Luận văn Thạc sĩ Tối ưu hóa công suất phát của hệ thống pin quang điện sử dụng giải thuật InC cải tiến

Tuy nhiên, trong các hệ thống pin quang điện này đang tồn tại một vài nhược điểm lớn như sau: - Hiệu suất chuyển đổi của năng lượng mặt trời thành năng lượng điện là tương đối thấp 9 ÷ 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

-

NGUYỄN THANH HIẾU

TỐI ƯU HÓA CÔNG SUẤT PHÁT CỦA HỆ THỐNG PIN QUANG ĐIỆN SỬ DỤNG GIẢI

THUẬT INC CẢI TIẾN

LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số ngành: 60520202

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

-

NGUYỄN THANH HIẾU

TỐI ƯU HÓA CÔNG SUẤT PHÁT CỦA HỆ THỐNG PIN QUANG ĐIỆN SỬ DỤNG GIẢI

THUẬT INC CẢI TIẾN

LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số ngành: 60520202

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS HUỲNH CHÂU DUY

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018

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

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được

sửa chữa (nếu có)

VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Tp HCM, ngày tháng năm 20

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Nguyễn Thanh Hiếu Giới tính: Nam

I- Tên đề tài:

Tối ưu hóa công suất phát của hệ thống pin quang điện sử dụng giải thuật InC cải tiến

II- Nhiệm vụ và nội dung:

- Nghiên cứu các đặc tính của pin quang điện

- Nghiên cứu và xây dựng một hệ thống pin quang điện

- Nghiên cứu và đề xuất giải thuật tối ưu hóa công suất phát của hệ thống pin quang điện

- Mô phỏng hệ thống pin quang điện

- Mô phỏng giải thuật đề xuất tối ưu hóa công suất phát của hệ thống pin quang điện

III- Ngày giao nhiệm vụ:

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ:

V- Cán bộ hướng dẫn: PGS TS HUỲNH CHÂU DUY

CÁN BỘ HUỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

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

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã đuợc cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã đuợc chỉ rõ nguồn gốc

Học viên thực hiện Luận văn

Nguyễn Thanh Hiếu

Đầu tiên, Em xin chân thành cám ơn Trường Đại học Công nghệ TP HCM, Viện đào tạo sau đại học, Viện Kỹ thuật HUTECH đã hỗ trợ, tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành khóa học và đề tài luận văn

Đặc biệt em xin chân thành cám ơn Thầy, PGS TS Huỳnh Châu Duy đã

tận tình giúp đỡ, đóng góp những ý kiến quý báo và hướng dẫn em thực hiện hoàn thiện luận văn này

Cuối cùng, xin cảm ơn tập thể lớp 16SMĐ12, đồng nghiệp và gia đình đã tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn

Nguyễn Thanh Hiếu

Một trong các ứng dụng chính từ nguồn năng lượng mặt trời là sản xuất năng lượng điện thông qua hệ thống pin quang điện (Photovoltaic, PV) Trong

đó, hệ thống pin quang điện này có thể hoạt động độc lập phục vụ trong các hộ gia đình, phục vụ chiếu sáng đường phố cục bộ; hoặc có thể là một hệ thống pin quang điện được kết nối với lưới điện quốc gia Tuy nhiên, trong các hệ thống pin quang điện này đang tồn tại một vài nhược điểm lớn như sau:

- 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

Chính vì các lý do trên, đề tài “Tối ưu hóa công suất phát của hệ thống pin quang điện sử dụng giải thuật InC cải tiến” được lựa chọn và thực

hiện trong luận văn này

Luận văn bao gồm các nội dung như sau:

+ Chương 1: Giới thiệu chung

+ Chương 2: Tổng quan tình hình nghiên cứu và khai thác nguồn năng lượng mặt trời

+ Chương 3: Hệ thống pin quang điện

+ Chương 4: Tối ưu hóa công suất phát của hệ thống pin quang điện + Chương 5: Mô phỏng tối ưu hóa công suất phát của hệ thống pin quang điện

+ Chương 6: Kết luận và hướng phát triển tương lai

One of the main applications of the solar energy source is to generate electricity through photovoltaic (PV) systems In particular, this PV system can

be operated independently in households, served street lighting systems, or the

PV system may be connected to the grid However, there are several major shortcomings in these PV systems :

- The conversion efficiency of solar energy into electrical energy is relatively low (9 ÷ 17%);

- The electrical energy generated by the PV system is constantly changing under different weather conditions

For the above reasons, the topic of "Power optimization of a solar PV system using an improved InC algorithm" is selected and implemented in

this thesis

The thesis includes the following contents:

+ Chapter 1: Introduction

+ Chapter 2: Literature review of using solar energy source

+ Chapter 3: Solar PV system

+ Chapter 4: Power optimization of a solar PV system

+ Chapter 5: Simulation results

+ Chapter 6: Conclusions and future works

MỤC LỤC

Mục lục i

Danh sách hình vẽ iv

Danh sách bảng .ix

Chương 1 - Giới thiệu chung 1

1.1 Giới thiệu 1

1.2 Tính cấp thiết của đề tài 2

1.3 Đối tượng nghiên cứu 2

1.4 Phạm vi nghiên cứu 2

1.5 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 3

1.6 Phương pháp nghiên cứu 3

1.7 Tổng quan tình hình nghiên cứu 3

1.7.1 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài 4

1.7.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 6

1.8 Bố cục của luận văn 6

Chương 2 - Tổng quan tình hình nghiên cứu và khai thác nguồn năng lượng mặt trời 8

2.1 Mặt trời 8

2.2 Quỹ đạo của trái đất quanh mặt trời 10

2.3 Góc cao độ của mặt trời vào buổi trưa 11

2.4 Bức xạ mặt trời 13

2.5 Ứng dụng năng lượng mặt trời 17

2.5.1 Pin quang điện 18

2.5.2 Nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời 19

2.5.3 Động cơ Stirling chạy bằng năng lượng mặt trời 20

2.5.4 Thiết bị đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời 20 2.5.5 Thiết bị làm lạnh và điều hoà không khí sử dụng năng lượng mặt

trời 21

2.6 Tình hình khai thác năng lượng mặt trời tại Việt Nam 23

Chương 3 - Hệ thống pin quang điện 28

3.1 Giới thiệu 28

3.2 Sơ đồ thay thế đơn giản của pin quang điện 31

3.3 Sơ đồ thay thế của pin quang điện có xét đến các tổn hao 32

3.4 Module pin quang điện 33

3.5 Mảng pin quang điện 34

3.5.1 Nối nối tiếp nhiều module pin quang điện 34

3.5.2 Nối song song nhiều module pin quang điện 35

3.5.3 Nối hỗn hợp nhiều module pin quang điện 35

3.6 Các ảnh hưởng đến pin quang điện 36

3.6.1 Ảnh hưởng của cường độ chiếu sáng 36

3.6.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ 37

3.6.3 Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm 37

3.7 Các hệ thống pin quang điện 41

3.7.1 Hệ thống pin quang điện độc lập 42

3.7.2 Hệ thống pin quang điện nối lưới 42

3.7.3 Hệ thống pin quang điện kết hợp 43

3.8 Các đặc điểm của hệ thống pin quang điện nối lưới 44

3.9 Cấu hình DC/DC – DC/AC 45

3.9.1 Bộ biến đổi DC/DC 45

3.9.2 Bộ biến đổi DC/AC 49

3.10 PLL 3 pha 50

3.10.1 Phase detector 51

3.10.2 VCO 51

3.10.3 Bộ nghịch lưu 6 khóa 58

Chương 4 - Tối ưu hóa công suất phát của hệ thống pin quang điện 62

4.1 Giới thiệu 62

4.2 Hệ thống bám điểm công suất cực đại 63

4.3 Thuật toán P&O (Perturb and Observation) 64

4.4 Thuật toán điện dẫn gia tăng (Inc - Incremental Conductance) 68

4.5 Thuật toán điện áp hằng số 71

4.6 Thuật toán đề xuất xác định điểm công suất cực đại 73

4.7 Phương pháp điều khiển bộ bám điểm công suất cực đại 74

4.7.1 Phương pháp điều khiển PI 75

4.7.2 Phương pháp điều khiển trực tiếp 76

4.7.3 Phương pháp điều khiển đo trực tiếp tín hiệu ra 78

Chương 5 - Mô phỏng tối ưu hóa công suất của hệ thống pin quang điện 79

5.1 Giới thiệu 79

5.2 Mô phỏng pin quang điện 81

5.3 Bộ biến đổi công suất điều khiển bám điểm công suất cực đại DC/DC 84

5.4 Mô phỏng với điều kiện bức xạ thay đổi và nhiệt độ không đổi 85

5.4.1 Điều kiện bức xạ, G = 1 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C 85

5.4.2 Điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C 87

5.4.3 Điều kiện bức xạ, G = 0,6 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C 88

5.5 Mô phỏng với điều kiện bức xạ không đổi và nhiệt độ thay đổi 90

5.5.1 Điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 150C 91

5.5.2 Điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 300C 94

5.5.3 Điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 350C 96

5.6 Mô phỏng với điều kiện bức xạ và nhiệt độ thay đổi 98

Chương 6 - Kết luận và hướng phát triển tương lai 102

6.1 Kết luận 102

6.2 Hướng phát triển tương lai 102

Tài liệu tham khảo 103

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 2.1 Cấu trúc của mặt trời 8

Hình 2.2 Quỹ đạo trái đất quay quanh mặt trời 11

Hình 2.3 Hướng nhìn quỹ đạo trái đất 12

Hình 2.4 Góc cao độ mặt trời 13

Hình 2.5 Dải bức xạ điện từ 14

Hình 2.6 Góc nhìn mặt trời 15

Hình 2.7 Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển của trái đất 16

Hình 2.8 Hệ thống pin quang điện 18

Hình 2.9 Nhà máy điện mặt trời 19

Hình 2.10 Tháp năng lượng mặt trời 20

Hình 2.11 Động cơ Stirling dùng năng lượng mặt trời 20

Hình 2.12 Hệ thống cung cấp nước nóng dùng sử dụng năng lượng mặt trời 21

Hình 2.13 Tủ lạnh sử dụng pin quang điện 22

Hình 2.14 Hệ thống lạnh hấp thụ sử dụng năng lượng mặt trời 23

Hình 3.1 Phổ năng lượng mặt trời 28

Hình 3.2 Nguyên tắc chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện của pin quang điện 30

Hình 3.3 Mô hình đơn giản của pin quang điện 30

Hình 3.4 Sơ đồ thay thế đơn giản của pin quang điện 31

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) 31

Hình 3.6 Mô hình thay thế pin quang điện có xét đến các tổn hao 32

Hình 3.7 Đặc tính của pin quang điện có xét đến các ảnh hưởng của R s và R p 33

Hình 3.8 Module pin quang điện 33

Hình 3.9 Đặc tính của module pin quang điện 34

Hình 3.10 Các module pin quang điện được kết hợp nối tiếp với nhau 34

Hình 3.11 Các module pin quang điện được kết hợp song song với nhau 35 Hình 3.12 Các module pin quang điện được kết hợp hổn hợp với nhau 36

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, 250C 36

Hình 3.14 Đặc tuyến V-I của pin quang điện với các nhiệt độ khác nhau và cường độ chiếu sáng không đổi 1 kW/m2 37

Hình 3.15 Module pin quang điện với n pin quang điện trong trường hợp module không bị che khuất 38

Hình 3.16 Module pin quang điện với n pin quang điện trong trường hợp module bị che khuất một phần 38

Hình 3.17 Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm đối với module pin quang điện 39

Hình 3.18 Module pin quang điện với nhiều pin quang điện bị che khuất 40 Hình 3.19 Module pin quang điện sử dụng diode bypass 40

Hình 3.20 Đặc tính của PV trong trường hợp sử dụng diode bypass 41

Hình 3.21 Đánh giá so sánh giữa các trường hợp có và không có diode bypass 41

Hình 3.22 Hệ thống pin quang điện độc lập 42

Hình 3.23 Hệ thống pin quang điện nối lưới 43

Hình 3.24 Hệ thống pin quang điện kết hợp 43

Hình 3.25 Sơ đồ khối mô ta hệ thống pin quang điện nối lưới 44

Hình 3.26 Kiểu máy biến áp tần số thấp và cao 44

Hình 3.27 Kiểu biến đổi không cách ly bằng máy biến áp 45

Hình 3.28 Các bộ biến đổi DC-DC chuyển mạch 46

Hình 3.29 Bộ biến đổi Buck-Boost 46

Hình 3.30 Sơ đồ xung kích, dòng tải và dòng qua cuộn cảm 48

Hình 3.31 Sơ đồ nghịch lưu 3 pha hòa lưới 49

Hình 3.32 Bộ điều nghịch lưu 3 pha hòa lưới 50

Hình 3.33 Sơ đồ hệ thống điều khiển PLL 51

Hình 3.34 Tín hiệu ngõ ra VCO 52

Hình 3.35 Sơ đồ thực hiện bộ PLL 3 pha 53

Hình 3.36 Hệ trục tọa độ αβ 53

Hình 3.37 Hệ trục tọa độ dq 55

Hình 3.38 Toàn bộ hệ thống nghịch lưu hòa lưới sử dụng PLL 56

Hình 3.39 Sơ đồ nguyên lý bộ nghịch lưu 6 khóa 58

Hình 3.40 Trạng thái đóng ngắt của các khóa bán dẫn 58

Hình 3.41 Các vector điện áp chuẩn và các sector 60

Hình 3.42 Giản đồ đóng ngắt của các khóa 61

Hình 4.1 Quan hệ giữa điện áp và dòng điện của pin quang điện 63

Hình 4.2 Thuật toán P&O khi tìm điểm làm việc có công suất cực đại 65

Hình 4.3 Lưu đồ thuật toán P&O 66

Hình 4.4 Sự thay đổi của điểm công suất cực đại theo sự thay đổi của cường độ bức xạ 67

Hình 4.5 Thuật toán InC 69

Hình 4.6 Lưu đồ thuật toán InC 71

Hình 4.7 Lưu đồ thuật toán điện áp hằng số 72

Hình 4.8 Điều khiển bám điểm công suất cực đại sử dụng phương pháp điều khiển PI 75

Hình 4.9 Điều khiển bám điểm công suất cực đại sử dụng phương pháp điều khiển trực tiếp 76

Hình 4.10 Mối quan hệ giữa tổng trở vào, Rin và hệ số làm việc, D 77

Hình 5.1 Hệ thống pin quang điện nối lưới 79

Hình 5.2 Sơ đồ mô phỏng hệ thống pin quang điện nối lưới 80

Hình 5.3 Hệ thống pin quang điện (10 nối tiếp x 02 song song) 81

Hình 5.4 Hệ pin quang điện tương ứng với các điều kiện bức xạ, G (kW/m2) và nhiệt độ, T (0C) khác nhau 82

Hình 5.5 Đặc tuyến V-I tương ứng với các điều kiện bức xạ 1kW/m2; 0,8kW/m2 và 0,6 kW/m2 và nhiệt độ môi trường 25 0C 82

Hình 5.6 Đặc tuyến V-P tương ứng với các điều kiện bức xạ,

G = 1 kW/m2; 0,8 kW/m2 và 0,6 kW/m2 và nhiệt độ môi trường không đổi, T = 25 0

C 83 Hình 5.7 Lưới điện 3 pha (Điện áp, 220 V và tần số, 50 Hz) 84 Hình 5.8 Bộ biến đổi công suất điều khiển bám điểm công suất cực đại DC/DC 85 Hình 5.9 Công suất của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều

kiện bức xạ, G = 1 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C 86 Hình 5.10 Điện áp của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện bức xạ, G = 1 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C 86 Hình 5.11 Công suất của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C 87 Hình 5.12 Điện áp của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C 88 Hình 5.13 Công suất của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện bức xạ, G = 0,6 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C 89 Hình 5.14 Điện áp của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện bức xạ, G = 0,6 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C 89 Hình 5.15 Đặc tuyến V-P tương ứng với các điều kiện bức xạ không đổi, G = 0,8 kW/m2

và nhiệt độ môi trường thay đổi, T = 150C; 300C

và 350C 91 Hình 5.16 Đặc tuyến V-P của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2

và nhiệt độ, T = 150C 92 Hình 5.17 Công suất của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 150C 92 Hình 5.18 Điện áp của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều

kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 150C 93 Hình 5.19 Đặc tuyến V-P của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2

và nhiệt độ, T = 300C 94 Hình 5.20 Công suất của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 300C 95

Hình 5.21 Điện áp của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều

kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 300C 95 Hình 5.22 Đặc tuyến V-P của hệ thống pin quang điện tương ứng với các điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 350C 96 Hình 5.23 Công suất của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 350C 97 Hình 5.24 Điện áp của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều

kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 350C 97 Hình 5.25 Cường độ bức xạ thay đổi, G = 0,6 - 1 (kW/m2) 99 Hình 5.26 Nhiệt độ thay đổi, T = 25 - 35 (0C) 99 Hình 5.27 Công suất của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện bức xạ và nhiệt độ thay đổi 100 Hình 5.28 Điện áp của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều

kiện bức xạ và nhiệt độ thay đổi 101

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 2.1 Ngày số n của ngày đầu tiên của mỗi tháng 11 Bảng 2.2 Thống kê góc δ của ngày 21 mỗi tháng 12 Bảng 2.3 Tiềm năng năng lượng mặt trời tại Việt Nam 24

Bảng 3.1 Bảng phân loại tuần hoàn trích lược với tinh thể Silicon thuộc nhóm IV 29 Bảng 3.2 Điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu ứng với mỗi trạng thái đóng ngắt 59

Bảng 4.1 Mô tả thuật toán P&O 65

Bảng 5.1 Thông số của 01 pin quang điện và hệ với 10 pin quang điện 81 Bảng 5.2 Điểm công suất cực đại tương ứng các điều kiện bức xạ khác nhau 83 Bảng 5.3 Điểm công suất cực đại tương ứng các điều kiện nhiệt độ khác nhau 90 Bảng 5.4 Điểm công suất cực đại tương ứng với các điều kiện bức xạ và nhiệt độ khác nhau 98

Chương 1

Giới thiệu chung

1.1 Giới thiệu

Sự cạn kiệt của các nguồn nhiên liệu sản xuất năng điện truyền thống đã

và đang được thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng đặc biệt quan tâm Để giải quyết vấn đề này, đã có rất nhiều đề xuất của việc sử dụng các dạng năng lượng khác nhau để tạo ra năng lượng điện, dưới các dạng năng lượng tái tạo Một trong số đó có năng lượng mặt trời

Mặt trời là một khối cầu lửa khổng lồ với những phản ứng nhiệt hạch xảy ra liên tục và phát ra nguồn năng lượng dường như vô tận Những phản ứng nhiệt hạch trên mặt trời đã và đang diễn ra hàng triệu triệu năm mà chưa ai dự đoán được thời điểm kết thúc của nó Khối cầu lửa khổng lồ ấy mới chỉ truyền một phần năng lượng nhỏ bé của nó xuống trái đất cách xa hàng triệu km mà con người chúng ta đã cảm thấy sức nóng khủng khiếp của mặt trời ở nhiều vùng Năng lượng mặt trời đã mang lại sự sống cho trái đất và cũng có thể thiêu trụi cả trái đất nếu trái đất không có tầng ô-zôn và khí quyển bảo vệ

Có thể nhận thấy rằng, năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng sạch không giống như bất kỳ một nguồn năng lượng nào khác mà chúng ta đang khai thác trên trái đất Chẳng hạn như thủy điện có thể gây đột biến dòng chảy của sông và làm mất cân bằng sinh thái ở khu vực hạ lưu dòng sông đó; nhiệt điện có thể gây 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 [1]-[2]

Vì vậy, nếu tận dụng được nguồn năng lượng mặt trời để phục vụ cho nhu cầu năng lượng điện thì đây là một trong các mục tiêu cần phải đạt được của các nhà khoa học

Một trong các ứng dụng chính từ nguồn năng lượng mặt trời là sản xuất năng lượng điện thông qua hệ thống pin quang điện (Photovoltaic, PV) Trong

đó, hệ thống pin quang điện này có thể hoạt động độc lập phục vụ trong các hộ gia đình, phục vụ chiếu sáng đường phố cục bộ; hoặc có thể là một hệ thống

pin quang điện được kết nối với lưới điện quốc gia Tuy nhiên, trong các hệ thống pin quang điện này đang tồn tại một vài nhược điểm lớn như sau:

- 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

Chính vì các lý do trên, đề tài “Tối ưu hóa công suất phát của hệ

thống pin quang điện sử dụng giải thuật InC cải tiến” được lựa chọn và

thực hiện trong luận văn này

1.2 Tính cấp thiết của 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

1.3 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 giải thuật tìm điểm công suất cực đại

1.4 Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong các nội dung sau:

- Tổng quan các 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

1.5 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

Đề tài “Tối ưu hóa công suất của hệ thống pin quang điện sử dụng

giải thuật InC cải tiến” 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

1.6 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

1.7 Tổng quan tình hình nghiên cứu

Một vài kỹ thuật bám điểm công suất cực đại đã được đề xuất và giới thiệu, chẳng hạn như thuật toán xáo trộn và giám sát (Pertuation & Observation algorithm, P&O), thuật toán gia tăng độ dẫn (Incremental Conductance algorithm, InC), mạng nơ-rôn nhân tạo, Fuzzy logic, v.v Các kỹ thuật này khác nhau ở một vài khía cạnh và quan điểm bao gồm: tính chất đơn giản của thuật toán, tốc độ hội tụ của thuật toán, tính chất phức tạp của việc thực hiện các phần ứng thực nghiệm, cũng như chi phí thực hiện cho mỗi giải pháp

1.7.1 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài

Trên nền tảng của thuật toán P&O, J Jiang, T Huang, Y Hsiao, và C Chen đã giới thiệu phương pháp so sánh 3 điểm Phương pháp này tương tự như phương pháp P&O và có thể xem như thuật toán P&O cải tiến Thuật toán P&O thực hiện so sánh 2 thời điểm Trong khi đó, thuật toán được giới thiệu so sánh 3 thời điểm từ đó mới ra quyết định tăng, giảm hay giữ nguyên giá trị của điện áp Có thể nhận ra các ưu điểm của thuật toán này, việc so sánh 3 điểm có khả năng khắc phục được sự hoạt động sai của giải thuật P&O truyền thống khi

có sự thay đổi nhanh của môi trường chẳng hạn như cường độ bức xạ, nhiệt độ,

v v Tuy nhiên, đề xuất này cũng tồn tại một vài khuyết điểm chẳng hạn như khi cường độ bức xạ thay đổi mạnh và kéo dài so với chu kỳ lấy mẫu thì thuật toán so sánh 3 điểm này có thể sai do thuật toán luôn xác định được 3 điểm cùng tăng (nếu cường độ bức xạ tăng) hoặc 3 điểm cùng giảm (nếu cường

độ bức xạ giảm) và cuối cùng quyết định thay đổi giá trị điện áp sẽ không chính xác, ảnh hưởng đến hiệu quả của thuật toán [3]

Tương tự, để khắc phục cho các khuyết điểm của thuật toán P&O truyền thống, D Sera, T Kerekes, R Teodorescu và F Blaabjerg đã giới thiệu thêm một thuật toán bám điểm công suất cực đại trên nền tảng của thuật toán P&O bằng việc lấy thêm các mẫu trung gian Ưu điểm của thuật toán này sẽ giúp bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại không bị nhẫm lẫn khi cường độ sáng thay đổi tuyến tính Trong khi đó, nhược điểm của thuật toán này là khi cường

độ chiếu sáng thay đổi không tuyến tính thì thuật toàn này có thể hoạt động sai [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 cực đại Các kết quả mô phỏng trong nghiên cứu này cũng được sử dụng để so sánh với các kết quả khác bằng việc sử dụng kỹ thuật P&O thông thường Kết quả so sánh cho thấy rằng phương pháp đề xuất có khả năng đạt được giá trị công suất cực đại nhanh hơn thuật toán P&O [6]

Bên cạnh các kỹ thuật đã được giới thiệu cho việc bám điểm công suất cực đại thì các kỹ thuật khác liên quan đến việc nghiên cứu và thiết kế các hệ thống điều khiển bám theo mặt trời cũng được đề cập giải quyết sao cho khả năng khai thác được từ nguồn năng lượng mặt trời là lớn nhất G Deb, A B Roy; T Tudorache, C 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

Tương tự, N Barsoum, P Vasant [10] cũng đã giới thiệu một thiết kế khác cho hệ thống bám theo mặt trời 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 gia tăng độ dẫn (InC), tác giả Phạm Văn

Để đã đề xuất thuật toán InC cải tiến cho điều khiển bám điểm công suất cực đại của một hệ thống điện năng lượng mặt trời trong Luận văn Thạc Sĩ Các kết quả mô phỏng được thực hiện trong luận văn này cho thấy rằng đề xuất có đáp ứng thời gian tốt hơn và ổn định hơn với các thay đổi khác nhau của bức xạ năng lượng mặt trời [11]

Bên cạnh đó, dựa vào thuật toán P&O, tác giả Trầm Minh Tuấn cũng đã cải tiến thuật toán này trên cơ sở khắc phục các khuyết điểm đang tồn tại của thuật toán P&O, đặc biệt trong các điều kiện bức xạ thay đổi đột ngột thông qua bước xác định dòng điện ngắn mạch của hệ pin quang điện trong Luận văn Thạc Sĩ Cải tiến này đã giúp cho thuật toán P&O đạt được giá trị và tốc độ hội

tụ được tốt hơn [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 (Thuật toán PSO) cho việc tìm điểm công suất cực đại trong Luận văn Thạc Sĩ Đặc biệt, tác giả đã 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

đề xuất là xác định điểm công suất cực đại toàn cục Các kết quả mô phỏng cho thấy rằng, thuật toán PSO đã chứng tỏ được hiệu quả của nó trong việc tìm điểm công suất cực đại toàn cục của hệ pin quang điện trong điều kiện vận hành có xét đến hiện tượng bóng râm [13]

1.8 Bố cục của luận văn

Bố cục của luận văn gồm 6 chương:

+ Chương 1: Giới thiệu chung

+ Chương 2: Tổng quan tình hình nghiên cứu và khai thác nguồn năng lượng mặt trời

+ Chương 3: Hệ thống pin quang điện

+ Chương 4: Tối ưu hóa công suất phát của hệ thống pin quang điện

+ Chương 5: Mô phỏng tối ưu hóa công suất của hệ thống pin quang điện

+ Chương 6: Kết luận và hướng phát triển tương lai

Chương 2

Tổng quan tình hình nghiên cứu và khai thác nguồn năng lượng mặt trời

2.1 Mặt trời

Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1.390×106 km (lớn hơn

110 lần đường kính trái đất), cách xa trái đất 150×106 km (bằng một đơn vị thiên văn, AU) và ánh sáng mặt trời cần khoảng 8 phút để vượt qua khoảng trên

và đến trái đất

Khối lượng và nhiệt độ của mặt trời là như sau:

+ Khối lượng mặt trời, M0 = 2×1030 kg

+ Nhiệt độ trung tâm mặt trời, T0 thay đổi trong khoảng từ 10×106 0K đến 20×1060K và trung bình khoảng 15,6×1060K

Như vậy, ở nhiệt độ vật chất không thể giữ được cấu trúc trật tự thông thường với các nguyên tử và phân tử mà nó sẽ trở thành plasma Trong đó, các hạt nhân của nguyên tử sẽ chuyển động tách biệt với các electron Khi các hạt nhân tự do có va chạm với nhau sẽ xuất hiện những vụ nổ nhiệt hạch Khi quan sát tính chất của vật chất nguội hơn trên bề mặt nhìn thấy được của mặt trời, các nhà khoa học đã kết luận rằng có phản ứng nhiệt hạch xảy ra ở trong lòng mặt trời

Hình 2.1 Cấu trúc của mặt trời

Về cấu trúc, mặt trời có thể được chia làm 4 vùng mà sẽ hợp thành một khối cầu khí khổng lồ, Hình 2.1

+ Vùng giữa được gọi là nhân hay “lõi” mà sẽ có những chuyển động đối lưu mà cũng chính là nơi xảy ra những phản ứng nhiệt hạt nhân để có tạo nên nguồn năng lượng mặt trời Vùng này có bán kính khoảng 175.000 km, khối lượng riêng 160 kg/dm3, nhiệt độ ước tính từ 14 đến 20×106 0K, áp suất khoảng hàng trăm tỷ atmotphe

+ Vùng kế tiếp là vùng trung gian, còn được gọi là vùng “đổi ngược”

mà qua đó năng lượng truyền từ trong ra ngoài Vật chất ở vùng này bao gồm sắt (Fe), canxi (Ca), natri (Na), stronti (Sr), crôm (Cr), niken (Ni), cacbon ( C), silic (Si) và các khí như hiđrô (H2), 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 với nhiệt độ khoảng 6.000 0K Vùng này gồm các bọt khí sôi sục, có chỗ tạo ra các vết đen Thực chất, vùng này là các hố xoáy có nhiệt độ thấp khoảng 4.500 0K và các tai lửa có nhiệt độ từ 7.000 0K - 10.000 0K

+ Vùng ngoài cùng là vùng bất định Vùng này chính là “khí quyển” của mặt trời Nhiệt độ bề mặt của mặt trời là 5.762 0K Nhiệt độ này là đủ lớn để các nguyên tử tồn tại trong trạng thái kích thích và đồng thời đủ nhỏ để xuất hiện những nguyên tử bình thường và cấu trúc phân tử

Dựa trên cơ sở phân tích các phổ bức xạ và hấp thụ của mặt trời, xác định được rằng mặt trời có ít nhất 2/3 số nguyên tố 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:

+ Neon: khoảng 0,12%;

+ Nitrogen: khoảng 0,09%;

+ Silicon: khoảng 0,07%;

+ Magnesium: khoảng 0,05%; và + Sulphur: khoảng 0,04%

Nguồn năng lượng bức xạ chủ yếu của mặt trời là do phản ứng nhiệt hạch tổng hợp hạt nhân Hydro mà sản phẩm là sự hình thành Heli Hạt nhân của Hydro có một hạt mang điện dương là proton Thông thường, những hạt mang điện cùng dấu đẩy nhau Nhưng ở nhiệt độ đủ cao, chuyển động của chúng sẽ nhanh tới mức chúng có thể tiến gần đến nhau ở một khoảng cách mà

ở đó có thể kết hợp với nhau dưới tác dụng của các lực hút

Khi đó, cứ 4 hạt nhân Hydro lại tạo ra 01 hạt nhân Heli, 02 Neutrino và

01 lượng bức xạ như phương trình phản ứng (2.1)

Trong quá trình diễn biến của phản ứng, có một lượng vật chất của mặt trời bị mất đi Do đó, khối lượng của mặt trời mỗi giây giảm chừng 4×106 tấn Tuy nhiên, theo các nhà nghiên cứu, trạng thái của mặt trời vẫn không thay đổi trong thời gian hàng tỷ năm nữa Mỗi ngày, mặt trời sản xuất một nguồn năng lượng qua phản ứng nhiệt hạch lên đến 9×1024 kWh, tức là chưa đầy một phần triệu giây, mặt trời đã giải phóng ra một lượng năng lượng tương đương với tổng số điện năng được sản xuất trong một năm trên trái đất

2.2 Quỹ đạo của trái đất quanh mặt trời

Trái đất quay quanh mặt trời theo quỹ đạo hình elip, một vòng của trái đất quay quanh mặt trời là 365,25 ngày

Điểm mà tại đó trái đất gần mặt trời nhất được gọi là điểm cận nhật Điểm này xảy ra vào ngày 2 tháng 1 Vào lúc này, trái đất cách mặt trời khoảng

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

Mười hai

n 1 32 60 91 121 152 182 213 244 274 305 335

2.3 Góc cao độ của mặt trời vào buổi trưa

Mặt trời mọc ở hướng đông và lặn ở hướng tây Mặt trời đạt điểm cao nhất vào thời điểm giữa trong ngày Trái đất quay quanh mặt trời và khó có thể xác định được góc của mặt trời so với mặt phẳng trái đất, Hình 2.2

Hình 2.2 Quỹ đạo trái đất quay quanh mặt trời Mặt khác, để thuận tiện cho việc xác định được góc của mặt trời Trái đất được giả sử là cố định quay quanh trục Bắc - Nam và mặt trời nằm ở một số

nơi trong không gian từ từ di chuyển lên xuống như tiến độ mùa Vào ngày 21 tháng 6 (hạ chí), mặt trời đạt đến điểm cao nhất và một tia kẻ từ trung tâm của trái đất đến trung tâm của mặt trời mà hình thành với mặt phẳng xích đạo một góc bằng 23,450 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 -23,450 đến 23,450

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 thể được xác định thông qua Bảng 2.2 như sau:

Bảng 2.2 Thống kê góc δ của ngày 21 mỗi tháng

Tháng Một Hai Ba Tư Năm Sáu Bảy Tám Chín Mười Mười

một

Mười hai

δ ( 0 ) -20,1 -11,2 0 11,6 20,1 23,4 20,4 11,8 0 -11,8 -20,4 -23,4

Hình 2.3 không thể hiện được quỹ đạo quay của trái đất quanh mặt trời nhưng lại thích hợp cho việc hiển thị các vĩ độ khác nhau và góc để tính toán thu nhận năng lượng mặt trời, cụ thể đó 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

và sẽ tương ứng với bức xạ có bước sóng dài Như vậy, bức xạ chuyển thành bức xạ Rơngen có bước sóng dài hơn Gần đến bề mặt mặt trời nơi có nhiệt độ

đủ thấp để có thể tồn tại vật chất trong trạng thái nguyên tử và các cơ chế khác bắt đầu xảy ra

Đặc trưng của bức xạ mặt trời truyền trong không gian bên ngoài mặt trời là một phổ rộng Trong đó, cực đại của cường độ bức xạ nằm trong dải

10-1-10µm và hầu như, một nửa tổng năng lượng mặt trời tập trung trong khoảng bước sóng 0,38 - 0,78µm mà được gọi là vùng nhìn thấy của phổ

Hình 2.5 Dải bức xạ điện từ

Chùm tia truyền thẳng từ mặt trời gọi là bức xạ trực xạ Tổng hợp các tia trực xạ và tán xạ gọi là tổng xạ Mật độ dòng bức xạ trực xạ ở ngoài lớp khí quyển, tính đối với với 1m2bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ mà được xác định theo biểu thức:

4 0

C0=5,67 W/m2.K4: Hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối;

T=57620K: Nhiệt độ bề mặt (xem giống như vật đen tuyệt đối)

Hình 2.6 Góc nhìn mặt trời Như vậy:

2 4

2

/ 1353 100

5762 67 5 4

Khi truyền qua lớp khí quyển bao bọc quanh trái đất, các chùm tia bức

xạ bị hấp thụ và tán xạ bởi tầng ôzôn, hơi nước và bụi trong khí quyển, chỉ một phần năng lượng được truyền trực tiếp đến trái đất Đầu tiên, ôxy phân tử bình thường phân ly thành ôxy nguyên tử và để phá vỡ liên kết phân tử đó cần phải

có các photon bước sóng ngắn hơn 0,18µm Do đó, các photon (xem bức xạ như các hạt rời rạc - photon) có năng lượng như vậy sẽ bị hấp thụ hoàn toàn Chỉ một phần các nguyên tử ôxy kết hợp thành các phân tử, còn đại đa số các nguyên tử tương tác với các phân tử ôxy khác để tạo thành phân tử ôzôn, ôzôn cũng hấp thụ bức xạ tử ngoại nhưng với mức độ thấp hơn so với ôxy Dưới tác dụng của các photon với bước sóng ngắn hơn 0,32µm, sự phân tách O3thành

O2và O xảy ra Như vậy, hầu như toàn bộ năng lượng của bức xạ tử ngoại được

sử dụng để duy trì quá trình phân ly và hợp nhất của O2 và O3, đó là một quá trình ổn định Do quá trình này, khi đi qua khí quyển, bức xạ tử ngoại biến đổi thành bức xạ với năng lượng nhỏ hơn

Các bức xạ với bước sóng ứng với các vùng nhìn thấy và vùng hồng ngoại của phổ tương tác với các phân tử khí và các hạt bụi của không khí nhưng không phá vỡ các liên kết của chúng Khi đó, các photon bị tán xạ khá đều theo mọi hướng và một số photon quay trở lại không gian vũ trụ Bức xạ chịu dạng tán xạ đó chủ yếu là bức xạ có bước sóng ngắn nhất Sau khi phản xạ

từ các phần khác nhau của khí quyển bức xạ tán xạ đi đến chúng ta mang theo màu xanh lam của bầu trời trong sáng và có thể quan sát được ở những độ cao không lớn Các giọt nước cũng tán xạ rất mạnh bức xạ mặt trời Bức xạ mặt trời khi đi qua khí quyển còn gặp một trở ngại đáng kể nữa đó là do sự hấp thụ của các phần tử hơi nước, khí cácbônic và các hợp chất khác, mức độ của sự hấp thụ này phụ thuộc vào bước sóng, mạnh nhất ở khoảng giữa vùng hồng ngoại của phổ Phần năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới bề mặt trái đất trong những ngày quang đãng (không có mây) ở thời điểm cao nhất vào khoảng 1000W/m2, 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 của bức xạ mặt trời ở một điểm nào đó trên trái đất là quãng đường nó đi qua Sự mất mát năng lượng trên quãng đường đó gắn liền với sự tán xạ, hấp thụ bức xạ và phụ thuộc vào thời gian trong ngày, mùa và vị trí địa lý Các mùa hình thành là do sự nghiêng của trục

trái đất đối với mặt phẳng quỹ đạo của nó quanh mặt trời gây ra Góc nghiêng vào khoảng 66,50 và thực tế xem như không đổi trong không gian Sự định hướng như vậy của trục quay trái đất trong chuyển động của nó đối với mặt trời

gây ra những sự dao động quan trọng về độ dài ngày và đêm trong năm

2.5 Ứng dụng năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng mà con người biết sử dụng từ rất sớm, nhưng ứng dụng năng lượng mặt trời vào các công nghệ sản xuất và trên quy mô rộng thì mới chỉ thực sự vào cuối thế kỷ 18 và cũng chủ yếu ở những nước nhiều năng lượng mặt trời, những vùng sa mạc Từ 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 tiên phong trong việc nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời Các ứng dụng năng lượng mặt trời phổ biến hiện nay bao gồm 2 lĩnh vực chủ yếu:

Thứ nhất là biến đổi trực tiếp năng lượng mặt trời thành năng lượng điện nhờ vào các tế bào quang điện bán dẫn hay còn gọi là pin quang điện, các pin quang điện sản xuất ra điện năng một cách liên tục khi có bức xạ mặt trời chiếu tới

Thứ hai là sử dụng năng lượng mặt trời dưới dạng nhiệt năng Các thiết

bị thu bức xạ nhiệt mặt trời và tích trữ nó dưới dạng nhiệt năng để dùng vào các mục đích khác nhau

Việt Nam là quốc gia có tiềm năng về năng lượng mặt trời mà trải dài từ

vĩ độ 80 Bắc đến 230 Bắc, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao, với trị số tổng xạ khá lớn từ 100 - 175 kcal/cm2năm Do đó, việc

sử dụng năng lượng mặt trời ở nước ta sẽ mang lại hiệu quả kinh tế lớn Hiện nay, thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời ở Việt Nam chủ yếu là hệ thống cung cấp điện dùng pin quang điện, bếp nấu có gương phản xạ, hệ thống cung cấp nước nóng, chưng cất nước, chạy các động cơ nhiệt (động cơ Stirling) và làm lạnh là ứng dụng hấp dẫn có tính thời sự đã và đang được nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước nghiên cứu

2.5.1 Pin quang điện

Hình 2.8 Hệ thống pin quang điện

Pin quang điện là phương pháp sản xuất năng lượng điện trực tiếp từ năng lượng mặt trời thông qua thiết bị biến đổi quang điện Pin quang điện có

ưu điểm là gọn nhẹ có thể lắp đặt bất kỳ ở đâu có ánh sáng mặt trời

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 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

Hình 2.9 Nhà máy điện mặt trời

Điện năng còn có thể được tạo ra từ năng lượng mặt trời dựa trên nguyên tắc 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 là truyền động cho máy phát điện Hiện nay, trong các nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời có các loại hệ thống bộ thu chủ yếu sau đây:

+ Hệ thống dùng parabol trụ để tập trung tia bức xạ mặt trời vào một ống môi chất đặt dọc theo đường hội tụ của bộ thu, nhiệt độ có thể đạt tới

4000C Hệ thống nhận nhiệt trung tâm bằng cách sử dụng các gương phản xạ có định vị theo phương mặt trời để tập trung năng lượng mặt trời đến bộ thu đặt trên đỉnh tháp cao, nhiệt độ có thể đạt tới trên 15000C

+ Hệ thống sử dụng gương parabol tròn xoay định vị theo phương mặt trời để tập trung năng lượng mặt trời vào một bộ thu đặt ở tiêu điểm của gương, nhiệt độ có thể đạt trên 15000C

Hình 2.10 Tháp năng lượng mặt trời

2.5.3 Động cơ Stirling chạy bằng năng lượng mặt trời

Hình 2.11 Động cơ Stirling dùng năng lượng mặt trời

Ứng dụng năng lượng mặt trời để chạy các động cơ nhiệt - động cơ Stirling ngày càng được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi cho bơm nước sinh hoạt hay tưới cây ở các nông trại Ở Việt Nam, động cơ Stirling chạy bằng năng lượng mặt trời cũng đã được nghiên cứu, chế tạo và triển khai ứng dụng vào thực tế

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 dùng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới

Ở Việt Nam, hệ thống cung cấp nước nóng bằng năng lượng mặt trời đã

và đang được sử dụng rộng rãi ở Hà Nội, Tp HCM và Đà Nẵng Các hệ thống này đã tiết kiệm cho người sử dụng một lượng đáng kể về năng lượng, góp phần rất lớn trong việc thực hiện chương trình sử dụng năng lượng tái tạo của nước ta và bảo vệ môi trường chung của nhân loại

Hiện nay, hệ thống cung cấp nước nóng dùng năng lượng mặt trời tại Việt Nam cũng như trên thế giới chủ yếu dùng bộ thu cố định kiểu tấm phẳng hoặc dãy ống có cánh nhận nhiệt với nhiệt độ nước sử dụng 60oC thì hiệu suất của bộ thu khoảng 45%, còn nếu sử dụng ở nhiệt độ cao hơn thì hiệu suất là còn thấp

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 số các ứng dụng của năng lượng mặt trời thì làm lạnh và điều hoà không khí là ứng dụng hấp dẫn nhất vì nơi nào khí hậu nóng nhất thì nơi đó có nhu cầu về làm lạnh lớn nhất, đặc biệt là ở những vùng xa xôi héo lánh thuộc các nước đang phát triển không có lưới điện quốc gia vì giá nhiên liệu quá đắt

so với thu nhập trung bình của người dân Với các máy lạnh làm việc được dựa trên nguyên lý biến đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện thông qua

hệ thống pin quang điện là dễ dàng nhất, nhưng trong giai đoạn hiện nay chi phí đầu tư cho hệ thống pin quang điện còn khá cao

Ngoài ra, các hệ thống lạnh cũng có sử dụng năng lượng mặt trời dưới dạng nhiệt năng để chạy máy lạnh hấp thụ, loại thiết bị này ngày càng được sử dụng nhiều trong thực tế Tuy nhiên, hiện nay các hệ thống này vẫn chưa được thương mại hóa và sử dụng rộng rãi vì giá thành còn rất cao và hơn nữa các bộ thu dùng trong các hệ thống này chủ yếu là bộ thu phẳng với hiệu suất còn thấp (dưới 45%) nên diện tích lắp đặt bộ thu cần rất lớn chưa phù hợp với yêu cầu thực tế Tại Việt Nam, cũng đã có một số nhà khoa học nghiên cứu tối ưu hoá

bộ thu năng lượng mặt trời kiểu hộp phẳng mỏng cố định có gương phản xạ để ứng dụng trong kỹ thuật lạnh với loại bộ thu này có thể tạo được nhiệt độ cao

để cấp nhiệt cho máy lạnh hấp thụ, nhưng diện tích mặt bằng cần lắp đặt hệ thống cần phải rộng

Hình 2.13 Tủ lạnh sử dụng pin quang điện

Hình 2.14 Hệ thống lạnh hấp thụ sử dụng năng lượng mặt trời

2.6 Tình hình khai thác năng lượng mặt trời tại Việt Nam

Lãnh thổ Việt Nam kéo dài từ 8–230 vĩ Bắc, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao với trị số tổng xạ khá lớn từ 100–175 kcal/cm2.năm Do đó, việc sử dụng năng lượng mặt trời ở nước ta sẽ đem lại hiệu quả kinh tế lớn Hiện nay, giải pháp sử dụng năng lượng mặt trời được cho

là giải pháp tối ưu trong việc khai thác và sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo

mà là nguồn năng lượng quý giá có thể thay thế cho các dạng năng lượng cũ đang ngày càng cạn kiệt Các quốc gia trên thế giới đã sử dụng năng lượng mặt trời như là một giải pháp thay thế cho các nguồn năng lượng truyền thống Tuy nhiên, Việt Nam mới chỉ khai thác khoảng 25% nguồn năng lượng tái tạo này

Do lãnh thổ của Việt Nam trải dài nên tiềm năng về năng lượng mặt trời ở mỗi vùng cũng khác nhau, có thể chia ra thành 5 vùng với tiềm năng tại mỗi vùng như sau: