&O 41

4.5.1 Khi bức xạ là 1000W/m2-25oC……… 41

4.5.2 Khi bức xạ là 800W/m2-25oC……… 43

4.5.3 Khi bức xạ là 600W/m2-25oC……… 44

4.5.4 Mô phỏng điều khiển bám điểm công suất cực đại của trường hợp biến đổi bức xạ bằng thuật toán INC……… 46

4.5 Để thấy được sự thay đổi của bức xạ ảnh hưởng đến chỉ số của mô hình mô phỏng ta sẽ cho biến đổi bức xạ trên cùng 1 chu kì để thấy rõ hơn sự ảnh hưởng……… 46

4.6 SO SÁNH VÀ NHẬN XÉT 47

4.7 Mô phỏng điều khiển bám điểm công suất cực đại của một hệ pin mặt trời bằng thuận toán InC 48

4.7.1 Mô phỏng điều khiển bám điểm công suất cực đại của một hệ pin mặt trời với từng bức xạ khác nhau……… 48

4.7.2 Khi bức xạ là 1000W/m2-25oC……… 48

4.7.3 Khi bức xạ là 800W/m2-25oC……… 49

4.7.4 Khi bức xạ là 600W/m2-25oC……… 50

4.8 Mô phỏng điều khiển bám điểm công suất cực đại của trường hợp biến đổi bức xạ bằng thuật toán INC 51

4.9 SO SÁNH VÀ NHẬN XÉT 52

4.10 SO SÁNH GIỮA 2 PHƯƠNG PHÁP GIẢI THUẬT P&O VÀ INC 53

4.11 So sánh điện áp đầu ra của 2 phương pháp sau khi được xử lý qua bộ Inverter để thấy rõ hơn chất lượng điện năng của từng phương pháp 55

4.12 KẾT LUẬN: 56

CHƯƠNG 5: MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP THUẬT TOÁN KHÁC 57

5.1 Phương pháp thuật toán chế độ trượt SMC (Sliding Mode Control) 57

5.1.1 Dưới đây là mô hình mô phỏng của phương pháp giải thuật SMC………… 59

5.1.2 Các khối của mô hình:……… 59

5.2 Kết quả đạt được của mô hình: 61

5.3 Kết luận: 62

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN TRONG TƯƠNG LAI CỦA MÔ HÌNH 63

6.1 Kết luận 63

6.2 Hướng phát triển của đề tài 63

vi

Hình 1 1 Năng lượng gió 3

Hình 1 2 Năng lượng thủy điện 4

Hình 1 3 Năng lượng địa nhiệt 5

Hình 1 4 Năng lượng sinh học 5

Hình 1 5 Năng lượng mặt trời 7

Hình 1 6 Biểu đồ thể hiện tình phát triển điện năng lượng mặt trời của Việt Nam qua các năm 10

Hình 1 7 Biểu đồ phát phiển nguông năng lượng tái tạo trên toàn thế giới 13

Y Hình 2 1 Phổ năng lượng mặt trời 16

Hình 2 2 Nguyên tắc chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện của PV 17

Hình 2 3 Mô hình đơn giản của PV 17

Hình 2 4 Sơ đồ thay thế đơn giản của PV 18

Hình 2 5 Các tham số quan trọng của PV: dòng điện ngắn mạch, Isc và điện áp hở mạch, Voc 18

Hình 2 6 Module PV 19

Hình 2 7 Đặc tính của module PV 20

Hình 2 8 Các module PV được kết hợp nối tiếp với nhau 20

Hình 2 9 Các module PV được kết hợp song song với nhau 21

Hình 2 10 Các module PV được kết hợp hỗn hợp với nhau 22

Hình 2 11 Hệ thống PV độc lập 22

Hình 2 12 Đặc tính I – V và P – V khi cường độ chiếu sáng thay đổi 23

Hình 2 13 Đặc tính I – V và P – V của pin mặt trời khi nhiệt độ thay đổi từ 250C÷750C 23

Hình 2 14 Cấu trúc mạch lực bộ biến đổi boost 25

Hình 2 15 Mạch tương đương khi Q đóng 25

Hình 2 16 Dạng sóng điện áp và dòng điện trên cuộn dây L khi Q đóng 26

Hình 2 17 Mạch tương đương khi Q mở 27

Hình 2 18 Dạng sóng điện áp và dòng điện trên L khi Q mở 27

Hình 2 19 Cấu trúc điều khiển dòng cho bộ biến đổi Boost 29

Hình 3 1 Quan hệ điện áp và dòng điện của PV 31

Hình 3 2 Thuật toán P&O khi tìm điểm làm việc có công suất lớn nhất 32

Hình 3 3 Lưu đồ thuật toán P&O 33

Hình 3 4 Sự thay đổi điểm MPP theo gia tăng bức xạ 34

Hình 3 5 Thuật toán InC 35

Hình 3 6 Lưu đồ thuật toán InC 36

Hình 4 1 Tổng quan về mô hình mô phỏng điều khiển bám điểm công suất cực đại của một hệ thống pin mặt trời 37

Hình 4 2 Khối mô hình tấm pin năng lượng mặt trời 37

Hình 4 3 Thông số kỹ thuật của tấm pin 1Soltech 1STH-215-P 38

Hình 4 4 Khối giải thuật toán tìm và bám góc D cho thuật toán P&O 39

Hình 4 5 Khối tạo xung 39

Hình 4 6 Khi nhiệt độ thay đổi 40

Hình 4 7 Dòng điện dưới sự thay đổi của nhiệt độ 40

Hình 4 8 Điện áp dưới sự thay đổi của nhiệt độ 40

Hình 4 9 Khi nhiệt độ thay đổi 40

Hình 4 10 Dòng điện dưới sự thay đổi của nhiệt độ 40

Hình 4 11 Điện áp dưới sự thay đổi của nhiệt độ 40

Hình 4 12 Công suất của mạch thay đổi dưới sự thay đổi của nhiệt độ 40

Hình 4 13 Công suất của mạch thay đổi dưới sự thay đổi của nhiệt độ 40

Hình 4 14 Bức xạ mặt trời là 1000W/m2-25oC 41

Hình 4 15 Dòng điện của mô hình mô phỏng sau bộ boots với 1000W/m2- 25oC .41 Hình 4 16 Điện áp của mô hình mô phỏng sau bộ boots với 1000W/m2- 25oC 42

Hình 4 17 Công suất sau bộ boots với 1000W/m2- 25oC 42

Hình 4 18 Bức xạ mặt trời là 800W/m2-25oC 43

Hình 4 19 Dòng điện sau bộ boots với 800W/m2- 25oC 43

Hình 4 20 Điện áp sau bộ boots với 800W/m2- 25oC 43

Hình 4 21 Công suất sau bộ boots với 800W/m2- 25oC 44

Hình 4 22 Bức xạ mặt trời là 600W/m2-25oC 44

Hình 4 23 Dòng điện sau bộ boots với 600W/m2- 25oC 44

Hình 4 24 Điện áp sau bộ boots với 600W/m2- 25oC 45

Hình 4 25 Công suất sau bộ boots với 600W/m2- 25oC 45

Hình 4 26 Bức xạ biến đổi trên cùng 1 chu kỳ 46

Hình 4 27 Dòng điện sau bộ boots với 1000-600-1000-800W/m2- 25oC 46

Hình 4 28 Điện áp g sau bộ boots với 1000-600-1000-800W/m2- 25oC 46

viii

Hình 4 30 Bức xạ mặt trời là 1000W/m-25 C 48

Hình 4 31 Dòng điện sau bộ boots với 1000W/m2- 25oC 48

Hình 4 32 Điện áp sau bộ boots với 1000W/m2- 25oC 48

Hình 4 33 Dòng điện sau bộ boots với 1000W/m2- 25oC 49

Hình 4 34 Bức xạ mặt trời là 800W/m2-25oC 49

Hình 4 35 Dòng điện sau bộ boots với 800W/m2- 25oC 49

Hình 4 36 Điện áp sau bộ boots với 800W/m2- 25oC 49

Hình 4 37 Công suất sau bộ boots với 800W/m2- 25oC 50

Hình 4 38 Bức xạ mặt trời là 600W/m2-25oC 50

Hình 4 39 Dòng điện sau bộ boots với 600W/m2- 25oC 50

Hình 4 40 Điện áp sau bộ boots với 600W/m2- 25oC 50

Hình 4 41 Công suất sau bộ boots với 600W/m2- 25oC 51

Hình 4 42 Bức xạ biến đổi trên cùng 1 chu kỳ 51

Hình 4 43Dòng điện sau bộ boots với 1000-600-1000-800W/m2- 25oC 51

Hình 4 44 Điện áp sau bộ boots với 1000-600-1000-800W/m2- 25oC 51

Hình 4 45 Công suất sau bộ boots với 1000-600-1000-800W/m2- 25oC 52

Hình 4 46 Bức xạ biến đổi trên cùng 1 chu kỳ 53

Hình 4 47 Bức xạ biến đổi trên cùng 1 chu kỳ 53

Hình 4 48 Nhiệt độ là 25oC trên cả chu kì 53

Hình 4 49 Nhiệt độ là 25oC trên cả chu kì 53

Hình 4 50 Dòng điện sau khi đi qua bộ boots với bức xạ là 1000-600-1000-800W/ m2- 25oC 54

Hình 4 51 Dòng điện sau khi đi qua bộ boots với bức xạ là 1000-600-1000-800W/ m2- 25oC 54

Hình 4 52 Điện áp sau khi đi qua bộ boots với bức xạ là 1000-600-1000-800W/m2 -25oC 54

Hình 4 53 Điện áp sau khi đi qua bộ boots với bức xạ là 1000-600-1000-800W/m2 -25oC 54

Hình 4 54 Công suất sau khi đi qua bộ boots với bức xạ là 1000-600-1000-1000W/ m2- 25oC 54

Hình 4 55 Công suất sau khi đi qua bộ boots với bức xạ là 1000-600-1000-800W/ m2- 25oC 54

Hình 4 56 Bộ INVERTER 55 Hình 4 57 Tổng quan về mô hình mô phỏng điều khiển bám điểm công suất cực đại

có sử dụng bộ inverter của một hệ thống pin mặt trời 55

Hình 4 58 Bức xạ biến đổi trên cùng 1 chu kỳ 55

Hình 4 59 Điện áp sau khi qua bộ inverter với thông số 1000-600-1000-800W/m2 -25oC 56

Hình 4 60 Điện áp sau khi qua bộ inverter với thông số 1000-600-1000-800W/m2 -25oC 56

Hình 5 1 Sơ đồ mạch tương đương SMC 59

Hình 5 2 Mô hình PV với SMC 59

Hình 5 3 Mô hình mô phỏng thuật toán SMC 59

Hình 5 4 Khối tấm pin NLMT 60

Hình 5 5 Khối bộ boost và đưa kết quả ra dạng sóng 60

Hình 5 6 Khối tính công suất sau tấm pin 60

Hình 5 7 Khối scope đưa tín hiệu đầu ra sau tấm pin 60

Hình 5 8 Khối tính toán hàm trượt của mô hình 60

Hình 5 9 Các mức biến đổi của bức xạ trên cùng 1 chu kỳ 61

Hình 5 10 Dòng điện sau khi đi qua bộ boots với thông số 600-800-1000W/m2 -25oC 61

Hình 5 11 Điện áp sau khi đi qua bộ boots với thông số 600-800-1000W/m2-25oC61 Hình 5 12 Công suất sau khi đi qua bộ boots với thông số 600-800-1000W/m2-25oC 61

x

Bảng 3 1 Bảng tóm tắt giải thuật P&O 32Y

Bảng 4 1 Thông số của pin mặt trời 1Soltech 1STH-215-P 38

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

MPPT Maximum Power Point Tracking Bám công suất cực đại

P&O Purturb and Observer Nhiễu loạn và quan sát

INC Incremental Conductance Điện dẫn gia tăng

CSP Cocentrated Solar Power Công nghệ điện mặt trời hội tụPWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung

xii

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VÀ KHÁI QUÁT VỀ NĂNG LƯỢNG

TÁI TẠO1.1 Lý do chọn đề tài:

Vấn đề khủng hoảng năng lượng điện đã và đang được các quốc trên thế giới,trong đó có Việt Nam đặc biệt quan tâm Để giải quyết vấn đề này, đã có rất nhiều các

đề xuất của việc sử dụng các dạng năng lượng khác nhau để tạo ra năng lượng điện.Một trong số đó có năng lượng mặt trời

Mặt trời là một khối cầu lửa khổng lồ, tại đó những phản ứng nhiệt hạch xảy raliên tục và phát ra nguồn năng lượng dường như vô tận Những phản ứng nhiệt hạchtrên mặt trời đã và đang diễn ra hàng triệu triệu năm mà chưa ai dự đoán được thờiđiểm kết thúc của nó Quả cầu lửa mặt trời khổng lồ này mới chỉ truyền một phần nănglượng nhỏ bé của nó xuống trái đất với khoảng cách hàng triệu km Năng lượng mặttrời đã mang lại sự sống cho trái đất và cũng có thể thiêu rụi cả trái đất nếu trái đấtkhông có tầng ô zôn và khí quyển bảo vệ [1]

Có thể nhận thấy rằng, năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng sạch khônggiống như bất kỳ một nguồn năng lượng nào khác mà chúng ta đang khai thác trên tráiđất Chẳng hạn như thủy điện có thể gây đột biến dòng chảy của sông và làm mất cânbằng sinh thái ở khu vực hạ lưu dòng sông đó; nhiệt điện gây bụi và ô nhiễm môitrường bằng khí COx và NOx; còn điện hạt nhân có khả năng gây nhiều nguy cơ kinhkhủng hơn nữa Nếu có thể tận dụng được nguồn năng lượng mặt trời để phục vụ đờisống và phát triển đất nước là một công việc rất có ích và có thể bảo vệ được môitrường sinh thái

Một trong các ứng dụng chính ở tầm vĩ mô của nguồn năng lượng mặt trời là bàitoán sản xuất năng lượng điện thông qua hệ thống pin quang điện (Photovoltaic cell,PV) Các ứng dụng này có thể độc lập trong các hộ gia đình, phục vụ chiếu sáng côngcộng, phương tiện di chuyển, quân sự và các ứng dụng không gian hoặc là một hệthống điện năng lượng mặt trời sử dụng PV được kết nối với lưới điện quốc gia Trongcác hệ thống PV này đang tồn tại hai vấn đề lớn:

- Hiệu suất chuyển đổi của năng lượng mặt trời thành năng lượng điện là rất thấp(9 ÷ 17%), đặc biệt là trong các điều kiện bức xạ thấp [1]

- Năng lượng điện được tạo ra bởi PV thay đổi liên tục dưới các điều kiện thờitiết khác nhau

Mặt khác, đặc tính V–I của PV là phi tuyến và cũng sẽ thay đổi dưới các điều kiệnnhiệt độ và bức xạ khác nhau Trên các đặc tuyến V–I hoặc V–P, tồn tại một điểm làmviệc duy nhất mà được gọi là điểm công suất cực đại (Maximum Power Point, MPP)

TÌM HIỂU NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO VÀ CÁC THUẬT TOÁN THEO DÕI ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI

CHO HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Vị trí của các MPP là không xác định trước được, nhưng có thể xác định được thôngqua các mô hình tính toán hoặc các thuật toán tìm kiếm trong quá trình vận hành Khicác MPP đã được xác định, các kỹ thuật bám MPP sẽ được sử dụng để duy trì điểmlàm việc của các PV luôn luôn là tại MPP

Bên cạnh đó, việc kết nối lưới hệ thống điện năng lượng mặt trời cũng là mộttrong các giải pháp được xem xét cho bài toán lưu trữ năng lượng điện mặt trời màđang phải gánh chịu các chỉ trích mạnh mẽ liên quan đến ô nhiễm môi trường khi conngười sử dụng các phương án lưu trữ thông qua ắc-quy

Với các phân tích trên cho thấy rằng hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trờithành năng lượng điện của hệ PV là hoàn toàn có thể được tối ưu, nhằm nâng cao hiệuquả khai thác Điều này cũng có nghĩa là sẽ giảm bớt gánh nặng cho các nguồn nănglượng điện truyền thống như thủy điện hay nhiệt điện

Ngoài ra, việc lưu trữ nguồn năng lượng điện từ các nguồn năng lượng tái tạo, cụthể là năng lượng mặt trời cũng là một bài toán khó Giải pháp kết nối hệ thống điệnnăng lượng mặt trời với lưới điện quốc gia là một trong các giải pháp được đánh giáhiệu quả cao

Chính vì các lý do trên, đề tài “Tìm hiểu năng lượng tái tạo và các thuật toán theodõi điểm công suất cực đại cho hệ thống năng lượng mặt trời” được lựa chọn và thựchiện trong luận văn này Nguồn điện đang gánh chịu các áp lực nặng nề của sự cạn kiệtcác nguồn nhiên liệu sơ cấp truyền thống (nước, nhiên liệu hóa thạch, ) [2]

Để giảm bớt các gánh nặng này, cũng như nâng cao hiệu quả khai thác của cácnguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời, đề tài nghiên cứu tìm hiểucác thuật toán bám điểm công suất cực đại của một hệ thống điện năng lượng mặt trời

là thật sự cần thiết để được nghiên cứu và triển khai

1.2 Khái quát về các nguồn năng lượng tái tạo:

1.2.1 Khái niệm:

Năng lượng tái tạo hay năng lượng tái sinh là năng lượng từ những nguồn liêntục, vô hạn như năng lượng mặt trời, gió, mưa, thủy triều, sóng và địa nhiệt Nguyêntắc cơ bản của việc sử dụng năng lượng tái sinh là tách một phần năng lượng từ cácquy trình diễn biến liên tục trong môi trường và đưa vào trong các sử dụng kỹ thuật.Các quy trình này thường được thúc đẩy đặc biệt là từ mặt trời Năng lượng tái tạothay thế những nguồn năng lượng truyền thống trong 4 lĩnh vực gồm: Phát điện, đunnước nóng, nhiên liệu động cơ, và hệ thống điện độc lập nông thôn

SVTH: Phan Nguyễn Thanh Thiên GVHD: TS Trần Lê Nhật Hoàng 2

Huỳnh Thái Việt

Nguyễn Văn Thành

Trong cách nói thông thường, năng lượng tái tạo được hiểu là những nguồn nănglượng hay những phương pháp khai thác năng lượng mà nếu đo bằng các chuẩn mựccủa con người thì là vô hạn Vô hạn có 2 nghĩa: Hoặc là năng lượng tồn tại nhiều đếnmức mà không thể trở thành cạn kiệt vì sự sử dụng của con người (Ví dụ như nănglượng mặt trời) hoặc là năng lượng tự tái tạo trong thời gian ngắn và liên tục (Ví dụnhư năng lượng sinh khối) trong các quy trình còn diễn tiến trong một thời gian dàitrên Trái Đất [2]

Theo ý nghĩa về vật lý, năng lượng không được tái tạo mà trước tiên là do MặtTrời mang lại và được biến đổi thành các dạng năng lượng hay các vật mang nănglượng khác nhau Tùy theo trường hợp mà năng lượng này được sử dụng ngay tứckhắc hay được tạm thời dự trữ

1.3 MỘT SỐ DẠNG NĂNG LƯỢNG NHƯ:

1.4 Năng lượng gió:

Đây là thiết bị giúp tạo ra một lượng tương đối lớn nhờ vào sức gió thổi Khi tốc

độ gió tăng, sản lượng điện cũng tăng lên đạt công suất tối đa cho tuabin Các tuabingió thường có quy mô lớn với công suất từ khoảng 600 KW đến 9 MW [1]

Hình 1 1: Năng lượng gió

TÌM HIỂU NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO VÀ CÁC THUẬT TOÁN THEO DÕI ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI

CHO HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

1.5 Năng lượng thủy điện:

Thủy điện là nguồn năng lượng sạch hoàn toàn đang được ứng dụng nhiều ở hầuhết các quốc gia Thủy điện hoạt động dựa vào sức nước trong các dòng nước có tốc

độ nhanh để thiết lập tuabin máy phát điện

Hiện nay, hầu hết các quốc gia trên thế giới đều xây dựng hệ thống các nhà máy thủyđiện, đập thủy điện Tuy nhiên, những công trình này không được xem là năng lượngtái tạo Lý do là vì thủy điện cũng như các con đập này làm giảm dòng chảy tự nhiên

và chuyển hướng dòng chảy Bên cạnh đó, thủy điện và đập thủy điện còn tác độngđến con người cũng như quần thể sinh vật sinh sống trong khu vực đó Các nhà máythủy điện nhỏ sẽ được quản lý cẩn thận hơn để không gây ra các tác động đến môitrường [1]

Hình 1 2: Năng lượng thủy điện

1.6 Năng lượng địa nhiệt:

Năng lượng địa nhiệt của Trái Đất sinh ra từ sự hình thành của ban đầu hành tinh

và sự phân rã phóng xạ của khoáng chất

Ở một số khu vực có độ dốc địa nhiệt đủ cao sẽ khai thác được và tạo ra điện.Tuy nhiên, công nghệ để khai thác năng lượng địa nhiệt vẫn bị giới hạn ở một vài nơi.Ngoài ra, vấn đề kỹ thuật cũng làm hạn chế tiện ích của loại năng lượng này [1]

SVTH: Phan Nguyễn Thanh Thiên GVHD: TS Trần Lê Nhật Hoàng 4

Huỳnh Thái Việt

Nguyễn Văn Thành

Hình 1 3: Năng lượng địa nhiệt

1.7 Năng lượng sinh học:

Năng lượng sinh học (Hay còn gọi là năng lượng sinh khối) có nguồn gốc từđộng vật, cây trồng Nguồn năng lượng tái tạo này có thể được sử dụng trực tiếp hoặcgián tiếp nhờ vào quá trình đốt cháy để tạo ra nhiệt

Gần đây, các nhà khoa học chỉ ra rằng đốt sinh khối có nguồn gốc từ thực vật tạo

ra lượng khí CO2 cao, gây nên những ảnh hưởng tiêu cực đối với môi trường Vì vậy,sinh khối đang dần không được coi là một nguồn năng lượng sạch hoàn toàn [1]

Hình 1 4: Năng lượng sinh học

TÌM HIỂU NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO VÀ CÁC THUẬT TOÁN THEO DÕI ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI

CHO HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

1.8 Một số dạng năng lượng khác như: Năng lượng thủy triều, nhiên liệu

hydrogen và pin nhiên liệu hydro, :

Việc sử dụng khái niệm “tái tạo” theo cách nói thông thường là dùng để chỉ đếncác chu kỳ tái tạo mà đối với con người là ngắn đi rất nhiều (Ví dụ như khí sinh học sovới năng lượng hóa thạch) Trong cảm giác về thời gian 4 của con người thì Mặt Trời

sẽ còn là nguồn cung cấp năng lượng trong một thời gian gần như là vô tận Mặt Trờicũng là nguồn cũng cấp năng lượng liên tục cho nhiều quy trình diễn tiến trong bầusinh quyển Trái Đất Những quy trình này có thể cung cấp năng lượng cho con người

và cũng mang lại những cái gọi là nguyên liệu tái tăng trưởng Luồng gió thổi, dòngnước chảy và nhiệt lượng của Mặt Trời đã được con người sử dụng trong quá khứ.Quan trọng nhất trong thời đại công nghiệp là sức nước nhìn theo phương diện sửdụng kỹ thuật và theo phương diện phí tổn sinh thái [1]

Ngược lại với việc sử dụng những quy trình này là việc khai thác các nguồn nănglượng như than đá hay dầu mỏ, những nguồn năng lượng mà ngay nay được tiêu dùngnhanh hơn là được tạo ra rất nhiều Theo ý nghĩa của định nghĩa tồn tại “vô tận” thìphản ứng tổng hợp hạt nhân (Phản ứng nhiệt hạch) khi có thể thực hiện trên bình diện

kỹ thuật, và phản ứng phân rã hạt nhân (Phản ứng phân hạch) với các lò phản ứng táisinh (Breeder reactor), khi năng lượng hao tốn lúc khai thác uranium hay thorium cóthể được giữ ở mức thấp, đều là những nguồn năng lượng tái tạo mặc dù là thường thìchúng không được tính vào loại năng lượng này [1]

1.9 Năng lượng mặt trời:

1.9.1 Khái niệm:

Năng lượng mặt trời là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ mặt trờicộng với một phần nhỏ năng lượng từ các hạt nguyên tử khác phóng ra từ mặt trời.Đây là một dạng năng lượng mà mặt trời cung cấp cho chúng ta từ ngàn xưa Nhờ ánhsáng của mặt trời mà chúng ta có thể nhìn thấy vạn vật cũng như nhờ sức nóng mà conngười bao đời qua có thể phơi khô quần áo, phơi lúa, trồng cây… Cho đến gần đây,sức nóng mặt trời được chú trọng trong việc ứng dụng vào việc chuyển hóa sang nhiệtnăng, điện năng phục vụ nhu cầu của cuộc sống Sức nóng của ánh nắng mặt trời đượctập trung lại bằng những thiết bị đặc biệt để đun nóng nước sử dụng trong gia đình haytạo ra hơi nước để sản xuất điện cho tiêu dùng [1]

SVTH: Phan Nguyễn Thanh Thiên GVHD: TS Trần Lê Nhật Hoàng 6

Huỳnh Thái Việt

Nguyễn Văn Thành

Hình 1 5: Năng lượng mặt trời

1.9.2 Ưu điểm:

• Nguồn năng lượng có khả năng tái tạo: Pin mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo,không giống như các nhiên liệu hóa thạch như than, dầu mỏ, khí đốt là những nguồnnhiên liệu không thể phục hồi Mặt khác, năng lượng mặt trời không tốn công tìmkiếm, thăm dò và khai thác như các nguồn năng lượng khác

• Tài nguyên năng lượng dồi dào, nguồn cung năng lượng vô tận: Năng lượngmặt trời đem đến tiềm năng khai thác cực lớn Hàng ngày, ánh sáng mặt trời đem đếntrái đất nguồn năng lượng hơn 100.000 Terawatts, mà chúng ta chưa khai thác hiệuquả được Nguồn năng lượng được cho miễn phí này cao gấp 20.000 lần so với nhucầu của cả nhân loại Nguồn năng lượng mặt trời gần như là vĩnh cửu, với phát triểncủa công nghệ, khả năng khai thác tối đa nguồn năng lượng này là rất khả thi Dần trởthành nguồn năng lượng chính cho nhu cần ngày một cao của nhân loại

• Năng lượng mặt trời là khả dụng trên toàn thế giới: Những nơi nào ánh sángmặt trời chiếu đến đều có khả năng khai thác Dù là ở vùng đầy nắng gió như Châu Phihay vùng xa xích đạo như Nga đều có thể tận dụng khái thác nguồn điện mặt trời

• Năng lượng mặt trời sạch về sinh thái, không gây ô nhiễm: Để đảm bảo cho nhucầu tiêu thụ năng lượng, điện năng cho các hoạt động của con người Mặt khác phảiđảm bảo hạn chế đến mức thấp nhất tình trạng gây ô nhiễm không khí, môi trườngsống, biến đổi hệ sinh thái, hiệu ứng nhà kính Thì năng lượng mặt trời là ứng cử viênsáng giá cho nguồn cung cấp năng lượng thay thế cho các nguồn năng lượng từ khai

TÌM HIỂU NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO VÀ CÁC THUẬT TOÁN THEO DÕI ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI

CHO HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

thác hóa thạch Việc chọn địa điểm triển khai lắp đặt, vận hành và khai thác các nhàmáy sản xuất năng lượng mặt trời không gây ra ô nhiễm mỗi trường qua rác thải, khí

xả độc hại Đồng thời cũng không gây ô nhiễm về tiếng ồn do các động cơ phát điệngây ra

• Điện năng lăng lượng mặt trời đem lại hiệu quả cao, chi phí vận hành thấp,công nghệ hiện đại: Khi sử dụng pin năng lượng mặt trời sẽ giảm chi phí tiền điện.Mặt khác, nếu là hệ thống công suất lớn thì khả năng dư dả về điện năng và bán lại chonhà cung cấp điện lưới là hoàn toàn khả thi Với chi phí hoạt động vận hành thấp vàthời gian bảo hành của những tấm pin năng lượng mặt trời là rất lâu Nên khả năng thuhồi vốn nhanh cũng là một điểm đáng cân nhắc

1.9.3 Nhược điểm:

• Chi phí đầu tư cho một hệ thống năng lượng mặt trời khá cao Là công nghệmới, khai thác nguồn năng lượng sẵn có cho nên chi phí đầu tư cho hệ thống ban đầukhá đắt Chính xác là chi phí cho các thiết bị như tấm pin năng lượng mặt trời, acquylưu trữ điện năng hiện có giá khá cao, do nguồn nhiên liệu sản xuất đắt đỏ và côngnghệ sản xuất chưa phổ biến tại địa phương

• Chưa thể là nguồn năng lượng ổn định Cho dù là nguồn năng lượng vô tận,nhưng thực tế khả năng khai thác năng lượng mặt trời là không cao cho đến thời điểmhiện tại Do một mặt là về công nghệ, mặt khác là do thiên nhiên như mưa giông,bão

1.10 Tiềm năng năng lượng điện mặt trời ở Việt Nam:

Những năm gần đây, điện mặt trời đã phát triển mạnh ở Việt Nam, đóng gópquan trọng vào việc đảm bảo an ninh năng lượng và mục tiêu giảm phát thải khí nhàkính

Tính đến cuối năm 2014 đầu năm 2015, tổng công suất lắp đặt điện mặt trờitrong cả nước đạt xấp xỉ 4,5 MWp, trong đó khoảng 20% tổng công suất (Tươngđương với 900 kWp) được đấu nối vào lưới điện Các trạm điện mặt trời nối lưới này

có công suất trung bình khoảng 50 kWp và thuộc sở hữu của một số tổ chức và doanhnghiệp lớn, như Intel Corporation, Big C (Hà Nội)… Năm 2018, điện mặt trời của ViệtNam ghi nhận mức tăng trưởng đáng kể, nhưng con số này vẫn còn quá nhỏ so với một

số quốc gia có tiềm năng tương tự như: Mỹ, Ý, Philippines, thậm chí còn thấp hơnMalaysia, Thái Lan Cụ thể, tổng công suất điện mặt trời Việt Nam năm 2018 chỉ là

106 MWp, chưa bằng 1% so với Ý và chỉ bằng khoảng 4% của Thái Lan [3]

SVTH: Phan Nguyễn Thanh Thiên GVHD: TS Trần Lê Nhật Hoàng 8

Huỳnh Thái Việt

Nguyễn Văn Thành

Năm 2019, tổng công suất điện mặt trời đã tăng lên khoảng 5 GWp, trong đó 4,5GWp là của các nhà máy điện mặt trời nối lưới và gần 0,4 GWp của hệ thống điện mặttrời áp mái [2] Sự phát triển mạnh mẽ này là do các nhà đầu tư đã tăng tốc độ triểnkhai dự án để tận dụng các ưu đãi của Chính phủ theo Quyết định số 11/2017/QĐ-TTgngày 11/4/2017 về cơ chế khuyến khích phát triển các dự án điện mặt trời tại ViệtNam.

Tính đến hết năm 2020, nguồn điện mặt trời nối lưới đã được đưa vào vận hànhlên tới 9 GW (trong đó, 2 tỉnh Ninh Thuận và Bình Thuận gần 3,5 GW) Quy mô côngsuất của các dự án điện mặt trời đã được bổ sung quy hoạch là trên 13 GW (tổng quy

mô đăng ký xây dựng các dự án điện mặt trời nhưng chưa được bổ sung vào quy hoạch

là khoảng 50 GW) Theo Dự thảo quy hoạch điện VIII, dự kiến công suất lắp đặt điệnmặt trời sẽ tăng từ 17 GW (giai đoạn 2020-2025) lên khoảng 20 GW (năm 2030) Tỷtrọng điện mặt trời được kỳ vọng sẽ chiếm 17% (năm 2025), 14% (năm 2030) trong cơcấu các nguồn điện [3]

Hiện tại, Việt Nam mới chỉ có 9 nhà máy sản xuất tấm mô đun quang điện (PV),trong đó chỉ có hai công ty do Việt Nam làm chủ, đó là: IREX Solar (Vũng Tàu) vàCông ty CP Năng lượng Mặt Trời Đỏ (TP Hồ Chí Minh) [4] Các tấm pin năng lượngmặt trời nhập khẩu từ Mỹ, Đức, Nhật Bản, Hàn Quốc, Canada, Na Uy, Ấn Độ,Singapore, Trung Quốc [5] và do các doanh nghiệp FDI sản xuất chiếm ưu thế gần nhưtuyệt đối trên thị trường Việt Nam

Tại Việt Nam, công nghệ, kỹ thuật và khả năng phát triển dự án điện mặt trời cònđang phụ thuộc rất nhiều vào nước ngoài, dẫn đến việc triển khai điện mặt trời với quy

mô lớn còn gặp nhiều khó khăn, đặc biệt là về giá thành Điều này khiến điện mặt trờikhó có khả năng cạnh tranh với những nguồn điện truyền thống khác Ứng dụng quantrọng nhất của năng lượng mặt trời hiện nay và trong tương lai vẫn là sản xuất điệnnăng Hai loại công nghệ sản xuất điện mặt trời được phát triển rộng rãi là: Công nghệquang điện (SPV - Solar Photovoltaic) và công nghệ điện mặt trời hội tụ (CSP -Concentrated Solar Power) Công nghệ SPV phổ biến nhất hiện nay bao gồm: Pin mặttrời tinh thể (Chiếm khoảng 90% thị phần), còn lại là pin mặt trời màng mỏng (Thịphần khoảng 10%) Theo đánh giá của các nhà nghiên cứu quốc tế, giá thành của côngnghệ CSP sẽ còn cao trong tương lai, nên không có dự kiến đưa vào hoạt động nhàmáy quy mô lớn

TÌM HIỂU NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO VÀ CÁC THUẬT TOÁN THEO DÕI ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI

CHO HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Hình 1 6: Biểu đồ thể hiện tình phát triển điện năng lượng mặt trời của Việt

Nam qua các năm

SVTH: Phan Nguyễn Thanh Thiên GVHD: TS Trần Lê Nhật Hoàng 10

Huỳnh Thái Việt

Nguyễn Văn Thành

1.11 Phân biệt năng lượng tái tạo và năng lượng không tái tạo:

Được sử dụng ngày càng nhiều để thay thế năng lượng không tái tạo trong tươnglai, vậy 2 nguồn năng lượng này có sự giống và khác nhau là:

1.11.1 Giống nhau:

Đều sử dụng để cung cấp năng lượng phục vụ cho các nhu cầu của con người.Đều không tự biến thành năng lượng mà cần có một tác động nào đấy như dưới điềukiện nhiệt độ, áp suất,

1.11.2 Khác nhau:

- Năng lượng tái tạo: Có thể tái tạo được Khi chuyển thành năng lượng ít gâyhại cho môi trường Yêu cầu các dụng cụ khoa học kỹ thuật hiện đại để thu lấy nănglượng Chi phí sử dụng và đầu tư cơ sở vật chất sử dụng cao

- Năng lượng không tái tạo: Không tái tạo, sử dụng bao nhiêu hao mòn từng ấy.Trong quá trình biến đổi thành năng lượng có thể gây hại cho môi trường Chi phí sửdụng cơ sở vật chất vừa phải

1.12 Ưu, nhược điểm của năng lượng tái tạo:

1.12.1 Ưu điểm:

- Có thể tái tạo được

- Có thể sử dụng được tại nhiều địa hình, khu vực khác nhau

- Phong phú, đa dạng

- Nguồn cung bền vững và vô tận Ít gây hại cho môi trường

- Không gây tiếng ồn khi khai thác

- Công nghệ sử dụng tiên tiến

1.12.2 Nhược điểm:

- Chi phí sử dụng cao

- Không ổn định do điều kiện tự nhiên không ổn định

- Chi phí lưu trữ năng lượng cao

- Vẫn gây ô nhiễm môi trường dù rất ít

- Mật độ năng lượng thấp nên công suất trung bình thường thấp hơn so với cácnguyên liệu hóa thạch hay không tái tạo

TÌM HIỂU NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO VÀ CÁC THUẬT TOÁN THEO DÕI ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI

CHO HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

1.13 Sự cần thiết phát triển năng lượng tái tạo:

Trong quá trình phát triển, các quốc gia luôn đặt vấn đề an toàn năng lượng lênhàng đầu Cùng với sự phát triển kinh tế, đời sống nhân dân tăng cao nên nhu cầu sửdụng năng lượng càng tăng Nguồn năng lượng sử dụng chủ yếu ngày nay là dầu, than

đá, khí gas

Trong khi đó sự khai thác và sử dụng mạnh mẽ nên nguồn năng lượng hoá thạchquý giá (Không tái tạo) đang cạn dần, dẫn đến nguy cơ mất an ninh năng lượng ởnhiều quốc gia, khu vực và quốc tế Vì vậy, việc phát triển và khai thác năng lượng táitạo rất được các nước trên thế giới quan tâm phát triển

Năng lượng tái tạo có thể tạo ra nguồn điện ngoài lưới tại chỗ, rẻ tiền, góp phầnđảm bảo an ninh năng lượng Nếu được đầu tư phát triển nguồn năng lượng tái tạođúng hướng, nguồn năng lượng này có thể góp phần quan trọng vào giải quyết vấn đềnăng lượng, khai thác hợp lý tài nguyên thiên nhiên, bảo vệ môi trường góp phần đảmbảo sự phát triển kinh tế bền vững Vì vậy phát triển năng lượng tái tạo là hết sức cầnthiết [3]

1.14 Sự phát triển năng lượng tái tạo trên thế giới:

Hiện nay nhiều nước trên thế giới đang hối hả phát triển, ứng dụng nguồn nănglượng tái tạo, chẳng hạn như Trung Quốc, Đức và Nhật Bản Nguyên nhân chính lànăng lượng truyền thống (Than, dầu, khí ) sắp cạn kiệt, nguồn cung cấp biến động vềgiá cả, chịu ảnh hưởng của chính trị và việc sử dụng chúng làm phát thải khí nhà kính,gây hiệu ứng nóng lên toàn cầu Thế giới dường như đang đứng trước sự kết thúc củathời đại “vàng đen” giá rẻ Đã từ không chỉ một năm nay giá dầu mỏ trên thị trườngquốc tế không ngừng tăng với tốc độ phi mã, lập hết kỷ lục kinh hồn này đến kỷ lụckinh hồn khác Và không có dấu hiệu là tiến trình này sẽ sớm kết thúc Điều đó đangbuộc không ít quốc gia phải suy nghĩ tới những đề án tìm kiếm các nguồn năng lượngkhác [3]

SVTH: Phan Nguyễn Thanh Thiên GVHD: TS Trần Lê Nhật Hoàng 12

Huỳnh Thái Việt

Nguyễn Văn Thành

Hình 1 7: Biểu đồ phát phiển nguồn năng lượng tái tạo trên toàn thế giới

Tính trung bình, các nước muốn thoát khỏi sự lệ thuộc vào dầu mỏ, khí đốt vàthan đá dự tính tới năm 2010 sẽ nhận được từ 5% tới 30% lượng điện năng nhờ sửdụng thủy điện, năng lượng mặt trời, gió, các chất sinh học… Những quốc gia có kếhoạch giàu tham vọng nhất theo hướng này là Áo (Dự tính tới năm 2010 sẽ đáp ứngkhoảng 78% nhu cầu về nhiên liệu của mình nhờ các nguồn năng lượng tái tạo), ThụyĐiển (60%) và Latvia (49,3%) [2]

Nguồn “Điện xanh” dồi dào nhất hiện nay là gió Năm 2007 với tổng sản lượngđiện sản xuất từ gió trên thế giới đã tăng 28% so với năm 2006 và đạt mức 95 gigaoát.Lĩnh vực có tốc độ phát triển nhanh hơn cả là năng lượng mặt trời: Năm 2007, tỉ lệtăng trưởng của lĩnh vực này là 50% và đạt 7,7 gigaoát

Hiện nay, nguồn điện mặt trời cung cấp năng lượng cho chiếu sáng, sưởi ấm vàcác nhu cầu nhiêu liệu khác của khoảng 50 triệu căn nhà trên thế giới Năm 2007 đãsản xuất 53 tỉ lít nhiên liệu sinh học (Cồn và diezel sinh học), tăng 43% so với năm

2005 Năm 2007, các nhà đầu tư quan tâm hơn cả tới năng lượng gió và mặt trời: Hailĩnh vực này chiếm 47% và 30% tổng số tiền đầu tư Năm 2006, tại các nhà máy "nănglượng xanh" có tới hơn 2,4 triệu người làm việc [3]

Hiện nay, tại không dưới 60 quốc gia có các chương trình nhà nước nhằm giatăng sản xuất năng lượng tái tạo 48 quốc gia sử dụng chính sách cung cấp các ưu đãikhác nhau cho công nghiệp sản xuất “Năng lượng sạch”, tức là bằng cách đó khuyến

TÌM HIỂU NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO VÀ CÁC THUẬT TOÁN THEO DÕI ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI

CHO HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

khích sự từ chối nguồn năng lượng điện hạt nhân và hyđrôcácbon Những nước tiêuthụ và sản xuất chính yếu nguồn nhiên liệu sinh học sẽ vẫn là Hoa Kỳ, Liên minh châu

Âu và Brazil Dự đoán, etanol sẽ là thành phần chính tạo nên sự gia tăng sử dụngnhiên liệu sinh học vì chi phí sản xuất của nó sẽ ngày càng giảm nhanh hơn so với chiphí sản xuất diezel sinh học Nhu cầu ngày một tăng của lương thực là một yếu tố hạnchế sản xuất nhiên liệu sinh học [2]

Hiện nay, để sản xuất nhiên liệu sinh học trên thế giới đang sử dụng gần 14 triệu

ha hay 1% diện tích ruộng canh tác Sự phát triển năng lượng tái tạo ở Việt Nam Trongthời đại ngày nay khi mà nguồn tài nguyên năng lượng trên thế giới đang ngày càngcạn kiệt (Theo dự đoán của nhiều chuyên gia, trữ lượng dầu mỏ trên thế giới sẽ được

sử dụng hết vào năm 2050) thì việc tìm kiếm, phát triển các nguồn năng lượng tái tạo(NLTT) là rất quan trọng NLTT là năng lượng từ những nguồn liên tục mà theo chuẩnmực của con người là vô hạn

Các dạng NLTT rất đa dạng bao gồm là năng lượng mặt trời, địa nhiệt, nănglượng sinh ra khi sinh khối được ứng dụng cho nhiều lĩnh vực Việt Nam được đánhgiá có tiềm năng dồi dào về NLTT, nhưng việc phát hiện, khai thác và sử dụng NLTTđang còn là vấn đề mới được quan tâm, và tất nhiên chưa có vị trí xứng tầm với tiềmnăng của nó Việt Nam có nhiều tiềm năng về phát triển thủy điện, phong điện, điệnmặt trời, địa nhiệt… Do cấu trúc địa lý, Việt Nam là một trong số 14 nước trên thế giớiđứng đầu về tiềm năng thuỷ điện Sở hữu nguồn năng lượng gió tốt nhất khu vực ĐôngNam Á và 2.000- 2.500 giờ nắng mỗi năm tương đương gần 44 triệu tấn dầu quy đổi,nhưng lâu nay Việt Nam lại chưa khai thác hợp lý nguồn tài nguyên này Theo ViệnNăng lượng, Việt Nam có tiềm năng năng lượng gió khá lớn (1.800 MW), đường biểntrải dài khiến lưu lượng gió dồi dào [4]

Hiện tại, Công ty Fuhrlaender (Đức) đã hỗ trợ công nghệ cho Việt Nam, đưa 6 tổturbine gió công suất mỗi tổ 1,5 MW vào vận hành tại Bình Thuận và cung cấp điệnvào hệ thống điện quốc gia Về năng lượng mặt trời, nhiều nước trên thế giới đã rathác hiệu quả nhưng ở Việt Nam vẫn chưa tận dụng được hết nguồn năng lượng sạch

và tiết kiệm này [4]

Năng lượng mặt trời dùng để sản xuất điện ở Việt Nam chủ yếu là công nghệnguồn điện pin mặt trời được ứng dụng ở khu vực nông thôn, miền núi, vùng sâu, vùng

xa và hải đảo Ngoài phong điện, tiềm năng sinh khối trong phát triển năng lượng bềnvững ở Việt Nam cũng khá lớn Nguồn sinh khối chủ yếu ở Việt Nam là trấu, bã mía,

SVTH: Phan Nguyễn Thanh Thiên GVHD: TS Trần Lê Nhật Hoàng 14

Huỳnh Thái Việt

Nguyễn Văn Thành

sắn, ngô, phân động vật, rác sinh học đô thị và phụ phẩm nông nghiệp Trong đó, tiềmnăng sinh khối từ bã mía là 200-250 MW, trong khi trấu có tiềm năng tối đa là 100

MW Hiện cả nước có khoảng 43 nhà máy mía đường, trong đó 33 nhà máy sử dụng

hệ thống đồng phát nhiệt điện bằng bã mía với tổng công suất lắp đặt 130 MW Tháng12/2009, nước ta đã nhận được 250 triệu đôla từ Quỹ Công nghệ sạch (CTF) để thúcđẩy việc sử dụng năng lượng tái tạo (thủy điện, địa nhiệt, gió, mặt trời….) đạt mức 5%vào năm 2020 Các nguồn năng lượng mới và tái tạo này sẽ góp phần tiết kiệm 10%năng lượng tiêu thụ của quốc gia [4]

TÌM HIỂU NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO VÀ CÁC THUẬT TOÁN THEO DÕI ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI

CHO HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI

2.1 Giới thiệu:

Mặt trời bức xạ năng lượng tương ứng với một dãy bức xạ rất rộng Tuy nhiên,

có thể nhận ra rằng không phải bức xạ nào cũng có thể tạo ra hiện tượng quang điện.Thực tế, chỉ có những bức xạ với bước sóng,  có năng lượng lớn hơn mức năng lượngkích hoạt electron thì bức xạ ấy mới có khả năng tạo ra hiện tượng quang điện Hiệntượng ánh sáng, có bước sóng ngắn làm bật các electron ra khỏi mặt kim loại gọi làhiện tượng quang điện, các electron bị bật ra gọi là electron quang điện Phổ năng

lượng mặt trời tác động lên PV, hình 2.1 cho thấy rằng 20,2% năng lượng mặt trời tổn

hao không có tác dụng do có năng lượng thấp hơn mức năng lượng tối thiểu để kíchhoạt các electron ra khỏi trạng thái tĩnh của chúng (hv < Eg); 30,2% bị mất đi ở cácvùng năng lượng (hv > Eg) và chỉ có 49,6% năng lượng hữu ích có thể được thu bởi

PV [5]

Hình 2 1 Phổ năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời có thể được xem như là một trong các dạng quang năng mà

có thể được biến đổi thành điện năng Về cơ bản có 2 hình thức biến đổi:

- Quang năng được chuyển thành nhiệt năng và nhiệt năng được chuyển thành điệnnăng

SVTH: Phan Nguyễn Thanh Thiên GVHD: TS Trần Lê Nhật Hoàng 16

Huỳnh Thái Việt

Nguyễn Văn Thành

- Quang năng được trực tiếp chuyển thành điện năng Trong 2 hình thức phát điệntrên, có thể nhận ra rằng hình thức thứ 2 với quang năng được chuyển đổi trực tiếpthành 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 cácchất bán dẫn PV sử dụng chất bán dẫn để biến đổi ánh sáng thành điện năng Kỹ thuậtsản xuất PV rất giống với kỹ thuật sản xuất ra các linh kiện bán dẫn như diode,transistor, Nguyên liệu được sử dụng để sản xuất PV cũng giống như các linh kiệnbán dẫn khác, thông thường là tinh thể silicon,…

Hình 2 2: Nguyên tắc chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện của PV

2.2 Mô hình đơn giản của PV được mô tả như sau

Hình 2 3: Mô hình đơn giản của PV

TÌM HIỂU NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO VÀ CÁC THUẬT TOÁN THEO DÕI ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI

CHO HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

2.3 Sơ đồ thay thế đơn giản của PV Sơ đồ thay thế đơn giản của PV được biểu diễn như sau:

Hình 2 4: Sơ đồ thay thế đơn giản của PV

Trong PV, hai tham số quan trọng của nó là dòng điện ngắn mạch, Isc và điện áp

Isc: cường độ dòng điện ngắn mạch của PV

Voc: điện áp hở mạch của PV

I0: dòng điện ngược của diode, có giá trị rất nhỏ khoảng 10-12A/cm2

SVTH: Phan Nguyễn Thanh Thiên GVHD: TS Trần Lê Nhật Hoàng 18

Huỳnh Thái Việt

Nguyễn Văn Thành

q: điện tích electron, q = 1,602.10-19(C)

k: hằng số Boltzman, k = 1,381 x 10-23(J/K)

T: nhiệt độ tuyệt đối (K)

Trong điều kiện 250C, ta có:

Vd: điện áp của diode

Rs: giá trị điện trở nối tiếp