- Nghiên cứu vận hành tối ưu và kết nối lưới của một hệ thống điện năng lượng mặt trời sử dụng pin quang điện.. Một trong các ứng dụng chính từ nguồn năng lượng mặt trời là sản xuất năng
Gi ớ i thi ệ u
Khủng hoảng năng lượng điện đang thu hút sự quan tâm của thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng Để giải quyết vấn đề này, đã có nhiều đề xuất về việc sử dụng các nguồn năng lượng khác nhau để sản xuất điện, trong đó các dạng năng lượng tái tạo đóng vai trò then chốt Nổi bật trong số đó là năng lượng mặt trời, với sự phát triển của công nghệ và đầu tư hạ tầng đang mở ra nhiều cơ hội cung cấp nguồn điện sạch, bền vững Việc đa dạng nguồn cung điện từ năng lượng tái tạo không chỉ giúp giảm phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch mà còn thúc đẩy tăng trưởng kinh tế xanh ở Việt Nam.
Mặt trời là một khối cầu lửa khổng lồ, nơi các phản ứng nhiệt hạch diễn ra liên tục và phát ra nguồn năng lượng dồi dào như vô tận Những phản ứng nhiệt hạch trên mặt trời đã và đang diễn ra hàng triệu năm mà chưa ai có thể dự đoán được thời điểm kết thúc của nó Dù chỉ truyền một phần nhỏ năng lượng xuống Trái đất cách xa hàng triệu kilômét, chúng ta vẫn cảm nhận được sức nóng dữ dội lan tỏa ở nhiều vùng Năng lượng mặt trời mang lại sự sống cho Trái đất, và cũng có thể thiêu đốt hành tinh nếu tầng ozone và khí quyển bảo vệ bị mất đi.
Năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng sạch đặc biệt, khác biệt với các nguồn đang được khai thác trên Trái Đất như thủy điện, nhiệt điện và điện hạt nhân Thủy điện có thể gây đột biến dòng chảy và làm mất cân bằng sinh thái ở hạ lưu; nhiệt điện thải bụi và ô nhiễm môi trường do các khí COx, SOx và NOx; điện hạt nhân có thể gây ô nhiễm do phóng xạ hạt nhân Vì vậy, năng lượng mặt trời được xem là giải pháp xanh, bền vững cho tương lai năng lượng của chúng ta.
Vì vậy, việc tận dụng nguồn năng lượng mặt trời để phục vụ cho nhu cầu điện năng là một mục tiêu then chốt mà các nhà khoa học đang hướng tới Đầu tư vào công nghệ năng lượng mặt trời giúp tăng cường an ninh nguồn điện và giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo vô hạn, sạch và thân thiện với môi trường, phù hợp với chiến lược phát triển bền vững của xã hội Do đó, nghiên cứu và ứng dụng các giải pháp năng lượng mặt trời sẽ đóng vai trò thiết yếu trong việc đáp ứng nhu cầu điện ngày càng cao.
Một trong các ứng dụng chính từ nguồn năng lượng mặt trời là sản xuất điện năng thông qua hệ thống pin quang điện (PV) Hệ thống PV có thể hoạt động độc lập phục vụ các hộ gia đình và chiếu sáng đường phố cục bộ, hoặc được kết nối với lưới điện quốc gia Tuy nhiên, các hệ thống pin quang điện này vẫn tồn tại một số nhược điểm lớn cần xem xét để tối ưu hóa hiệu quả và chi phí đầu tư.
- Hiệu suất chuyển đổi của năng lượng mặt trời thành năng lượng điện là tương đối thấp (9 ÷ 17%);
- Năng lượng điện được tạo ra bởi hệ thống pin quang điện thay đổi liên tục dưới các điều kiện thời tiết khác nhau
Do các lý do đã được nêu ở trên, đề tài “Nghiên cứu vận hành tối ưu hệ thống pin quang điện nối lưới” được lựa chọn và tiến hành thực hiện trong luận văn này nhằm giải quyết các thách thức vận hành, tối ưu hoá hiệu suất và đảm bảo tính ổn định của hệ thống PV nối lưới, từ đó đề xuất các giải pháp thực tế để nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn năng lượng mặt trời và tối ưu hóa chi phí cho hệ thống điện lực.
Tính c ấ p thi ế t c ủa đề tài
Nguồn điện đang gánh chịu các áp lực nặng nề của sự cạn kiệt các nguồn năng lượng sơ cấp truyền thống (nước, nhiên liệu hóa thạch, ) Để giảm bớt các gánh nặng này, cũng như nâng cao hiệu quả khai thác của các nguồn năng lượng tái tạo, cụ thể là nguồn năng lượng mặt trời Vì vậy, đề tài được xem là cần thiết.
Đối tượng nghiên cứu
Các nghiên cứu sẽ được thực hiện trên một mô hình hệ thống pin quang điện bao gồm:
- Hệ thống pin quang điện
- Các bộ biến đổi DC-DC và DC-AC
- Các bộđiều khiển bám điểm công suất cực đại.
Ph ạ m vi nghiên c ứ u
Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong các nội dung sau:
- Khảo sát tình hình khai thác và sử dụng nguồn nănglượng mặt trời
- Tổng quan các nghiên cứu đã được thực hiện liên quan đến vận hành tối ưu hệ thống pin quang điện
- Nghiên cứu các đặc điểm của các đặc tuyến pin quang điện
- Xây dựng một hệ thống pin quang điện nối lưới
- Nghiên cứu các thuật toán bám điểm công suất cực đại dưới các điều kiện bức xạ và nhiệt độ khác nhau sao cho có thể tối ưu hóa vận hành hệ thống pin quang điện
M ụ c tiêu và n ộ i dung nghiên c ứ u
Đề tài “Nghiên cứu vận hành tối ưu hệ thống pin quang điện nối lưới” sẽ được thực hiện với các mục tiêu và nội dung như sau:
- Khảo sát tình hình khai thác và sử dụng nguồn năng lượng mặt trời
- Nghiên cứu các đặc tuyến của pin quang điện
- Mô phỏng pin quang điện
- Nghiên cứu và xây dựng một hệ thống pin quang điện
- Mô phỏng nguyên lý làm việc của một hệ thống pin quang điện
- Nghiên cứu vận hành tối ưu và nối lưới của một hệ thống pin quang điện.
Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu các tài liệu về vận hành tối ưu và nối lưới của một hệ thống pin quang điện.
- Phân tích, tổng hợp và đề xuất các thuật toán điều khiển vận hành tối ưu và nối lưới của một hệ thống pin quang điện.
T ổ ng quan tình hình nghiên c ứ u
Đã đề xuất nhiều kỹ thuật bám điểm công suất tối đa (MPPT) cho các hệ thống nguồn năng lượng mặt trời, như thuật toán xáo trộn và giám sát (Perturb and Observe – P&O), thuật toán gia tăng độ dẫn (Incremental Conductance – InC), cũng như các phương pháp dựa trên mạng nơ-ron nhân tạo và logic fuzzy Các kỹ thuật này khác nhau ở một số khía cạnh và quan điểm, từ tính đơn giản của thuật toán, tốc độ hội tụ, độ phức tạp khi triển khai phần thực nghiệm cho các phần ứng, cho đến chi phí thực hiện cho mỗi giải pháp.
1.7.1 Tình hình nghiên cứu ởnước ngoài
Trên nền tảng của thuật toán P&O, nhóm J Jiang, T Huang, Y Hsiao và C Chen đã giới thiệu phương pháp so sánh 3 điểm, một biến thể có thể xem như cải tiến của thuật toán P&O; trong khi thuật toán P&O truyền thống chỉ so sánh hai thời điểm để quyết định điều chỉnh điện áp, phương pháp được đề xuất mở rộng bằng cách so sánh ba thời điểm khác nhau trước khi quyết định tăng, giảm hoặc giữ nguyên giá trị điện áp, cho thấy sự tương đồng căn bản với P&O nhưng với đánh giá đa thời điểm giúp hệ thống điều chỉnh điện áp một cách linh hoạt và tiềm năng mang lại hiệu quả tối ưu hơn.
Thuật toán này có bốn ưu điểm nổi bật, đặc biệt ở khả năng so sánh 3 điểm giúp khắc phục một phần hoạt động sai của giải thuật P&O truyền thống khi môi trường biến động nhanh như cường độ bức xạ hay nhiệt độ, từ đó duy trì việc theo đuổi điểm làm việc tối ưu Tuy nhiên, vẫn tồn tại một số khuyết điểm: khi cường độ bức xạ thay đổi mạnh và kéo dài vượt quá chu kỳ lấy mẫu, thuật toán so sánh 3 điểm có thể cho kết quả không đúng vì nó sẽ xác định ba điểm đồng tăng (khi bức xạ tăng) hoặc đồng giảm (khi bức xạ giảm), dẫn tới quyết định điều chỉnh điện áp không chính xác và ảnh hưởng đến hiệu quả của toàn bộ hệ thống.
Tương tự, để khắc phục nhược điểm của thuật toán P&O truyền thống, các nhà nghiên cứu D Sera, T Kerekes, R Teodorescu và F Blaabjerg đã đề xuất một biến thể MPPT dựa trên nguyên lý P&O bằng cách bổ sung các mẫu trung gian Phương pháp này giúp hệ thống điều khiển bám điểm công suất tối đa không bị nhầm lẫn khi cường độ sáng thay đổi theo tuyến tính Tuy nhiên, khi cường độ chiếu sáng biến đổi không tuyến tính, thuật toán này có thể hoạt động sai lệch [4].
M A Younis, T Khatib, M Najeeb và A M Ariffin 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 [5]
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 PV, tính toán công suất và cuối cùng là xác định và bám theo điểm công suất
Trong nghiên cứu này, các kết quả mô phỏng được sử dụng để so sánh với các kết quả khác thông qua việc áp dụng kỹ thuật P&O thông thường Kết quả so sánh cho thấy phương pháp đề xuất có khả năng đạt được giá trị công suất cực đại nhanh hơn thuật toán P&O [6].
Ngoài các kỹ thuật bám điểm công suất tối đa (MPPT) đã được giới thiệu, bài viết còn đề cập đến các phương pháp nghiên cứu và thiết kế hệ thống điều khiển bám theo mặt trời nhằm tối đa hóa khai thác nguồn năng lượng mặt trời Các kỹ thuật này tập trung vào điều khiển hướng theo ánh nắng và tối ưu hóa hiệu suất thu năng lượng, đảm bảo hệ thống vận hành ổn định và hiệu quả Những đóng góp của G Deb, A B Roy và T Tudorache cho thấy sự cần thiết của thiết kế hệ thống điều khiển theo mặt trời để đạt hiệu quả khai thác tối đa nguồn năng lượng mặt trời.
D Oancea, L Kreindler và J Rizk, Y Chaiko [7]-[9] 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
Những nghiên cứu tương tự của N Barsoum và P Vasant [10] đã giới thiệu một thiết kế khác cho hệ thống bám theo mặt trời, mở rộng các lựa chọn về kiến trúc và hiệu suất của hệ thống theo dõi ánh sáng Hệ thống này được điều khiển bởi vi điều khiển PIC16F84A.
1.7.2 Tình hình nghiên cứu trong nước
Trên nền tảng của thuật toán tăng độ dẫn InC, tác giả Phạm Văn Để đề xuất một biến thể cải tiến nhằm điều khiển bám điểm công suất tối đa (MPPT) cho hệ thống điện năng lượng mặt trời; các kết quả mô phỏng trong Luận văn Thạc sĩ cho thấy thuật toán mới có thời gian đáp ứng nhanh hơn và ổn định hơn trước những biến đổi của bức xạ mặt trời, gợi ý tiềm năng ứng dụng của InC cải tiến trong tối ưu hoá hiệu suất hệ thống PV và đóng góp cho các giải pháp điều khiển MPPT hiện đại [11].
Bên cạnh đó, dựa trên thuật toán P&O, tác giả Trầm Minh Tuấn đã cải tiến thuật toán này nhằm khắc phục các khuyết điểm còn tồn tại của P&O Quá trình cải tiến tập trung vào tối ưu hóa hiệu suất trong điều kiện bức xạ thay đổi đột ngột thông qua bước xác định nhằm xác định nhanh chóng và chính xác điểm làm việc tối ưu Nhờ đó, thuật toán được nâng cao tính ổn định và độ nhạy với biến thiên cường độ bức xạ, giúp hệ thống năng lượng mặt trời theo dõi MPP hiệu quả hơn và tối ưu hóa sản lượng điện.
Trong Luận văn Thạc sĩ, 6 dòng điện ngắn mạch của hệ pin quang điện được phân tích và đề xuất một cải tiến nhằm tăng hiệu quả của thuật toán P&O; nhờ đó, giá trị tối ưu và tốc độ hội tụ của P&O được cải thiện đáng kể, như được xác nhận trong tài liệu tham khảo [12].
Theo một cách giải khác của bài toán tối ưu hóa, tác giả Nguyễn Mạnh Tường đã đề xuất thuật toán tối ưu hóa bầy đàn (PSO) cho việc tìm điểm công suất cực đại trong Luận văn Thạc sĩ Đặc biệt, tác giả xem xét bài toán trong trường hợp có ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm Khi ấy, hệ thống sẽ tồn tại nhiều điểm công suất cực đại cục bộ và nhiệm vụ của thuật toán PSO là xác định điểm công suất cực đại toàn cục Các kết quả mô phỏng cho thấy PSO đã chứng tỏ hiệu quả trong việc tìm điểm công suất cực đại toàn cục của hệ pin quang điện ở điều kiện vận hành có xét đến hiện tượng bóng râm [13].
B ố c ụ c c ủ a lu ận văn
Bố cục của luận văn gồm 6 chương:
+ Chương 2: Tổng quan tình hình nghiên cứu và khai thác nguồn năng lượng mặt trời
+ Chương 3: Hệ thống pin quang điện nối lưới
+ Chương 4: Vận hành tối ưu hệ thống pin quang điện
+ Chương 5: Mô phỏng vận hành tối ưu hệ thống pin quang điện nối lưới + Chương 6: Kết luận và hướng phát triển tương lai
Mặt trời
Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính khoảng 1,39×10^6 km (lớn hơn khoảng 110 lần đường kính Trái Đất), cách Trái Đất khoảng 150×10^6 km (tương đương một đơn vị thiên văn AU), và ánh sáng từ Mặt Trời cần khoảng 8 phút để đến Trái Đất.
Khối lượng và nhiệt độ của mặt trời là như sau:
+ Khối lượng mặt trời, M0 = 210 30 kg
+ Nhiệt độ trung tâm mặt trời, T0 thay đổi trong khoảng từ 1010 6 0 K đến 2010 6 0 K và trung bình khoảng 15,610 6 0 K
Ở nhiệt độ cực cao, vật chất không còn duy trì cấu trúc trật tự như ở trạng thái bình thường mà chuyển thành plasma, nơi các hạt nhân nguyên tử và electron di chuyển tự do và rời bỏ liên kết Trong môi trường plasma, các hạt nhân va chạm với nhau ở động năng lớn, có thể vượt qua lực đẩy điện và tạo ra các phản ứng nhiệt hạch Việc quan sát các đặc tính của vật chất ở điều kiện cực nóng và áp suất rất cao cho phép các nhà khoa học kết luận rằng phản ứng nhiệt hạch đang diễn ra bên trong lõi mặt trời.
Hình 2.1 Cấu trúc của mặt trời
Về cấu trúc, mặt trời có thểđược chia làm 4 vùng mà sẽ hợp thành một khối cầu khí khổng lồ, Hình 2.1
Vùng giữa được gọi là lõi hay nhân của hệ thống, nơi diễn ra các chuyển động đối lưu của chất và đóng vai trò là nguồn năng lượng chủ đạo Đây cũng là vị trí diễn ra các phản ứng nhiệt hạt nhân, từ đó hình thành nguồn năng lượng cung cấp cho toàn bộ hệ thống.
8 năng lượng mặt trời Vùng này có bán kính khoảng 175.000 km, khối lượng riêng
160 kg/dm 3 , nhiệt độ ước tính từ 14 đến 2010 6 0 K, áp suất khoảng hàng trăm tỷ atmotphe
Vùng kế tiếp là vùng trung gian, hay còn được gọi là vùng đổi ngược, nơi năng lượng được truyền từ bên trong ra bên ngoài Vật chất ở vùng này gồm sắt (Fe), canxi (Ca), natri (Na), stronti (Sr), crôm (Cr), niken (Ni), cacbon (C), silic (Si) và các khí như hiđrô (H2) và hêli (He) Vùng này có bề dày khoảng 400.000 km.
+ Vùng kế tiếp là vùng “đối lưu” có bề dày khoảng 125.000 km và vùng
Quang cầu có bề dày khoảng 1.000 km và nhiệt độ khoảng 6.000 K Vùng này chứa các bọt khí sôi sục, đôi khi tạo ra các vết đen Thực chất, khu vực này là các hố xoáy có nhiệt độ thấp khoảng 4.500 K và xen kẽ với các tai lửa có nhiệt độ từ 7.000 K đến 10.000 K.
Vùng ngoài cùng là vùng bất định, chính là khí quyển của mặt trời Vùng này nằm ở phía ngoài cùng và có đặc tính riêng so với các lớp bên trong của sao Nhiệt độ bề mặt của mặt trời ở khoảng 5,8 nghìn kelvin, mức nhiệt này đủ lớn để các nguyên tử tồn tại ở trạng thái kích thích và đồng thời vẫn cho thấy sự xuất hiện của nguyên tử bình thường cũng như các cấu trúc phân tử.
Dựa trên phân tích phổ bức xạ và phổ hấp thụ của mặt trời, có thể kết luận rằng mặt trời chứa ít nhất hai phần ba các nguyên tố được tìm thấy trên Trái Đất; nguyên tố phổ biến nhất trên mặt trời là nguyên tố nhẹ nhất, Hydrogen.
Vật chất của mặt trời bao gồm:
- Các nguyên tố và các chất khác như:
+ Magnesium: khoảng 0,05%; và + Sulphur: khoảng 0,04%
Nguồn năng lượng bức xạ của mặt trời chủ yếu đến từ phản ứng nhiệt hạch tổng hợp hạt nhân hydro thành helium, với helium là sản phẩm chính Hạt nhân Hydro có một proton mang điện dương Thông thường các hạt mang điện cùng dấu đẩy nhau, nhưng ở nhiệt độ đủ cao, vận tốc của chúng tăng lên đến mức chúng có thể tiếp xúc ở khoảng cách cho phép lực hút giữa chúng khiến chúng kết hợp với nhau Quá trình này giải phóng năng lượng và là nguồn duy trì nhiệt độ và ánh sáng của mặt trời.
Khi đó, cứ 4 hạt nhân Hydro lại tạo ra 01 hạt nhân Heli, 02 Neutrino và 01 lượng bức xạnhư phương trình phản ứng (2.1)
Neutrino là hạt không mang điện có độ bền rất lớn và khả năng đâm xuyên vượt trội, cho phép chúng đi xuyên qua vật chất dễ dàng Sau phản ứng, neutrino lập tức rời khỏi phạm vi mặt trời và không tham gia vào các biến cố xảy ra sau đó.
Mặt trời mất một lượng vật chất trong quá trình diễn biến của phản ứng nhiệt hạch, khiến khối lượng mỗi giây giảm khoảng 4×10^6 tấn Tuy nhiên, theo các nhà nghiên cứu, trạng thái của mặt trời vẫn ổn định và sẽ không thay đổi trong vòng hàng tỷ năm tới Mỗi ngày, mặt trời sản xuất nguồn năng lượng thông qua phản ứng nhiệt hạch lên tới 9×10^24 kWh; tức là chưa đầy một phần triệu giây sau, mặt trời đã giải phóng lượng năng lượng tương đương với tổng điện năng được sản xuất trên Trái đất trong một năm.
Qu ỹ đạ o c ủa trái đấ t quanh m ặ t tr ờ i
Trái đất quay quanh mặt trời theo quỹ đạo hình elip, với một vòng quay kéo dài khoảng 365,25 ngày Điểm cận nhật là vị trí gần mặt trời nhất trên quỹ đạo, xảy ra vào ngày 2 tháng 1 khi Trái đất ở khoảng cách 147×10^6 km từ mặt trời Ngược lại, điểm viễn nhật là vị trí xa mặt trời nhất, xuất hiện vào ngày 3 tháng 7 với khoảng cách từ mặt trời là khoảng 152×10^6 km.
10 n: Ngày đầu tiên trong tháng, chẳng hạn như ngày 1 tháng 1 thì n = 1; ngày 31 tháng 12 thì n = 365
Bảng 2.1 Ngày số n của ngày đầu tiên của mỗi tháng
Tháng Một Hai Ba Tư Năm Sáu Bảy Tám Chín Mười Mười một
Góc cao độ c ủ a m ặ t tr ờ i vào bu ổi trưa
Mặt trời mọc ở hướng đông và lặn ở hướng tây; mặt trời đạt điểm cao nhất vào thời điểm giữa ngày Trái đất quay quanh mặt trời và do đó góc của mặt trời so với mặt phẳng Trái Đất rất khó xác định, như được minh họa ở Hình 2.2.
Hình 2.2 Quỹđạo trái đất quay quanh mặt trời
Để thuận tiện xác định góc của mặt trời, người ta giả sử Trái đất cố định và quay quanh trục Bắc-Nam, trong khi vị trí của mặt trời trong không gian từ từ di chuyển lên xuống theo nhịp mùa Vào ngày 21 tháng 6, được gọi là hạ chí, mặt trời đạt tới vị trí cao nhất trên bầu trời và một tia nối từ tâm Trái đất tới tâm Mặt trời tạo với mặt phẳng xích đạo một góc khoảng 23,45 độ.
Khi trái đất di chuyển, góc này thay đổi và được gọi là góc thiên độ, ký hiệu là δ Góc này nằm trong khoảng -23,45 0 đến 23,45 0
Một cách tính xấp xỉ gần đúng cho rằng một năm có 365 ngày và đặt xuân phân vào ngày n = 81 Khi ấy, góc δ được biểu diễn như sau:
Hình 2.3 Hướng nhìn quỹ đạo trái đất
Từ(2.3), góc δ có thểđược xác định thông qua Bảng 2.2 như sau:
Bảng 2.2 Thống kê góc δ của ngày 21 mỗi tháng Thán g Một Hai B a Tư Nă m Sáu Bảy Tá m
Hình 2.3 không thể hiện quỹ đạo quay của Trái đất quanh Mặt trời, nhưng lại phù hợp để hiển thị các vĩ độ khác nhau và các góc để tính toán thu nhận năng lượng mặt trời, đặc biệt là góc cao độ βN của mặt trời vào buổi trưa Góc cao độ 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 cho việc tính toán vềnăng lượng mặt trời
Bức xạ mặt trời
Trong toàn bộ bức xạ của Mặt Trời, chỉ khoảng 3% liên quan đến các phản ứng hạt nhân diễn ra ở lõi sao Bức xạ gamma ban đầu có bước sóng ngắn nhất khi thoát ra và đi qua lớp vật chất dày tới khoảng 5×10^5 km, bị biến đổi mạnh do va chạm và tán xạ Tất cả các dạng bức xạ điện từ đều có bản chất sóng và khác nhau ở bước sóng; bức xạ gamma, với bước sóng ngắn nhất, dần chuyển thành bức xạ có bước sóng dài hơn khi thoát ra khỏi sâu bên trong mặt trời Gần bề mặt, nhiệt độ thấp hơn cho phép vật chất tồn tại ở trạng thái nguyên tử và các cơ chế khác bắt đầu diễn ra Đặc trưng của bức xạ mặt trời phát ra và truyền trong không gian là một phổ rộng; cực đại cường độ nằm trong dải khoảng 0,1–10 μm, và gần như một nửa tổng năng lượng mặt trời tập trung trong khoảng bước sóng 0,38–0,78 μm, được gọi là vùng nhìn thấy của phổ.
Hình 2.5 Dải bức xạđiện từ
Chùm tia truyền thẳng từ mặt trời được gọi là bức xạ trực xạ Sự tổng hợp của các tia trực xạ và tán xạ được gọi là tổng xạ Mật độ dòng bức xạ trực xạ ngoài lớp khí quyển, tính đối với một mặt phẳng vuông góc với tia bức xạ và trên diện tích 1 m², được xác định theo một biểu thức chuẩn.
: Hệ số góc bức xạ giữa trái đất và mặt trời
C0=5,67 W/m 2 K 4 : Hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối;
TW62 0 K: Nhiệt độ bề mặt (xem giống như vật đen tuyệt đối)
Hình 2.6 Góc nhìn mặt trời Như vậy:
Khoảng cách giữa Trái Đất và Mặt Trời biến thiên theo mùa trong năm khiến góc β thay đổi và dẫn đến sự biến thiên của tham số q Tuy nhiên, mức biến thiên của q khá nhỏ, nên có thể xem q là một hằng số và được gọi là hằng số mặt trời.
Khi tia tử ngoại truyền qua lớp khí quyển, chúng bị hấp thụ và tán xạ bởi ô-zôn, hơi nước và bụi nên chỉ một phần năng lượng được truyền trực tiếp xuống mặt đất Quá trình này bắt đầu từ sự phân tách O2 thành O và O, đòi hỏi photon có bước sóng ngắn hơn 0,18 μm; những photon có năng lượng như vậy sẽ bị hấp thụ hoàn toàn Phần lớn nguyên tử oxy tham gia liên kết để hình thành ô-zôn (O3), ozone cũng hấp thụ bức xạ tử ngoại nhưng ở mức độ thấp hơn so với ôxy Dưới tác dụng của các photon với bước sóng ngắn hơn 0,32 μm, ô-zôn phân tách thành O2 và O Như vậy, hầu như toàn bộ năng lượng của bức xạ tử ngoại được dùng để duy trì quá trình phân ly và hợp nhất của O2 và O3, tạo thành một quá trình ổn định Do quá trình này, khi đi qua khí quyển, tia tử ngoại biến đổi thành bức xạ có năng lượng thấp hơn.
Các bức xạ có bước sóng thuộc vùng nhìn thấy và hồng ngoại tương tác với các phân tử khí và hạt bụi trong khí quyển nhưng không làm đứt liên kết của chúng; photon bị tán xạ đều theo nhiều hướng và một phần photon quay trở lại không gian vũ trụ Bức xạ tán xạ này chủ yếu là các photon có bước sóng ngắn, sau khi phản xạ từ các phần khác nhau của khí quyển mang theo màu xanh lam của bầu trời và có thể quan sát được ở những độ cao không quá lớn Các giọt nước cũng tán xạ rất mạnh bức xạ mặt trời Khi đi qua khí quyển, bức xạ mặt trời còn gặp sự hấp thụ đáng kể bởi hơi nước, khí CO2 và các hợp chất khác; mức độ hấp thụ phụ thuộc vào bước sóng và mạnh nhất ở khoảng giữa vùng hồng ngoại Lượng năng lượng bức xạ mặt trời tới bề mặt Trái Đất vào những ngày quang đãng (không mây) đạt đỉnh khoảng 1000 W/m^2 (xem Hình 2.7).
Hình 2.7 Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển của trái đất
Yếu tố cơ bản xác định cường độ bức xạ mặt trời tại một điểm trên Trái Đất là quãng đường ánh sáng mặt trời đi qua khí quyển Quãng đường này càng dài thì lượng năng lượng bị mất do tán xạ và hấp thụ càng lớn, và sự mất mát năng lượng phụ thuộc vào thời gian trong ngày, mùa và vị trí địa lý Các mùa hình thành do sự nghiêng của trục Trái Đất so với mặt phẳng quỹ đạo quanh Mặt Trời, với góc nghiêng khoảng 66,5°, được xem là tương đối cố định trong không gian Sự định hướng của trục quay Trái Đất so với Mặt Trời gây ra những dao động đáng kể về độ dài ngày và đêm trong năm.
Ứ ng d ụng năng lượ ng m ặ t tr ờ i
Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng mà con người biết sử dụng từ rất sớm, nhưng việc đưa nó vào các công nghệ sản xuất và ứng dụng trên quy mô rộng chỉ thực sự xuất hiện vào cuối thế kỷ 18, và phần lớn vẫn tập trung ở những nước có nhiều năng lượng mặt trời, đặc biệt là các vùng sa mạc Sau các cuộc khủng hoảng năng lượng thế giới năm 1968 và 1973, năng lượng mặt trời càng được đặc biệt quan tâm.
Các nước công nghiệp phát triển đã đi đầu trong nghiên cứu và ứng dụng năng lượng mặt trời, đẩy mạnh các công nghệ như điện mặt trời và hệ thống lưu trữ năng lượng để tối ưu hóa nguồn cung Các ứng dụng phổ biến hiện nay gồm hệ thống điện mặt trời mái nhà (PV) với tấm pin mặt trời cho nhà ở và công trình thương mại, hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời, giải pháp chiếu sáng công cộng dùng nguồn mặt trời và các hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin nhằm cân bằng điện áp và dự trữ năng lượng khi trời tối hoặc mưa Bên cạnh đó, năng lượng mặt trời còn được triển khai trong nông nghiệp, công nghiệp và các dự án đô thị thông minh, giúp giảm phát thải carbon và tối ưu chi phí vận hành.
Một cách biến đổi trực tiếp năng lượng mặt trời thành điện năng là nhờ các tế bào quang điện bán dẫn, còn được gọi là pin quang điện Các pin quang điện này sản xuất điện năng liên tục khi có bức xạ mặt trời chiếu tới.
Thứ hai là khai thác năng lượng mặt trời dưới dạng nhiệt năng Các thiết bị thu nhận bức xạ nhiệt từ mặt trời sẽ chuyển đổi và tích trữ nhiệt năng để dùng cho nhiều mục đích khác nhau, từ sưởi ấm và đun nước cho gia đình đến cung cấp nhiệt cho các hệ thống công nghiệp và các ứng dụng bền vững.
Việt Nam là một quốc gia có tiềm năng lớn về năng lượng mặt trời, trải dài từ vĩ độ 8–23° Bắc và nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao với trị số tổng xạ từ 100–175 kcal/cm² mỗi năm Với đặc điểm này, việc khai thác năng lượng mặt trời ở nước ta có tiềm năng mang lại hiệu quả kinh tế đáng kể Hiện nay, các ứng dụng phổ biến gồm hệ thống cung cấp điện bằng pin quang điện, bếp nấu có gương phản xạ, hệ thống cung cấp nước nóng, chưng cất nước, vận hành các động cơ nhiệt như động cơ Stirling và các giải pháp làm lạnh, những lĩnh vực hấp dẫn đang được nhiều nhà khoa học trong nước và nước ngoài nghiên cứu và triển khai.
Hình 2.8 Hệ thống pin quang điện
Pin quang điện là công nghệ chuyển đổi trực tiếp năng lượng mặt trời thành điện năng bằng thiết bị biến đổi quang điện Quang điện thu nhận ánh sáng mặt trời và biến nó thành dòng điện, cung cấp nguồn năng lượng sạch và bền vững cho nhiều ứng dụng Ưu điểm nổi bật của pin quang điện là kích thước gọn nhẹ và khả năng lắp đặt ở bất cứ nơi nào có ánh sáng mặt trời, giúp tối ưu hóa không gian và linh hoạt trong thiết kế hệ thống điện.
Ngày nay, ứng dụng pin quang điện cho các phương tiện giao thông đã thay thế dần dần các nguồn năng lượng truyền thống Tuy nhiên, giá thành của pin quang
17 điện còn khá cao, trung bình khoảng 5 USD/Wp Vì vậy, tại các nước đang phát triển, pin quang điện mới chỉ được sử dụng để cung cấp năng lượng điện cho các vùng sâu và xa, nơi mà lưới điện quốc gia chưa có Tại Việt Nam, dưới sự hỗ trợ của một số tổ chức quốc tế, pin quang điện đã được triển khai sử dụng nhằm mục đích cung cấp năng lượng điện phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt và văn hoá của các địa phương vùng sâu và xa, chẳng hạn như các vùng đồng bằng sông Cửu Long và Tây Nguyên
2.5.2 Nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời
Nhà máy điện mặt trời tạo ra điện năng dựa trên nguyên lý tạo nhiệt độ cao bằng một hệ thống gương phản chiếu, sau đó hội tụ để gia nhiệt cho môi chất làm việc và cuối cùng truyền động cho máy phát điện Hiện nay, trong các nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời, các hệ thống thu năng lượng mặt trời chủ yếu được phân loại thành vài loại dựa trên nguyên lý tập trung và truyền nhiệt nhằm tối ưu hiệu suất vận hành và sản xuất điện.
Hệ thống parabol trụ (parabolic trough) tập trung bức xạ mặt trời vào một ống chứa môi chất nhiệt đặt dọc theo đường hội tụ của bộ thu, cho phép nhiệt độ của môi chất lên tới khoảng 400°C Trong khi đó, hệ thống nhận nhiệt trung tâm dùng các gương phản xạ định vị theo phương mặt trời (heliostats) để tập trung năng lượng mặt trời vào bộ thu đặt trên đỉnh một tháp cao, giúp nhiệt độ đạt tới trên 1500°C.
Hệ thống sử dụng gương parabol tròn xoay để định vị theo hướng mặt trời, liên tục điều chỉnh góc nghiêng nhằm tập trung tối đa năng lượng mặt trời lên bộ thu đặt ở tiêu điểm của gương; nhiệt năng tập trung có thể đạt trên 1500°C.
Hình 2.10 Tháp năng lượng mặt trời
2.5.3 Động cơ St5irling chạy bằng năng lượng mặt trời
Động cơ Stirling dùng năng lượng mặt trời đang được nghiên cứu và ứng dụng ngày càng rộng rãi nhờ khả năng biến đổi nguồn nhiệt mặt trời thành động lực cho các hệ thống nhiệt Ứng dụng nổi bật gồm bơm nước sinh hoạt và tưới cây trên nông trại, giúp giảm chi phí vận hành và tăng hiệu quả tưới tiêu Tại Việt Nam, động cơ Stirling chạy bằng năng lượng mặt trời đã được nghiên cứu, chế tạo và triển khai thực tế, đánh dấu bước tiến quan trọng trong việc tích hợp công nghệ năng lượng sạch vào sản xuất nông nghiệp và đời sống.
2.5.4 Thiết bị đun nước bằng năng lượng mặt trời
Hiện nay, ứng dụng đơn giản, phổ biến và hiệu quả nhất của năng lượng mặt trời là dùng để đun nước Các hệ thống nước nóng dùng năng lượng mặt trời đã được triển khai rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới Ở Việt Nam, hệ thống cấp nước nóng bằng năng lượng mặt trời đang được sử dụng rộng rãi tại Hà Nội, TP Hồ Chí Minh và Đà Nẵng Những hệ thống này giúp người dùng tiết kiệm đáng kể năng lượng, đóng góp lớn cho chương trình sử dụng năng lượng tái tạo của nước ta và bảo vệ môi trường chung của nhân loại.
Hiện nay, hệ thống cấp nước nóng dùng năng lượng mặt trời ở Việt Nam và trên thế giới chủ yếu sử dụng hai loại bộ thu cố định: tấm phẳng và dãy ống có cánh nhận nhiệt Khi nhiệt độ nước sử dụng đạt khoảng 60°C, hiệu suất của bộ thu khoảng 45%, và hiệu suất giảm khi nhiệt độ nước tăng lên.
Hình 2.12 Hệ thống cung cấp nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời
2.5.5 Thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí sử dụng năng lượng mặt trời
Trong các ứng dụng của năng lượng mặt trời, làm lạnh và điều hòa không khí là ứng dụng hấp dẫn nhất, vì nơi nào khí hậu nóng nhất thì nhu cầu làm lạnh càng lớn Đặc biệt ở những vùng xa xôi, hẻo lánh thuộc các nước đang phát triển thiếu lưới điện quốc gia và đối mặt với giá nhiên liệu cao so với thu nhập bình quân của người dân Các máy lạnh chạy bằng năng lượng mặt trời hoạt động dựa trên nguyên lý biến đổi ánh sáng thành điện năng thông qua hệ thống pin quang điện, mang lại giải pháp làm mát tiết kiệm và bền vững cho cộng đồng.
20 là dễ dàng nhất, nhưng trong giai đoạn hiện nay chi phí đầu tư cho hệ thống pin quang điện còn khá cao
Tình hình khai thác năng lượ ng m ặ t tr ờ i t ạ i Vi ệ t Nam
Lãnh thổ Việt Nam kéo dài từ 8° đến 23° vĩ Bắc, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao Tại đây, tổng lượng xạ mặt trời hàng năm dao động khoảng 100–175 kcal/cm²/năm, cho thấy tiềm năng năng lượng mặt trời lớn ở khu vực này.
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 để khai thác và sử dụng nguồn năng lượng tái tạo, một nguồn năng lượng quý giá có thể thay thế các nguồn năng lượng cũ đang ngày càng cạn kiệt Trên thế giới, nhiều quốc gia đã xem năng lượng mặt trời là giải pháp thay thế cho các nguồn năng lượng truyền thống Tuy nhiên, Việt Nam mới chỉ khai thác khoảng 25% tiềm năng của nguồn năng lượng tái tạo này Do lãnh thổ Việt Nam trải dài nên tiềm năng năng lượng mặt trời ở từng vùng khác nhau và có thể chia thành 5 vùng, với tiềm năng của mỗi vùng được trình bày ở các phần tiếp theo.
22 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)
4 Nam Trung Bộ và Tây Nguyên 150 – 175 2000 – 2600
Việt Nam có tiềm năng lớn về năng lượng mặt trời nhờ tiềm năng năng lượng và số giờ nắng trung bình mỗi năm được thể hiện trong Bảng 2.3 Với điều kiện khí hậu và lượng giờ nắng phù hợp, nước ta có thể khai thác hiệu quả nguồn điện mặt trời và thu hút đầu tư cho các dự án solar quy mô lớn Bảng 2.3 cho thấy Việt Nam nằm trong nhóm quốc gia có tiềm năng cao về năng lượng mặt trời, mở ra cơ hội phát triển nguồn điện sạch và bền vững trên toàn quốc.
Nhờ sự hỗ trợ của Nhà nước (các bộ, ngành) và các tổ chức quốc tế, nhiều tỉnh, thành phố ở Việt Nam đã triển khai thành công các trạm phát điện từ pin quang điện với công suất khác nhau, nhằm đáp ứng nhu cầu sinh hoạt và văn hóa của địa phương, đồng thời phục vụ các công trình ở vùng sâu vùng xa và những khu vực không có lưới điện quốc gia.
Các ngành triển khai ứng dụng năng lượng mặt trời có thể kể đến, trong đó ngành bưu chính viễn thông là đi đầu Các trạm pin quang điện được vận hành để phát điện và làm nguồn cấp cho các thiết bị thu phát sóng của các mạng bưu điện lớn cũng như các trạm thu phát truyền hình qua vệ tinh, từ đó tăng cường hiệu quả và tính liên tục của hệ thống thông tin liên lạc.
Trong ngành bảo đảm hàng hải, trạm pin quang điện phát điện được sử dụng làm nguồn cấp điện cho các thiết bị chiếu sáng, cột hải đăng và đèn báo sông, đảm bảo hoạt động ổn định của hệ thống đèn hiệu trên tuyến đường thủy Việc dùng pin quang điện giúp tăng tính tự chủ về nguồn năng lượng, giảm phụ thuộc vào lưới điện và nâng cao an toàn cho tàu thuyền khi tham gia giao thông thủy Các thiết bị chiếu sáng ven sông, hải đăng và đèn báo sông được cấp nguồn từ các trạm pin quang điện, duy trì tín hiệu và tầm nhìn ngay cả khi nguồn điện lưới bị gián đoạn.
Trong ngành công nghiệp điện, trạm pin quang điện phát điện được thiết kế để phục vụ như nguồn cấp điện dự phòng cho các thiết bị điều khiển tại trạm biến áp 500 kV và các hệ thống máy tính quan trọng Hệ thống này đảm bảo nguồn điện liên tục và ổn định ngay cả khi mất nguồn từ lưới, giúp duy trì hoạt động của thiết bị điều khiển và giảm thiểu thời gian dừng hệ thống Bên cạnh vai trò dự phòng, pin quang điện còn có thể kết nối với điện lưới quốc gia để cung cấp nguồn cấp khi cần thiết, tăng tính linh hoạt và độ tin cậy cho mạng lưới điện Việc triển khai trạm pin quang điện góp phần nâng cao an toàn vận hành, rút ngắn thời gian khôi phục sau sự cố và tối ưu hoá hiệu quả sử dụng nguồn năng lượng trong các cơ sở công nghiệp và mạng lưới phân phối.
+ Trong ngành giao thông đường bộ, các trạm pin quang điện phát điện được sử dụng làm nguồn cấpđiện cho các cột đèn giao thông, chiếu sáng công cộng,
Ở các vùng sâu, vùng xa, đời sống của các hộ gia đình được hỗ trợ bởi các trạm pin quang điện, hệ thống phát điện từ năng lượng mặt trời Những trạm pin quang điện này được sử dụng để thắp sáng, nghe radio và xem truyền hình, giúp duy trì sinh hoạt hàng ngày ở những khu vực chưa phủ điện lưới Việc ứng dụng pin quang điện mang lại nguồn điện ổn định và an toàn, đồng thời giảm phụ thuộc vào điện lưới và thúc đẩy tiếp cận điện năng từ nguồn năng lượng tái tạo cho vùng nông thôn.
* Tại khu vực phía Nam:
Việc ứng dụng dàn pin quang điện phục vụ thắp sáng và sinh hoạt văn hóa tại một số vùng nông thôn xa lưới điện được triển khai qua các trạm điện mặt trời có công suất 500–1000 Wp, lắp đặt ở trung tâm xã và nạp điện vào ắc quy để phục vụ cho các hộ gia đình; trong khi đó, các dàn pin quang điện có công suất 250–500 Wp thường được dùng để thắp sáng tại các bệnh viện, trạm xá và các cụm văn hóa xã Đến nay có khoảng 800–
1000 dàn pin quang điện đã được lắp đặt và sử dụng cho các hộ gia đình với công suất mỗi dàn từ 22,5–70 Wp
* Tại khu vực miền Trung:
Bức xạ mặt trời khá tốt và số giờ nắng cao tạo điều kiện thuận lợi cho việc ứng dụng pin quang điện (PV) Với thực tế này, công nghệ PV trở thành lựa chọn tối ưu để khai thác nguồn năng lượng mặt trời và đóng góp vào lộ trình năng lượng tái tạo Tại khu vực miền Trung hiện có hai dự án lai ghép với pin quang điện có công suất lớn nhất Việt Nam, cho thấy tiềm năng vượt trội của năng lượng mặt trời và vai trò của miền Trung trong hệ thống năng lượng quốc gia.
- Dự án phát điện ghép giữa pin quang điện và thủy điện nhỏ với công suất
125 kW mà được lắp đặt tại xã Trang, huyện Mang Yang, tỉnh Gia Lai
+ Công suất của hệ thống pin quang điện là 100 kWp; và
+ Công suất của hệ thống thủy điện là 25 kW
Dựán được đưa vào vận hành từ cuối năm 1999 và cung cấp điện cho 5 làng
Hệ thống điện do Điện lực Mang Yang quản lý và vận hành
- Dựán phát điện lai ghép giữa pin quang điện và điện gió với công suất là 9 kW Trong đó, công suất của hệ thống PV là 7 kWp
Dự án do Viện Năng lượng thực hiện và lắp đặt tại làng Kongu 2, huyện Đak Hà, tỉnh Kon Tum Công trình đã được đưa vào sử dụng từ tháng 11/2000 và cung cấp điện cho bản người dân tộc thiểu số với 42 hộ gia đình.
Hệ thống điện được Sở Công thương tỉnh quản lý và vận hành
Ngoài ra, các dàn pin quang điện đã được lắp đặt tại các tỉnh Gia Lai, Quảng Nam, Bình Định, Quảng Ngãi và Khánh Hòa với công suất từ 40–50 Wp cho mỗi hộ gia đình, nhằm tăng cường nguồn năng lượng sạch tại một số khu vực Các dàn pin quang điện này cũng được triển khai tại các trung tâm cụm xã và trạm y tế xã với công suất từ 200–800 Wp, đáp ứng nhu cầu điện năng cho cộng đồng ở quy mô địa phương.
* Tại khu vực miền Bắc:
Việc ứng dụng các dàn pin quang điện đang phát triển với tốc độ nhanh, nhằm cung cấp nguồn điện ổn định cho các hộ gia đình ở vùng núi cao, hải đảo và trạm biên phòng Đây là xu hướng nổi bật trong lĩnh vực năng lượng sạch, giúp cải thiện đời sống và tăng cường an toàn điện ở các khu vực miền núi, đảo xa và biên giới.
+ Các dàn pin quang điện dùng cho các hộ gia đình có công suất là từ 40–75
+ Các dàn pin quang điện dùng cho các trạm biên phòng, nơi hải đảo có công suất là từ 165–300 Wp
+ Các dàn pin quang điện dùng cho các trạm xá và các cụm văn hóa thôn, xã có công suất là từ 165–525 Wp
Tại Quảng Ninh có hai dự án pin quang điện được thực hiện bằng vốn ngân sách nhà nước là:
Dự án pin quang điện cho đơn vị bộ đội tại các đảo vùng Đông Bắc có tổng công suất lắp đặt khoảng 20 kWp, do Viện Năng lượng và Trung tâm Năng lượng mới, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội thực hiện Hệ thống pin quang điện này chủ yếu được dùng để thắp sáng và truyền thông, và được quản lý cùng vận hành trực tiếp bởi các đơn vị bộ đội trên các đảo.
Dự án pin quang điện cho các cơ quan hành chính và một số hộ dân của huyện đảo Cô Tô có tổng công suất lắp đặt 15 kWp Dự án do Viện Năng lượng thực hiện và công trình đã được đưa vào vận hành từ tháng 12/2001.
Gi ớ i thi ệ u
Mặt trời phát ra một phổ bức xạ rất rộng với nhiều mức năng lượng khác nhau Tuy nhiên, không phải bức xạ nào cũng có thể gây ra hiện tượng quang điện; chỉ những bức xạ có năng lượng đủ lớn, tức là có bước sóng λ sao cho hc/λ vượt quá mức năng lượng kích hoạt electron (năng lượng công tác), mới có khả năng giải phóng electron khỏi kim loại Khi ánh sáng có bước sóng ngắn chiếu lên mặt kim loại và đáp ứng điều kiện này, electron bị bật ra khỏi bề mặt và hiện tượng quang điện xảy ra; các electron bị bật ra được gọi là electron quang điện.
Phổ năng lượng mặt trời tác động lên pin quang điện được minh họa ở Hình 3.1 cho thấy 20,2% năng lượng mặt trời vô ích do có năng lượng dưới ngưỡng kích hoạt để tách electron khỏi trạng thái cơ bản (hv < Eg); 30,2% bị mất ở các vùng năng lượng (hv > Eg) và chỉ 49,6% năng lượng hữu ích có thể được thu bởi pin quang điện [14].
Hình 3.1 Phổnăng lượng mặt trời
Chiều dài sóng (m) Công suất bức xạ (W/m2 m)
Năng lượ ng vô ích, h > E g
Năng lượ ng vô ích, h < E g
Chi ề u dài m ức năng lượ ng kích hoạt 1,11m 20,2%
Về cơ bản, năng lượng mặt trời có thể được sử dụng để biến đổi thành năng lượng điện dưới 2 hình thức như sau:
- Năng lượng mặt trời dưới dạng nhiệt năng được biến đổi thành năng lượng điện
- Năng lượng mặt trời dưới dạng quang năng được biến đổi thành năng lượng điện
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 năng lượng điện được nghiên cứu và khai thác mạnh mẽ hơn Hình thức khai thác này sẽ được thực hiện thông qua hệ thống pin quang điện (Photovoltaic, PV) mà được cấu thành từ các chất bán dẫn Pin quang điện sử dụng chất bán dẫn để biến đổi quang năngthành nănglượng điện
Kỹ thuật sản xuất pin quang điện dựa trên các nguyên lý và quy trình tương tự như các linh kiện bán dẫn như diode và transistor Vật liệu được sử dụng phổ biến để chế tạo pin quang điện là tinh thể silicon thuộc nhóm IV, giống như ở các linh kiện bán dẫn khác Có thể nói pin quang điện hoạt động theo nguyên lý ngược lại với diode quang: diode quang nhận điện năng và phát sáng, trong khi pin quang điện nhận ánh sáng từ môi trường và chuyển đổi nó thành 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 pin quang điện
Mô hình đơn giản của pin quang điện được mô tảnhư sau, Hình 3.3 a) b) Hình 3.3 Mô hình đơn giản của pin quang điện
Các ti ếp điểm điệ n Electron
Sơ đồ thay thế đơn giản của pin quang điện
Sơ đồ thay thếđơn giản của pin quang điện được biểu diễn như sau, Hình 3.4 [14]
Hình 3.4 Sơ đồ thay thếđơn giản của pin quang điện
Trong pin quang điện, hai tham số quan trọng của nó là dòng điện ngắn mạch,
I sc và điện áp hở mạch, V 0c a) Dòng điện ngắn mạch, I sc b) Điện áp hở mạch, V 0c
Hình 3.5 Các tham số quan trọng của pin quang điện (Dòng điện ngắn mạch, I sc và điện áp hở mạch, V oc )
Các đặc tuyến mô tảpin quang điện:
I: Cường độdòng điện của pin quang điện;
V: Điện áp của pin quang điện;
I sc : Cường độdòng điện ngắn mạch của pin quang điện;
V oc : Điện áp hở mạch của pin quang điện;
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 th ế c ủa pin quang điện có xét đế n các t ổ n hao
Trong thực tế, pin quang điện luôn chịu sự tổn hao điện năng, và các tổn hao này được đặc trưng bởi hai thông số quan trọng là Rs và Rp Rs là tổn hao ở nhánh nối tiếp (series resistance) làm giảm điện áp đầu ra khi dòng tải tăng, trong khi Rp là điện trở ghép (shunt resistance) đại diện cho dòng rò qua mạch, ảnh hưởng đến hiệu suất của pin Do đó, mô hình pin quang điện được thể hiện bằng một mạch tương đương gồm nguồn quang Iph sinh ra dòng, một diode thể hiện đặc tính p-n, kèm theo Rs ở nhánh nối tiếp và Rp ở nhánh song song Mô hình này cho phép phân tích và mô phỏng I-V và P-V của pin quang điện trong điều kiện làm việc thực tế, từ đó hỗ trợ tối ưu thiết kế và đánh giá hiệu suất.
Hình 3.6 Mô hình thay thế của pin quang điện có xét đến các tổn hao
Biểu thức đặc trưng của pin quang điện có xét đến các ảnh hưởng của R s và R p :
31 Các đặc tính của pin quang điện có xét đến các ảnh hưởng của R s và R p
Hình 3.7 Đặc tính của pin quang điện có xét đến các ảnh hưởng của R s và R p
Module pin quang điệ n
Pin quang điện có nhược điểm là điện áp và dòng điện làm việc rất nhỏ; mỗi pin có điện áp làm việc khoảng 0,5 V Để đạt điện áp làm việc cao hơn, cần mắc nối tiếp các pin quang điện, và để tăng dòng điện làm việc, cần mắc song song các pin quang điện Việc kết hợp các cấu hình mắc nối tiếp và mắc song song cho mảng pin quang điện cho phép tối ưu hóa điện áp và dòng điện phục vụ tải cần thiết.
Hình 3.8 Module pin quang điện
Khi ấy, điện áp của module pin quang điện có thể được xác định như sau:
V module : Điện áp của module pin quang điện ; n: Sốpin quang điện của module pin quang điện; Điện áp (V)
R s : Giá trịđiện trở nối tiếp
Các đường đặc tính của một module pin quang điện được mô tảnhư sau:
Hình 3.9 Đặc tính của module pin quang điện
Mảng pin quang điện
Mảng pin quang điện là tập hợp các module pin quang điện được kết nối với nhau nhằm tạo nguồn điện từ ánh sáng mặt trời Có ba hình thức kết nối các module pin quang điện: nối tiếp (tăng điện áp nhưng dòng điện tương đối cố định), song song (tăng dòng điện và giữ điện áp ở mức của một module), và hổn hợp (kết hợp giữa nối tiếp và song song để tối ưu giữa điện áp và dòng điện) Việc lựa chọn hình thức kết nối phù hợp với yêu cầu về điện áp, dòng điện và tải sẽ quyết định hiệu suất và hiệu quả của hệ thống pin mặt trời.
3.5.1 Nối nối tiếp nhiều module pin quang điện
Hình thức này được sử dụng để nâng điện áp của hệ thống pin quang điện
Hình 3.10 Các module pin quang điện được kết hợp nối tiếp với nhau
Mắc nối tiếp các cell
3.5.2 Nối song song nhiều module pin quang điện
Hình thức này được sử dụng để nâng cường độ dòng điện của hệ thống pin quang điện
Hình 3.11 Các module pin quang điện được kết hợp song song với nhau
3.5.3 Nối hỗn hợp nhiều module pin quang điện
Hình thức này được sử dụng để nâng cả điện áp và cường độ dòng điện của hệ thống pin quang điện a) b)
Hình 3.12 Các module pin quang điện được kết hợp hổn hợp với nhau
Các ảnh hưởng đến pin quang điệ n
Các pin quang điện có bịảnh hưởng bởi các yếu tốnhư 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 pin quang điện càng lớn, dòng Isc càng lớn, Hình 3.13
Hình 3.13 Đặc tuyến V-I của pin quang điện với các cường độ chiếu sáng khác nhau và nhiệt độ pin quang điện không đổi, 25 0 C Điện áp
Cường độdòng điện Điện áp (V)
3.6.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ
Nhiệt độpin quang điện càng cao thì V oc càng thấp, Hình 3.14
Hình 3.14 Đặc tuyến V-I của pin quang điện với các nhiệt độkhác nhau và cường độ chiếu sáng không đổi 1 kW/m 2
3.6.3 Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm
Hiện tượng bóng râm được định nghĩa là khi pin quang điện bị che phủ một phần, điều này có thể gây ra những ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu suất của hệ thống quang điện Ví dụ, giả sử một cell quang điện trong một mảng pin quang điện bị che khuất bởi bóng cây hoặc vật chắn nắng, tình trạng này sẽ làm giảm dòng điện và công suất tối đa mà mảng có thể sinh ra, đồng thời có thể dẫn tới mất cân bằng giữa các tế bào và hình thành điểm nóng trên module Do ảnh hưởng của bóng râm lên hiệu suất và tuổi thọ hệ thống, việc thiết kế bố trí tối ưu, quản lý bóng râm và ghép nối cell hợp lý trở nên quan trọng để giảm thiểu tổn thất năng lượng.
0 10 20 30 Cường độ chiếu sáng, 1 kW/m 2
Hình 3.15 Module pin quang điện với n pin quang điện trong trường hợp module không bị che khuất
Hình 3.16 Module pin quang điện với n pin quang điện trong trường hợp module bị che khuất một phần
Khi ấy, điện áp của module pin quang điện 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 pin quang điện khi bị ảnh hưởng bởi hiện tượng bóng râm được biểu diễn như Hình 3.17
Hình 3.17 Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm đối với module pin quang điện
~ Đặc tuyến V-I với trường hợp PV không bị che khuất Đặc tuyến V-I với trường hợp PV bị che khuất Điện áp
Trong trường hợp khi nhiều pin quang điện bị che khuất thì các đặc tuyến có thểđược biểu diễn như Hình 3.18
Trong Hình 3.18, module pin quang điện có nhiều tế bào quang điện có thể bị che khuất bởi bóng râm Để bảo vệ pin quang điện ít bị ảnh hưởng bởi hiện tượng bóng râm, các diode bypass được kết hợp sử dụng nhằm cung cấp đường dẫn dòng điện thay thế cho các tế bào bị che khuất, từ đó giảm tổn thất công suất và duy trì hiệu suất hệ thống Hình minh họa hai trường hợp: a) tế bào quang điện không bị che khuất và b) tế bào quang điện bị che khuất.
Hình 3.19 Module pin quang điện sử dụng diode bypass
Cường độ dòngđiện (A) Điện áp (V)
39 Đặc tính của pin quang điện trong trường hợp sử dụng diode bypass được mô tảnhư Hình 3.20
Hình 3.20 mô tả đặc tính của pin quang điện khi sử dụng diode bypass Xét một mảng pin quang điện được dùng để nạp điện cho một bộ ắc-quy 65 V, và so sánh hai trường hợp: không có diode bypass bảo vệ và có diode bypass bảo vệ Việc áp dụng diode bypass ảnh hưởng đến hiệu suất sạc, giảm thiểu hiện tượng quá dòng hoặc quá nhiệt ở các tế bào bị bóng và mất sáng, từ đó cải thiện sự ổn định và an toàn của chu trình nạp điện Khi có diode bypass, dòng và điện áp được điều chỉnh để bảo vệ chuỗi tế bào và kéo dài tuổi thọ ắc-quy, còn ở trạng thái không có diode bypass có thể gây mất cân bằng giữa các tế bào và giảm hiệu suất nạp Hình 3.20 cung cấp so sánh trực quan về đặc tính làm việc của pin quang điện với và không có diode bypass, nhấn mạnh vai trò của diode bypass trong bảo vệ mạch và tối ưu hóa hiệu quả nạp điện cho hệ thống 65 V.
Hình 3.21 Đánh giá so sánh giữa các trường hợp có và không có diode bypass
Bị che khuất và không s ử d ụ ng diode bypass Điệ n áp ắ c-quy Điện áp (V)
I = 2,2 A a) Không bị che khuất b) Bị che khuất và không sử dụng diode bypass b) Bị che khuất và sử dụng diode bypass
Trong Hình 3.21, bình thường pin quang điện đóng vai trò nguồn phát điện và ắc-quy có điện áp 65 V; dựa trên đặc tuyến V–I và điện áp 65 V, dòng điện của pin quang điện là 3,3 A Khi một module pin quang điện bị bóng râm che khuất, module đó không còn hoạt động như nguồn, và dòng điện sẽ chạy qua điện trở song song Rp của module này để sinh ra điện áp rơi ΔV = I × Rp Điện áp rơi ΔV cộng với 65 V sẽ áp lên các module còn lại và, dựa theo đặc tuyến V–I của pin quang điện, dòng điện sẽ giảm xuống Trong trường hợp sử dụng diode bypass, dòng điện sẽ chạy qua diode đó, có nghĩa là pin quang điện ít chịu ảnh hưởng hơn khi hiện tượng bóng râm xảy ra.
Các h ệ th ống pin quang điệ n
3.7.1 Hệ thống pin quang điện độc lập Đối với những vùng nông thôn, vùng núi cao, hay những vùng hẻo lánh của các nước đang phát triển, nơi mà lưới điện quốc gia chưa được cung cấp đến thì việc sử dụng các hệ thống pin quang điện độc lập là rất cần thiết và mang nhiều ý nghĩa Nguồn điện được phát ra từ hệ thống pin quang điện sẽ cung cấp cho tải DC hoặc qua hệ thống nghịch lưu biến đổi DC thành AC và cung cấp cho tải AC Phần lưu trữ cũng rất quan trọng, giúp lưu trữ năng lượng điện và phát lạikhi cần thiết
Hình 3.22 Hệ thống pin quang điện độc lập
3.7.2 Hệ thống pin quang điệnnối lưới
Hệ thống pin quang điện nối lưới góp phần tăng công suất cho hệ thống lưới điện quốc gia và giúp tiết kiệm chi phí điện cho hộ gia đình cũng như các doanh nghiệp ở các nước phát triển Với mô hình nối lưới, nguồn công suất sinh ra có thể đẩy lên lưới và phần năng lượng không dùng hết sẽ được trả về cho lưới, nên không bắt buộc phải có thiết bị lưu trữ Trong những năm gần đây, hệ thống pin quang điện nối lưới đã tăng trưởng đáng kể trên toàn thế giới Ví dụ tại Đức vào năm 2004, hệ thống pin quang điện nối lưới gần 1 GW đã được lắp đặt và đưa vào vận hành trên lưới.
Hình 3.23 Hệ thống pin quang điện nối lưới
3.7.3 Hệ thống pin quang điệnkết hợp
Trong hầu hết các hệ thống lớn, hệ thống pin quang điện (PV) thường được kết hợp với máy phát điện diesel để đảm bảo nguồn năng lượng cho phụ tải và tối ưu hóa khai thác nguồn năng lượng mặt trời Hệ thống PV độc lập không thể cung cấp đủ công suất cho nhu cầu phụ tải liên tục, nên cần bổ sung máy phát diesel Mục tiêu của sự kết hợp này là đáp ứng đầy đủ nhu cầu của phụ tải và nâng cao hiệu quả khai thác nguồn năng lượng mặt trời thông qua hệ thống PV.
Hình 3.24 Hệ thống pin quang điện kết hợp
Các đặc điể m c ủ a h ệ th ống pin quang điệ n n ối lướ i
Có hai nhóm cấu hình chính được sử dụng trong việc nối lưới hệ thống pin quang điện là:
+ Cấu hình cách ly; và
+ Cấu hình không cách ly
Hình 3.25 Sơ đồ khối mô tả hệ thống pin quang điệnnối lưới
Dạng biến đổi có cách ly có thể được thực hiện bằng một chu trình nâng áp DC-DC kết hợp với máy biến áp tần số cao, sau đó qua nghịch lưu và lọc đầu ra LC trước khi nối vào lưới điện; hoặc sử dụng các biến thể có cách ly khác tùy thuộc vào yêu cầu về hiệu suất và an toàn.
Trong bước 43, hệ thống sử dụng nghịch lưu điện áp thấp và sau đó qua máy biến áp tần số thấp để nâng mức điện áp lên đúng bằng điện áp hệ thống, trước khi kết nối vào lưới điện.
Có hai kiểu máy biến áp được ứng dụng trong hệ thống pin mặt trời: máy biến áp tần số thấp và máy biến áp tần số cao Trong kiểu tần số thấp, năng lượng từ hệ thống pin mặt trời ở dạng điện áp một chiều được đưa qua bộ nghịch lưu và bộ lọc điện để biến đổi thành điện áp xoay chiều ở tần số thấp, sau đó điện áp này được đưa qua máy biến áp lõi thép để nâng lên 220V và cung cấp cho tải.
Trong phương pháp máy biến áp tần số cao, cần bổ sung một tầng biến đổi DC/DC sử dụng biến áp xung và đóng cắt ở tần số cao với các topology như Flyback, Half-Bridge và Full-Bridge để nâng điện áp từ nguồn pin quang lên điện áp một chiều đủ cao phục vụ cho nghịch lưu trực tiếp 220/380 VAC và cấp cho tải Tầng DC/DC này tối ưu quá trình chuyển đổi năng lượng từ pin quang sang điện áp vào của inverter, tăng hiệu suất và giảm kích thước hệ thống Việc chọn đúng topology giúp kiểm soát điện áp và dòng điện, giảm tổn thất và đảm bảo nguồn cung cấp ổn định cho hệ thống PV tích hợp inverter.
Dạng biến đổi không cách ly bằng máy biến áp là quá trình biến đổi trực tiếp năng lượng ở dạng điện một chiều từ ngõ ra của hệ thống pin quang điện lên lưới thông qua các bộ nâng áp một chiều không cách ly Phát triển chủ đạo của kiểu biến đổi này nhằm đạt hiệu suất cao hơn, đồng thời giảm đầu tư và đơn giản hóa hệ thống, đặc biệt ở quy mô lớn Kiểu biến đổi không cách ly bằng máy biến áp có thể đạt hiệu suất tối đa lên tới 98%, trong khi cấu hình cách ly dùng máy biến áp cho cả tần số thấp lẫn tần số cao chỉ đạt tối đa khoảng 95–96%.
Hình 3.27 Kiểu biến đổi không cách ly bằng máy biến áp
C ấ u hình DC/DC – DC/AC
3.9.1 Bộ biến đổi DC/DC
Có hai cách để thực hiện các bộ biến đổi DC-DC kiểu chuyển mạch: dùng tụ điện chuyển mạch và dùng 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 (đảo dấu điện áp).
Hình 3.28 thể hiện sơ đồ nguyên lý của các bộ biến đổi điện áp, trong đó hai ví dụ điển hình là Buck và Boost Với các cách bố trí điện cảm, khóa chuyển mạch và diode khác nhau, các bộ biến đổi này thực hiện các mục tiêu khác nhau về biến đổi điện áp và dòng điện, nhưng nguyên lý hoạt động chung dựa trên hiện tượng duy trì dòng điện đi qua điện cảm.
45 c) Buck - Boost Hình 3.28 Các bộ biến đổi DC-DC chuyển mạch
Bộ biến đổi Buck-Boost được lựa chọn để tìm hiểu và nghiên cứu:
Hình 3.29 Bộ biến đổi Buck-Boost
Bộ biến đổi Buck-Boost hoạt động dựa trên nguyên tắc:
+ Khi khóa đóng, điện áp ngõ vào đặt lên điện cảm và làm dòng điện trong điện cảm tăng dần theo thời gian
+ Khi khóa ngắt, điện cảm có khuynh hướng duy trì dòng điện qua nó và sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để diode phân cực thuận
Tuỳ thuộc tỷ lệ thời gian giữa đóng khóa và ngắt khóa, điện áp ra có thể nhỏ hơn, bằng hoặc lớn hơn điện áp vào Trong mọi trạng thái, dấu điện áp ra luôn ngược với dấu điện áp vào Vì vậy, dòng điện chạy qua điện cảm sẽ suy giảm theo thời gian.
Gọi T là chu kỳ chuyển mạch, T1 là thời gian đóng khóa và T2 là thời gian ngắt khóa, nên T = T1 + T2 Trong chế độ dòng điện qua cuộn cảm liên tục, điện áp rơi trên cuộn cảm có giá trị trung bình bằng 0 trong một chu kỳ, cho thấy sự cân bằng giữa thời gian đóng và ngắt trong chu kỳ làm việc của mạch.
- Điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi đóng khóa là: (T1/T)Vin,
- Điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi ngắt khóa là: − (T2/T)Vout Điều kiện điện áp rơi trung bình trên điện cảm bằng 0 có thểđược biểu diễn:
Trong nghiên cứu này, chỉ xét vềđộ lớn của Vin và Vout, vì Vin và Voutlà ngược dấu
Như vậy, bộ biến đổi này có thể tăng áp hoặc giảm áp và đó là lý do mà nó được gọi là bộ biến đổi Buck-Boost
Xét cùng một loại bài toán thường gặp như những trường hợp trên, tức là: cho biết phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào Vin, giá trịđiện áp ngõ ra Vout, độ dao động điện áp ngõ ra cho phép, dòng điện tải tối thiểu Iout,min, xác định giá trị của điện cảm, tụđiện, tần số chuyển mạch và phạm vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ, để đảm bảo ổn định được điện áp ngõ ra
Với phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào và giá trị điện áp ngõ ra sẽ xác định được phạm vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ D:
Dmin = Vout/(Vin,max + Vout) và Dmax = Vout/(Vin,min + Vout) (3.15)
Tương tự như với bộ biến đổi buck, độ thay đổi dòng điện cho phép sẽ bằng
Trong điều kiện làm việc, hệ có 2 lần dòng điện tải tối thiểu Trường hợp xấu nhất ứng với độ lớn của điện áp trung bình đặt vào điện cảm khi khóa ngắt đạt giá trị lớn nhất, tức là khi D = Dmin.
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 − Dmin)TV out = Lmin2I out,min (3.16)
Hình 3.30 Sơ đồ xung kích, dòng tải và dòng qua cuộn cảm
3.9.2 Bộ biến đổi DC/AC
Bộ nghịch lưu điện áp DC/AC là các thiết bị đóng cắt điện áp DC 100V từ
DC Link được biến đổi thành điện áp AC 3 pha hình sin có tần số bằng với tần số của lưới và có dòng điện đồng pha với điện áp lưới; nhờ đó, bộ nghịch lưu có thể phát công suất hữu ích vào lưới điện 3 pha.
Trong Hình 3.31, sơ đồ nghịch lưu 3 pha hòa lưới cho thấy phần công suất của bộ nghịch lưu được triển khai bằng biến tần 3 pha hai cấp, đóng cắt theo thuật toán điều chế vectơ không gian Điện áp sau khi đóng cắt chứa nhiều thành phần hài, phản ánh sự nhiễu và sự pha trộn giữa các thành phần tín hiệu do quá trình điều chế và chuyển mạch gây ra, ảnh hưởng đến chất lượng điện áp hòa lưới.
48 bậc cao được đưa qua bộ lọc L hoặc LC và cuối cùng là đưa vào biến áp cách ly (hoặc không dùng biến áp cách ly) để hòa lưới.
Cho đại lượng ba pha cân bằng Va, Vb, Vc thỏa mãn:
Phép biến hình từ đại lượng ba pha Va, Vb, Vc sang vector:
3 j e a : Phép biến hình vectơ; v: Vectơ không gian của đại lượng ba pha
Trong điều khiển điện tử, các tính toán trên vectơ không gian cho phép xử lý ít thông tin hơn mà vẫn giữ được đầy đủ đặc trưng của đại lượng ba pha Điều chế vectơ không gian (SVPWM) là một thuật toán điều chế độ rộng xung dạng sin, cho phép tổng hợp các vectơ không gian sao cho quay đều trên hệ tọa độ và từ đó nghịch lưu được 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 3.32
Hình 3.32 Bộđiều 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 khiển điện áp Ud và Uq nhằm đạt được góc pha của dòng điện mong muốn Điều này đảm bảo rằng dòng điện được điều chỉnh sao cho cùng pha với góc pha của điện áp, tức góc pha dòng điện đồng bộ với góc pha áp Việc kiểm soát Ud và Uq bằng PI cải thiện đáp ứng động và ổn định của hệ thống bằng cách tối ưu hóa biên độ và pha của dòng điện.
+ Bộ nghịch lưu PWM: được sử dụng để biến đổi từ dq sang vectơ không gian và xuất ra xung điều khiển bộ công suất.
PLL 3 pha
PLL là một hệ thống hồi tiếp vòng kín gồm ba khối chính: VCO (Voltage Controlled Oscillator), khối phát hiện pha (phase detector) và bộ lọc thông thấp (low-pass filter) Trong cấu trúc PLL, VCO tạo ra tín hiệu được điều khiển bởi tín hiệu từ khối phát hiện pha, và hai tín hiệu có thể lệch nhau về pha hoặc tần số trong quá trình hiệu chỉnh, nhưng khi vòng khóa kết thúc, tín hiệu ngõ ra của PLL đồng bộ với tín hiệu tham chiếu về pha và tần số Khi PLL ở trạng thái khóa, pha và tần số ra vào được đồng bộ với tín hiệu đầu vào.
Hình 3.33 Sơ đồ hệ thống điều khiển PLL
Các khối của một hệ thống điều khiển PLL lần lượt được phân tích như sau:
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 rằng sai số này bao gồm các hài bậc cao như sau:
Trong quá trình xử lý tín hiệu, các thành phần tần số cao hơn tần số cơ bản sẽ bị lọc bỏ bởi bộ lọc thông thấp, giúp tín hiệu sạch và ổn định Sai số sau lọc sẽ tỷ lệ với biến Vcont (điện áp điều khiển DC), và được dùng làm tham chiếu cho bộ VCO (Voltage-Controlled Oscillator).
Ngõ ra của VCO được xác định như sau:
0: Tần số ngõ tại thời điểm Vcont = 0
Trong hệ thống vòng khóa điều khiển, hệ số tỷ lệ của bộ VCO (K0) được đo bằng rad/s/V và xác định mức tăng của tần số ngõ ra mỗi đơn vị thay đổi của điều khiển Vcont Để có ngõ ra mong muốn, giá trị Vcont được bộ phase detector hiệu chỉnh dựa trên độ lệch pha giữa tín hiệu tham chiếu và tín hiệu từ VCO, nằm trong phạm vi cho phép của VCO Độ lệch pha được định nghĩa là hiệu giữa pha tham chiếu và pha của tín hiệu VCO, và được phase detector chuyển thành tín hiệu điều chỉnh nhằm điều chỉnh Vcont sao cho ngõ ra khớp với mục tiêu đã đề ra.
Hình 3.34 Tín hiệu ngõ ra VCO
Trong Hình 3.34, giả sử 2 ngõ vào của bộ phase detector là 2 sóng vuông mà sẽ có mức logic 1 bất cứ khi nào chúng lệch pha.
Giả sử tần số mong muốn là ω1, tương ứng với hình ở phía trên bên phải, và sẽ có một điện áp điều khiển V1 được phát sinh từ bộ phase detector Khi PLL hoạt động trong vòng lặp kín, độ lệch pha giữa tín hiệu tham chiếu và tín hiệu bị khóa sẽ được giảm xuống nhờ điện áp điều khiển V1 điều chỉnh tần số và pha của hệ thống, đưa PLL về trạng thái đồng bộ pha.
PLL (Phase-Locked Loop) được sử dụng với nhiều mục đích khác nhau trong các hệ thống điện Trong bài viết này, một trong những mục tiêu được phân tích là các ứng dụng của PLL trong phát hiện pha của lưới điện 3 pha, nhằm nhận diện chính xác pha của tín hiệu nguồn và đảm bảo đồng bộ hóa, từ đó nâng cao độ ổn định, tin cậy và hiệu suất của hệ thống phân phối điện.
Hình 3.35 Sơ đồ thực hiện bộ PLL 3 pha
Trong Hình 3.35, bộ biến đổi abc thành αβ được sử dụng để biến đổi điện áp
3 pha sin, lệch nhau 120 0 thành 2 pha trực giao mà lệch pha nhau 90 0 Điện áp 3 pha có dạng: a = Usin(θ); b = Usin(θ +120); c = Usin(θ -120) (3.30)
Hình 3.36 Hệ trục tọa độ
Với các phép biến đổi như trên, các thành phần điện áp Uα và U β là như sau:
+ Thành phần Uα cùng pha với a của điện 3 pha;
+ Thành phần U β sớm hơn Uαmột góc 90 0
Khi ấy, biên độ điện áp, U và góc pha điện áp, cosθ, sinθ cần cho bộ nghịch lưulà như sau:
Trong mô hình hệ thống ba pha hòa lưới, bộ điều khiển được sử dụng là PI PI hoạt động như một bộ lọc thông thấp, cho đáp ứng tốt với tín hiệu đặt là hàm nấc và tín hiệu dốc, nhưng tín hiệu sin không phù hợp để điều khiển PI Do đó, cần một bước trung gian là phép biến đổi Park để biến tín hiệu ba pha sin AC thành dạng DC và đưa vào bộ điều khiển.
Phép biến đổi Park là kỹ thuật tạo một hệ trục tọa độ quay đồng bộ với vectơ không gian và cùng tần số góc Nhờ sự quay đồng bộ này, các hình chiếu của vectơ lên hai trục d và q chỉ ở dạng DC, giúp quá trình phân tích và điều khiển tín hiệu điện trở nên đơn giản và ổn định hơn.
Phép biến đổi Park thực hiện cho iabc thành idq là:
Hệ trục dq là một hệ trục quay đồng thời với vận tốc góc của vectơ không gian, do đó hình chiếu của vectơ không gian lên hệ trục dq là không đổi theo thời gian và cho phép sử dụng trong các bộ điều khiển tuyến tính để điều khiển hệ thống.
Hình 3.37 Hệ trục tọa độ dq
Trong trường hợp góc quay θ của vectơ không gian (góc lượng giác giữa vectơ không gian và trục α đứng yên trong hệ trục αβ) bằng với góc quay θ’ của hệ trục dq (góc giữa trục d của hệ tọa độ quay và trục α), vectơ không gian nằm trên trục d của dq và Uq = 0.
Trong trường hợp: nếu θ ≠ θ’ thì Uq ≠ 0
Trong bộ biến đổi dq điện áp, vectơ không gian của điện áp được chiếu lên hai trục dq, các trục dq quay với góc θ bằng với góc quay của vectơ không gian; khi chiếu vectơ này, các thành phần điện áp Ud và Uq sẽ xuất hiện, đại diện cho thành phần theo trục d (hướng rotor) và theo trục q (vuông góc với d) Ud cho biết biên độ của vectơ điện áp theo trục trực tiếp, còn Uq xác định thành phần vuông góc và ảnh hưởng đến mô-men và công suất Việc diễn giải qua hệ dq giúp chuẩn hóa mô hình và điều khiển điện áp một cách trực quan bằng cách điều chỉnh Ud và Uq, đặc biệt hữu dụng trong điều khiển động cơ từ trường và động cơ cảm ứng.
Bộ biến đổi dq dòng điện thực hiện chiếu vectơ không gian dòng điện lên trục dq với góc quay là góc quay của điện áp
Trong trường hợp dòng điện và điện áp không cùng góc quay (mặc dù quay với cùng vận tốc góc ω nhưng θ khác nhau), iq sẽ khác 0 (iq ≠ 0) Mục tiêu điều khiển ở tình huống này là điều khiển dòng điện và điện áp ở cùng pha hoặc điều khiển iq bằng 0 (iq = 0) để tối ưu hóa đáp ứng động và nâng cao hiệu suất của hệ thống Việc quản lý sự lệch pha giữa dòng điện và điện áp bằng cách kiểm soát iq hoặc đồng pha giúp cải thiện điều khiển vectơ và sự ổn định của hệ thống.
Hình 3.38 Toàn bộ hệ thống nghịch lưu hòa lưới sử dụng PLL
+ Bộ điều khiển PI được sử dụng với cácmục đích như sau:
Trong hệ thống nguồn điện nối lưới, điều khiển dòng điện nghịch lưu và điện áp lưới cùng pha là yếu tố then chốt để đẩy công suất thực lên lưới khi biên độ và tần số của lưới thay đổi Hệ thống điều khiển điều chỉnh tín hiệu ngõ ra của inverter sao cho điện áp lưới đồng bộ pha với dòng điện, từ đó tối ưu hóa truyền công suất và giảm méo hài Việc duy trì pha cùng lưới cho phép tăng cường truyền tải công suất thực lên lưới bất chấp sự biến động của biên độ và tần số, đồng thời đảm bảo chất lượng điện năng và hiệu suất hệ thống Các phương pháp điều khiển tiên tiến như điều khiển vector hoặc điều khiển DQ có thể áp dụng để duy trì khớp pha và ổn định công suất thực khi tải và lưới biến động.
Điều khiển biên độ của dòng điện cho phép xác định công suất hòa lưới, tối ưu hóa hiệu suất và ổn định hệ thống Đồng thời, duy trì DC link ở mức cố định 180 V để bảo đảm chất lượng điện áp đầu ra, giảm biến động và nhiễu cho các tải liên quan đến lưới điện.
+ Bộ điều khiển PI đượclựa chọn sử dụng là vì:
- Có thểtriệt tiêu sai số xác lập.
- Có cấu trúc đơn giản và dễ dàng thiết kế.
- Cho đáp ứng tốt đối với tín hiệu đặt là DC
- Không quan tâm đến thứ nguyên của tín hiệu vào/ra nên ngõ ra của bộ điều khiển PI được gán là các giá trị điều khiển tùy ý.
Bộ điều khiển PI dòng điện có cùng pha với điện áp lưới Bộ điều khiển PI điều khiển dòng điện sao cho vectơ không gian của dòng điện cùng pha với vectơ không gian của điện áp lưới Điều này có nghĩa là hệ thống được thiết kế để duy trì sự đồng bộ về pha giữa dòng điện và điện áp lưới, từ đó tăng hiệu quả truyền tải và ổn định nguồn điện.
Id và Iq: Dòng điện của hệ trục tọa độ dq khi đã được biến đổi từ dòng điện 3 pha thông qua phép biến đổi Park
Tương ứng vớimạch công suất như trên, vectơ không gian điện áp sẽ là: g
V nl : Vectơ không gian của điện áp nghịch lưu;
V L : Vectơ không gian của điện áp rơi trên cuộn lọc L;
V g : Vectơ không gian của điện áp lưới
Các vectơ không gian được phân tích trên hệ tọa độ dq và chuyển sang dạng dq để phù hợp với mô hình điều khiển Dòng điện được biến đổi sang hệ trục dq và đưa vào bộ điều khiển PI, nơi tín hiệu được tổng hợp tại bộ tổng phía sau PI để tạo ra tín hiệu điều khiển chính xác.