Sơ đồ khối hệ thống điện lai năng lượng gió và mặt trời Hệ thống điện năng lượng mặt trời trong nghiên cứu này bao gồm các module pin quang điện PV phát ra điện năng một chiều với công s
Giới thiệu chung
Giới thiệu
Điện năng là yếu tố thiết yếu cho sự tồn tại và phát triển của xã hội, đồng thời là huyết mạch của nền kinh tế quốc gia Hiện nay, phần lớn năng lượng điện được sản xuất từ các nguồn năng lượng hóa thạch như than đá, dầu mỏ, khí đốt, không được xem là nguồn năng lượng tái tạo Việc cạn kiệt nhanh chóng các nguồn năng lượng này cùng với các vấn đề ô nhiễm môi trường như khí thải gây hiệu ứng nhà kính, trái đất nóng lên, nước biển dâng cao, bụi mù và mưa axit đang đe dọa tới chất lượng cuộc sống Vì vậy, nghiên cứu và khai thác các nguồn năng lượng thay thế từ các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, thủy triều và sóng biển là cần thiết để đảm bảo an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường.
Ngành năng lượng tái tạo đối mặt với chi phí đầu tư cao cho các công nghệ như năng lượng mặt trời và năng lượng gió, cùng với phương pháp khai thác khác nhau cho từng nguồn Điều này gây hạn chế về hiệu quả khai thác khi các nguồn năng lượng này được sử dụng độc lập Xu hướng phát triển ngành là ghép nối và phối hợp khai thác các nguồn năng lượng tái tạo để nâng cao hiệu quả và ổn định cung cấp điện Chính vì vậy, đề tài “Nghiên cứu hệ thống điện lai năng lượng gió và mặt trời nối lưới” đã được lựa chọn và thực hiện trong luận văn này Kết quả nghiên cứu phù hợp với nhu cầu phát triển kinh tế - xã hội của quốc gia, giúp giảm áp lực cho các nguồn năng lượng truyền thống và hạn chế ô nhiễm môi trường.
Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu
Các tác giả Lại Khắc Lãi, Vũ Nguyên Hải và Trần Gia Khánh đã thực hiện nghiên cứu về "Điều khiển hệ thống lai năng lượng gió và mặt trời trong lưới điện thông minh." Trong đó, họ giới thiệu cách xây dựng mô hình và phương pháp điều khiển cho hệ thống điện lai năng lượng tái tạo này Sơ đồ khối của hệ thống năng lượng gió và mặt trời được thể hiện rõ ràng trong Hình 1.1, minh họa cấu trúc tổng thể của hệ thống hiệu quả Nghiên cứu giúp nâng cao hiệu suất và khả năng tích hợp của năng lượng gió và mặt trời trong lưới điện thông minh.
Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống điện lai năng lượng gió và mặt trời
Hệ thống điện năng lượng mặt trời trong nghiên cứu này bao gồm các module pin quang điện (PV) phát ra điện một chiều phụ thuộc vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ môi trường, được điều chỉnh bởi khối dò tìm điểm công suất cực đại InC dựa trên điều kiện bức xạ và nhiệt độ Dòng điện một chiều từ các module PV qua bộ chuyển đổi DC/DC để điều chỉnh điện áp, sau đó kết hợp với năng lượng từ hệ thống điện gió, trong đó máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu chuyển đổi cơ năng thành điện năng Điện áp xoay chiều từ máy phát gió đi qua bộ chỉnh lưu có điều khiển để hòa hợp với điện áp một chiều của pin quang điện Các nguồn năng lượng này được hòa vào nhau dưới dạng năng lượng một chiều, có thể dùng trực tiếp cho tải một chiều hoặc qua bộ biến đổi DC/AC để chuyển thành điện xoay chiều phù hợp cho tải xoay chiều hoặc kết nối lưới điện, đảm bảo tối đa hóa công suất và hiệu quả hệ thống.
Các kết quả mô phỏng cho thấy công suất và dòng điện ngõ ra của pin quang điện chủ yếu phụ thuộc vào điều kiện bức xạ mặt trời và nhiệt độ của pin Trong khi đó, điện áp của pin quang điện ít bị ảnh hưởng bởi bức xạ mặt trời, mà chủ yếu phụ thuộc vào nhiệt độ của pin Khi nhiệt độ của pin quang điện tăng, công suất tối đa giảm, còn dòng điện ngắn mạch sẽ tăng.
Kết quả mô phỏng cho thấy công suất ngõ ra của hệ thống điện gió phụ thuộc lớn vào tốc độ gió và tốc độ của máy phát điện Trong đó, tốc độ gió đóng vai trò chính ảnh hưởng quyết định đến hiệu suất và công suất của hệ thống điện gió, giúp tối ưu hóa hiệu quả hoạt động của hệ thống.
Để hệ thống tích hợp năng lượng điện gió và mặt trời hoạt động ổn định và hiệu quả, các hệ thống điều khiển cần linh hoạt và điều chỉnh phù hợp với các yếu tố ngẫu nhiên như cường độ bức xạ mặt trời và tốc độ gió Việc giảm thiểu tác động của các yếu tố này là yếu tố then chốt đảm bảo hiệu suất tối ưu của hệ thống năng lượng tái tạo.
Hoàng Trí đã giới thiệu công trình nghiên cứu về "Thiết kế và chế tạo mô hình thiết bị hệ thống kết hợp sử dụng năng lượng mặt trời và gió để sản xuất điện." Ông đề xuất một hệ thống điện tích hợp gồm pin quang điện, tuabin gió và pin lưu trữ dự phòng nhằm tối ưu hóa nguồn năng lượng tái tạo Hệ thống này hoạt động như một nguồn điện thay thế nhỏ gọn cho các địa phương không có lưới điện quốc gia hoặc vùng xa xôi hải đảo Sơ đồ khối hệ thống điện kết hợp gió và mặt trời thể hiện rõ cấu trúc và khả năng hoạt động của hệ thống này nhằm cung cấp năng lượng bền vững và phù hợp với điều kiện đặc thù của các khu vực vùng sâu, vùng xa.
Hình 1.3 Mô hình hệ thống điện kết hợp gió và mặt trời
Hệ thống điện kết hợp gió và mặt trời được mô tả qua sơ đồ khối hệ thống, như biểu diễn trong Hình 1.2 Mô hình hệ thống này được thiết kế tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo để tối ưu hóa hiệu suất, và được thể hiện rõ ràng trong Hình 1.3.
Kết cấu sơ bộ của hệ thống bao gồm:
Đế là thành phần chịu tải trọng chính trong hệ thống năng lượng, có trách nhiệm liên kết các bộ phận quan trọng như tuabin gió, các tấm pin quang điện, bộ sạc, ắc quy và các thành phần khác, đảm bảo sự cố định và hoạt động ổn định của toàn bộ hệ thống.
+ Tuabin gió: có 3 cánh với đường kính quay là 2 m và được liên kết với máy phát điện qua bộ truyền đai
+ Khung đỡ pin quang điện: gồm 2 khung gắn vào trụ có tác dụng đỡ 2 tấm pin quang điện
+ Hộp đựng: chứa các phần khác của hệ thống như bộ sạc, bộ chuyển đổi,
Các tác giả N M Al-enezi và S H Abuarafah trong nghiên cứu "Hybrid solar wind diesel power generation system" đã giới thiệu một hệ thống điện kết hợp gió và mặt trời được giám sát và điều khiển bằng vi điều khiển và trạm giám sát không dây, đảm bảo dòng công suất phân bố tối ưu Hệ thống còn tích hợp pin quang điện, tuabin gió và máy phát điện diesel dự phòng nhằm đáp ứng nhu cầu phụ tải khi nguồn cung cấp thiếu hụt Điểm nổi bật của hệ thống này so với các hệ thống kết hợp khác là khả năng điều chỉnh công suất linh hoạt và quản lý năng lượng hiệu quả, giúp nâng cao độ ổn định và hiệu quả hoạt động của hệ thống năng lượng tái tạo.
Hệ thống năng lượng điện được giới thiệu hoạt động hiệu quả nhờ vào việc giám sát nhu cầu tải hàng ngày cũng như khả năng của các nguồn năng lượng tái tạo Điều này giúp xác định chính xác công suất cần thiết và loại nguồn năng lượng tái tạo phù hợp với nhu cầu thực tế, từ đó tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng, giảm thiểu lãng phí và thúc đẩy phát triển bền vững.
Nguồn ắc-quy dự phòng là hệ thống lưu trữ năng lượng quan trọng, được sử dụng để cung cấp dự phòng trong trường hợp nguồn năng lượng tái tạo không thể phát điện Nó giúp đảm bảo sự ổn định và liên tục của hệ thống điện, hạn chế việc phụ thuộc quá nhiều vào các nguồn phát diesel Việc sử dụng ắc-quy dự phòng là giải pháp tối ưu để duy trì hoạt động ổn định của hệ thống năng lượng sạch và bền vững.
Trong nghiên cứu này, các hệ thống điện kết hợp gió, mặt trời và diesel lần lượt được giới thiệu
Hệ thống điện kết hợp (Hình 1.4) sử dụng ắc-quy được sạc trực tiếp từ pin quang điện và tuabin gió, đảm bảo khai thác hiệu quả các nguồn năng lượng tái tạo Mỗi hệ thống đều có bộ điều khiển sạc riêng biệt để tối ưu hoá quá trình nạp điện Công suất tiêu thụ của tải được cung cấp từ tất cả các nguồn năng lượng tái tạo thông qua bộ chuyển đổi công suất DC/AC, giúp đảm bảo sự ổn định và hiệu quả hoạt động của hệ thống điện hợp nhất.
Hình 1.5 trình bày một hệ thống điện phối hợp giữa năng lượng gió và mặt trời, tương tự như hệ thống trong Hình 1.4 Tuy nhiên, điểm khác biệt chính của hệ thống này là không có hệ thống nguồn dự phòng, ảnh hưởng đến độ ổn định và khả năng cung cấp điện liên tục Việc sử dụng kết hợp năng lượng gió và mặt trời giúp tối ưu hóa khai thác nguồn năng lượng tái tạo, giảm phụ thuộc vào nguồn điện lưới truyền thống.
Hình 1.6 mô tả hệ thống điện kết hợp giữa năng lượng gió và mặt trời, sử dụng một bộ điều khiển sạc để điều chỉnh công suất phân bổ cho các nguồn năng lượng tái tạo, pin quang điện, ắc quy và phụ tải Phụ tải được kết nối gián tiếp với ắc quy thông qua bộ điều khiển sạc nhằm tối ưu hóa hiệu suất hệ thống Các tác giả đã lựa chọn sơ đồ hệ thống này để phục vụ cho nghiên cứu của mình Ngoài ra, họ còn đề xuất bổ sung một nguồn phát điện diesel để đảm bảo cung cấp năng lượng liên tục cho phụ tải.
Hệ thống điện kết hợp được khảo sát trong nghiên cứu này, Hình 1.7 bao gồm:
+ Các nguồn năng lượng bao gồm: tuabin gió, module pin quang điện, máy phát điện deisel;
+ Các phụ tải bao gồm: tải DC, tải AC
+ Các thiết bị lưu trữ: ắc-quy
+ Các bộ vi điều khiển
+ Các thiết bị giao tiếp
Các loại cảm biến phổ biến hiện nay bao gồm cảm biến điện áp, cảm biến cường độ dòng điện, cảm biến nhiên liệu, cảm biến tốc độ và hướng gió, cùng với cảm biến cường độ ánh sáng Những cảm biến này đóng vai trò quan trọng trong hệ thống giám sát và điều khiển, giúp nâng cao hiệu quả hoạt động của các thiết bị và phương tiện Việc sử dụng cảm biến chính xác, đa dạng về loại hình sẽ tối ưu hóa quá trình thu thập dữ liệu và cải thiện chất lượng hệ thống tự động hóa.
Hình 1.8 biểu diễn sự kết nối giữa các thành phần cơ bản trong hệ thống điện kết hợp gió và mặt trời
Hình 1.4 Hệ thống điện kết hợp với hệ thống nguồn dự phòng
Hình 1.5 Hệ thống điện kết hợp không có hệ thống nguồn dự phòng
Hình 1.6 Hệ thống điện kết hợp cung cấp nguồn gián tiếp đến phụ tải thông qua bộ điều khiển
Hình 1.7 Các thành phần cơ bản của hệ thống điện kết hợp gió và mặt trời
Hình 1.8 Kết nối giữa các thành phần trong hệ thống điện kết hợp gió và mặt trời
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan tình hình khai thác và sử dụng các nguồn năng lượng điện tái tạo
- Nghiên cứu nguồn năng lượng điện mặt trời
- Nghiên cứu nguồn năng lượng điện gió
- Nghiên cứu và xây dựng mô hình hệ thống điện kết hợp năng lượng gió và mặt trời
- Nghiên cứu và mô phỏng hệ thống điện kết hợp năng lượng gió và mặt trời.
Phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan tình hình khai thác và sử dụng các nguồn năng lượng điện tái tạo
- Nghiên cứu nguồn năng lượng điện mặt trời công suất nhỏ
- Nghiên cứu nguồn năng lượng điện gió sử dụng máy phát điện nam châm vĩnh cửu công suất nhỏ
- Nghiên cứu và xây dựng mô hình hệ thống điện kết hợp năng lượng gió và mặt trời công suất nhỏ nối lưới
- Nghiên cứu và mô phỏng hệ thống điện kết hợp năng lượng gió và mặt trời công suất nhỏ nối lưới.
Giá trị thực tiễn của luận văn
Các kết quả của luận văn đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy quá trình chuyển đổi năng lượng, góp phần thay thế dần các nguồn năng lượng hóa thạch bằng nguồn năng lượng tái tạo vô tận Đây là giải pháp then chốt phù hợp với xu hướng phát triển của ngành năng lượng điện toàn cầu, hướng tới một tương lai bền vững và thân thiện với môi trường.
Giải pháp kết hợp các nguồn năng lượng điện tái tạo là phương án khả thi nhằm tăng cường nguồn cung điện bền vững và đảm bảo chất lượng điện năng, đặc biệt tại các khu vực vùng sâu, vùng xa hoặc cách xa trung tâm phụ tải Việc tích hợp năng lượng tái tạo giúp nâng cao độ tin cậy và ổn định hệ thống điện, giảm phụ thuộc vào nhiên liệu truyền thống và thúc đẩy phát triển năng lượng sạch Đây là giải pháp hiệu quả để đảm bảo cung cấp điện an toàn và bền vững cho các khu vực khó khăn, góp phần thúc đẩy phát triển kinh tế và nâng cao cuộc sống cộng đồng.
- Nâng cao được hiệu quả khai thác cho các nguồn phát điện công suất nhỏ
- Nội dung của luận văn chính là nguồn tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu có liên quan sau này.
Nội dung của luận văn
Nội dung của luận văn dự kiến bao gồm 5 chương như sau
Chương 2: Cơ sở lý thuyết năng lượng mặt trời và gió
Chương 3: Phân tích hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và gió
Chương 4: Mô phỏng hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và gió
Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai
Kết luận
Việc khai thác năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời và năng lượng gió đang trở thành xu hướng phát triển chính của ngành công nghiệp điện lực, giúp giảm bớt gánh nặng của hệ thống nguồn truyền thống Để tối ưu hóa tiềm năng của các nguồn năng lượng tái tạo, việc kết hợp các nguồn này lại với nhau nhằm tận dụng tối đa ưu điểm của từng loại năng lượng là vô cùng cần thiết.
Thêm vào đó, để có thể khai thác hiệu quả hệ thống nguồn lai này, việc phân tích nó cũng không kém phần quan trọng
Các vấn đề được trình bày trên đây sẽ được tìm hiểu và nghiên cứu trong luận văn này.
Cơ sở lý thuyết năng lượng gió và mặt trời
Năng lượng mặt trời
Năng lượng mặt trời (NLMT) là nguồn năng lượng sạch và vô tận, đã được con người khai thác từ lâu để tận hưởng lợi ích của nguồn năng lượng quý giá này Tuy nhiên, việc khai thác và sử dụng năng lượng mặt trời một cách hiệu quả nhất vẫn là vấn đề được nhiều người quan tâm để góp phần bảo vệ môi trường và tối ưu hóa lợi ích kinh tế.
Hầu hết các nguồn năng lượng mà con người sử dụng hiện nay đều xuất phát hoặc liên quan đến năng lượng mặt trời, ngoại trừ một số nguồn như năng lượng nguyên tử, năng lượng địa nhiệt và năng lượng thủy triều Các nguồn năng lượng thường được chia thành hai nhóm chính: năng lượng tái tạo và năng lượng không tái tạo Trong đó, năng lượng mặt trời đóng vai trò trung tâm trong các nguồn năng lượng tái tạo, góp phần thúc đẩy phát triển bền vững và giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường Việc hiểu rõ các nguồn năng lượng này giúp định hướng phát triển bền vững và tối ưu hóa sử dụng nguồn lực thiên nhiên.
- Năng lượng hóa thạch như dầu, than đá hay khí đốt
- Năng lượng tái tạo từ những nguồn năng lượng như mặt trời, gió, hợp chất hữu cơ,…
Các nguồn năng lượng hóa thạch chủ yếu là năng lượng mặt trời (NLMT) được biến đổi, lưu trữ trong các hợp chất hữu cơ Trong khi đó, các nguồn năng lượng tái tạo mới khai thác NLMT ở nhiều hình thức đa dạng, góp phần thúc đẩy phát triển bền vững và giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.
NLMT là nguồn năng lượng tự nhiên mà con người đã khai thác từ rất sớm, nhưng việc ứng dụng nguồn năng lượng này vào các công nghệ sản xuất và quy mô lớn chỉ bắt đầu phổ biến vào cuối thế kỷ XVIII Các quốc gia có nguồn NLMT dồi dào, như các vùng sa mạc, đã đi đầu trong nghiên cứu và phát triển công nghệ sử dụng loại năng lượng này Các nước công nghiệp phát triển đã tiên phong trong việc ứng dụng NLMT, góp phần thúc đẩy các lĩnh vực như năng lượng sạch, điện năng, và công nghệ bền vững Hiện nay, các ứng dụng của NLMT phổ biến tập trung chính vào năng lượng điện, hệ thống sưởi ấm, và các giải pháp tiết kiệm năng lượng trong đời sống hàng ngày và công nghiệp.
Sử dụng năng lượng mặt trời dưới dạng nhiệt năng là phương pháp hiệu quả để thu nhận bức xạ nhiệt từ mặt trời bằng các thiết bị chuyên dụng Các thiết bị này giúp thu giữ và tích trữ nhiệt năng, từ đó phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau như sưởi ấm, cung cấp năng lượng cho hệ thống công nghiệp hoặc sinh hoạt hàng ngày Nhờ vào công nghệ này, chúng ta có thể tận dụng nguồn năng lượng sạch, tái tạo và giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.
- NLMT được biến đổi trực tiếp thành điện năng nhờ các tế bào quang điện bán dẫn, hay còn gọi là pin mặt trời
Thiết bị nhiệt mặt trời thu nhận bức xạ nhiệt từ mặt trời và tích trữ năng lượng dưới dạng nhiệt năng Các loại thiết bị này đa dạng tùy theo mục đích sử dụng, trong đó hệ thống gương cầu hoặc gương parabol được sử dụng để hội tụ tia mặt trời vào điểm hoặc trục hội tụ Tại các điểm hội tụ, nhiệt độ có thể đạt đến hàng trăm đến hàng nghìn độ Celsius Khi chất lỏng như nước hoặc dầu đi qua vùng hội tụ, chúng bị bay hơi ngay cả trong điều kiện áp suất cao, và hơi nóng này sau đó được dẫn qua các tuabin để phát điện Công nghệ này gọi là công nghệ nhiệt điện mặt trời, mang lại giải pháp năng lượng sạch và hiệu quả từ năng lượng mặt trời.
2.1.2 Các công nghệ sử dụng năng lượng mặt trời
Hiện nay, có hai công nghệ chính sử dụng năng lượng mặt trời (NLMT), đó là công nghệ điện mặt trời dựa trên hiệu ứng quang điện, chuyển đổi ánh sáng thành điện năng hiệu quả cao; và công nghệ nhiệt mặt trời, gồm công nghệ nhiệt nhà kính (nhiệt độ thấp) và công nghệ hội tụ nhiệt mặt trời (nhiệt độ cao), cung cấp giải pháp năng lượng sạch, bền vững.
Nhiệt năng từ mặt trời đã được sử dụng từ lâu để phơi sấy, sưởi ấm một cách tự nhiên Hiện nay, nhờ các thiết bị công nghệ mới, việc khai thác nhiệt mặt trời trở nên hiệu quả hơn nhiều Có hai công nghệ chính được ứng dụng phổ biến trong tận dụng năng lượng mặt trời là dựa trên hiệu ứng nhà kính và hiệu ứng hội tụ bức xạ mặt trời, giúp tối ưu hóa hiệu quả truyền nhiệt và giảm thiểu lãng phí năng lượng.
Công nghệ điện mặt trời quang điện sử dụng hiện tượng hiệu ứng quang điện (photovoltaic) để chuyển đổi năng lượng ánh sáng mặt trời thành dòng điện một chiều Khi ánh sáng chiếu vào lớp tiếp xúc bán dẫn p-n, năng lượng ánh sáng sẽ được biến đổi thành năng lượng điện Công nghệ này đã trở thành một giải pháp bền vững và hiệu quả để chuyển đổi nguồn năng lượng mặt trời thành điện năng, góp phần giảm phát thải khí nhà kính và thúc đẩy sử dụng năng lượng tái tạo.
2.1.3 Các ưu và nhược điểm của năng lượng mặt trời
Các ưu điểm của năng lượng mặt trời có thể được liệt kê như sau:
NLMT (Năng lượng mặt trời) là nguồn năng lượng tái tạo và sạch, giúp giảm thiểu ô nhiễm không khí và đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ môi trường Việc khai thác năng lượng mặt trời không tạo ra khí nhà kính hay gây ô nhiễm như các nguồn năng lượng truyền thống như than đá và dầu khí, góp phần thúc đẩy phát triển bền vững và giảm thiểu tác động tiêu cực đến trái đất.
- Không tạo ra phế thải rắn và khí như các nguồn năng lượng do than đá, khí đốt và năng lượng nguyên tử
- NLMT là nguồn năng lượng vô tận
- NLMT có thể được sản xuất tại bất kì phần nào của thế giới, ở bất cứ nơi nào có nhiều ánh sáng mặt trời có sẵn
Vấn đề sử dụng năng lượng mặt trời (NLMT) đã thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học trên toàn thế giới, bởi tiềm năng lớn của nguồn năng lượng này Tuy nhiên, tỷ trọng năng lượng được sản xuất từ NLMT trong tổng tiêu thụ năng lượng toàn cầu vẫn còn khiêm tốn do nhiều hạn chế, bao gồm chi phí đầu tư ban đầu cao và hiệu suất chuyển đổi năng lượng còn chưa tối ưu Các nghiên cứu đang tập trung vào cải thiện công nghệ để nâng cao hiệu quả của các hệ thống NLMT và giảm giá thành, nhằm thúc đẩy sự phát triển bền vững của nguồn năng lượng này trên quy mô toàn cầu.
- NLMT có thể không hiệu quả làm việc ở các nước lạnh do sự khan hiếm của ánh nắng mặt trời
- NLMT phụ thuộc vào chu kỳ ngày đêm, do đó cần phải có thiết bị lưu trữ nếu muốn nguồn năng lượng liên tục
Đối với các ứng dụng quy mô lớn, diện tích rộng và yêu cầu đầu tư cao thì việc đáp ứng các yêu cầu này không phải là điều dễ dàng.
Hiện nay, nhiều ứng dụng công nghệ cao đang được áp dụng để khai thác nguồn năng lượng mặt trời (NLMT), giúp nâng cao hiệu quả và tính bền vững của năng lượng tái tạo Tuy nhiên, giá thành đầu tư ban đầu cho các hệ thống năng lượng mặt trời vẫn còn cao hơn so với các nguồn năng lượng truyền thống, gây ra thách thức trong việc mở rộng sử dụng rộng rãi.
2.1.4.1 Giới thiệu pin mặt trời
Pin mặt trời, còn gọi là pin quang điện (PV), là phương pháp sản xuất điện năng trực tiếp từ năng lượng mặt trời thông qua thiết bị biến đổi quang điện Công nghệ này sử dụng các tế bào quang điện để chuyển đổi ánh sáng thành điện, giúp cung cấp nguồn năng lượng sạch, bền vững Pin mặt trời là giải pháp hiệu quả trong việc giảm thiểu khí thải carbon và thúc đẩy sử dụng năng lượng tái tạo.
Hiệu ứng quang điện được phát hiện lần đầu vào năm 1839 bởi Alexandre Edmond Becquerel, nhưng phải đến năm 1883, Charles Fritts mới tạo ra pin mặt trời đầu tiên Pin mặt trời có ưu điểm nổi bật là gọn nhẹ, dễ lắp đặt ở bất kỳ nơi nào có ánh sáng mặt trời, và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực Nguồn năng lượng mặt trời từ pin mặt trời đã phát triển rất nhanh, đặc biệt tại các quốc gia phát triển, góp phần thúc đẩy chuyển đổi năng lượng sạch Hiện nay, pin mặt trời đang được ứng dụng trong hàng không vũ trụ, phương tiện giao thông, cũng như trong sinh hoạt hàng ngày để thay thế dần các nguồn năng lượng truyền thống, góp phần bảo vệ môi trường.
2.1.4.2 Cấu tạo của pin mặt trời
Năng lượng gió
2.2.1 Sự hình thành năng lượng gió
Bức xạ mặt trời chiếu xuống trái đất không đều, gây ra sự phân bố nhiệt độ và áp suất khác nhau trong khí quyển, nước và không khí Một nửa bề mặt trái đất là mặt ban đêm, không nhận ánh sáng mặt trời, trong khi nửa còn lại là mặt ban ngày Vùng gần xích đạo nhận bức xạ mặt trời nhiều hơn so với các vùng cực, dẫn đến sự chênh lệch nhiệt độ và áp suất giữa các khu vực này Sự khác biệt này thúc đẩy sự di chuyển của không khí giữa xích đạo và các cực, cũng như giữa mặt ban ngày và mặt ban đêm của trái đất, hình thành các hiện tượng gió và năng lượng gió mạnh mẽ.
Trái đất quay tròn góp phần vào quá trình hình thành các xoáy khí quyển Ngoài ra, trục quay nghiêng so với mặt phẳng quỹ đạo quanh Mặt trời tạo ra các dòng không khí theo mùa rõ rệt.
Hiệu ứng Coriolis, gây ra bởi sự quay của Trái Đất quanh trục, khiến không khí di chuyển từ vùng áp cao xuống vùng áp thấp không theo đường thẳng mà tạo thành các cơn gió xoáy khác nhau giữa Bắc bán cầu và Nam bán cầu Ở Bắc bán cầu, không khí di chuyển vào vùng áp thấp theo chiều ngược kim đồng hồ và rời khỏi vùng áp cao theo chiều kim đồng hồ Ngược lại, trên Nam bán cầu, chiều hướng này sẽ đảo ngược, tạo thành các cơn gió xoáy với hướng khác nhau tùy thuộc vào vĩ độ.
Hình 2.18 Bản đồ vận tốc gió theo mùa
Gió ngoài chịu ảnh hưởng của các yếu tố toàn cầu còn bị tác động bởi đặc điểm địa hình tại từng khu vực Nước và đất có nhiệt dung khác nhau, dẫn đến ảnh hưởng đáng kể đến chuyển động của gió ở các địa phương khác nhau.
Vào ban ngày, đất nóng lên nhanh hơn nước, tạo nên khác biệt về áp suất và vì thế có gió thổi từ biển hay hồ vào đất liền
Vào ban đêm, đất liền nguội đi nhanh hơn nước và hiệu ứng này xảy ra theo chiều ngược lại
2.2.2 Lịch sử phát triển nguồn năng lượng gió
Năng lượng gió đã được con người sử dụng từ hàng trăm năm nay để di chuyển thuyền buồm và khinh khí cầu, đồng thời còn dùng để tạo công cơ học qua các cối xay gió Ý tưởng biến đổi năng lượng gió thành điện năng ra đời ngay sau các phát minh về điện và máy phát điện, ban đầu chỉ biến đổi nhỏ dựa trên nguyên tắc cơ học dòng chảy Khi công nghệ phát triển, các thiết bị và hình dáng của cánh quạt được cải tiến để tối ưu hóa hiệu suất, và ngày nay gọi là tuabin gió Khái niệm cối xay gió không còn phù hợp, vì các thiết bị này không còn dùng để nghiền nữa Sau cuộc khủng hoảng dầu mỏ những năm 1970, việc nghiên cứu, phát triển nguồn năng lượng từ gió và các nguồn năng lượng thay thế khác đã trở thành xu hướng toàn cầu, đặc biệt là sự phát triển của các tuabin gió hiện đại.
Năng lượng gió, bên cạnh sức nước, là một trong những nguồn năng lượng có chi phí thấp nhất khi tính cả các chi phí bên ngoài như tác hại đến môi trường và việc phát thải các chất độc hại Việc bỏ qua các tác động này có thể làm giảm giá thành thực sự của các nguồn năng lượng, nhưng khi tính đến mọi chi phí, năng lượng gió vẫn là lựa chọn kinh tế và thân thiện với môi trường Đây là một giải pháp năng lượng bền vững, giúp giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường so với các nguồn năng lượng truyền thống.
2.2.3 Năng lượng gió trên thế giới
Nhận thức rõ tầm quan trọng của năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng gió, các chính phủ trên toàn thế giới đang đẩy mạnh đầu tư về tài chính và nhân lực để nghiên cứu, phát triển và triển khai các dự án năng lượng gió Việc này góp phần giảm áp lực về nguồn cung năng lượng, thúc đẩy phát triển bền vững và giảm thiểu khí nhà kính Nhờ đó, các quốc gia hướng tới mục tiêu năng lượng sạch, hạn chế sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch và đảm bảo an ninh năng lượng lâu dài.
Trong giai đoạn từ 1996 đến 2008, công suất sản xuất điện gió toàn cầu đã có sự tăng trưởng đáng kể, đạt tổng cộng 159,2 GW vào năm 2009 với sản lượng năng lượng là 340 TWh, tương đương mức tăng trưởng trung bình 31% mỗi năm Các quốc gia như Đức, Tây Ban Nha, Hoa Kỳ, Đan Mạch và Ấn Độ hiện là những nền công nghiệp điện gió phát triển nhất thế giới; ví dụ, vào năm 2009, năng lượng gió chiếm 8% tổng lượng điện tiêu thụ tại Đức, trong khi tại Ireland, con số này lên tới 14% Mức độ phát triển của điện gió tại Hoa Kỳ đã tăng mạnh từ 6 GW vào năm 2004 lên 35 GW vào năm 2009, chiếm 2,4% tổng tiêu thụ điện năng Trung Quốc và Ấn Độ cũng chứng kiến sự phát triển nhanh chóng về nguồn năng lượng sạch này, lần lượt đạt 22,5 GW và 10,925 GW vào năm 2009, góp phần tăng cường năng lượng tái tạo toàn cầu.
Hình 2.19 Công suất điện gió trên thế giới trong thời gian 1996 - 2008
Trong số 20 thị trường năng lượng gió lớn nhất thế giới, châu Âu có đến 13 quốc gia, nổi bật là Đức dẫn đầu về công suất các nhà máy điện gió, chiếm vị trí hàng đầu so với các nước khác Chính phủ các nước như Đức, Đan Mạch và Tây Ban Nha đã hỗ trợ phát triển năng lượng gió liên tục trong nhiều năm qua, tạo điều kiện thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp này tại khu vực Nhờ những chính sách hỗ trợ và công nghệ tiên tiến từ Đức, Đan Mạch và Tây Ban Nha, ngành năng lượng gió đã có bước tiến đáng kể, đồng thời các công nghệ của Đức cùng với các đổi mới từ Đan Mạch và Tây Ban Nha đã được ứng dụng rộng rãi trên thị trường trong những năm gần đây.
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
2.2.4 Nguồn năng lượng gió tại Đông Nam Á
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
2.2.5 Nguồn năng lượng gió tại Việt Nam
Việt Nam nằm trong khu vực cận nhiệt đới gió mùa với bờ biển dài, tạo điều kiện thuận lợi để phát triển năng lượng gió So sánh tốc độ gió trung bình giữa vùng Biển Đông và các vùng biển lân cận cho thấy gió tại Biển Đông khá mạnh và biến đổi theo mùa, góp phần nâng cao tiềm năng khai thác năng lượng sạch cho quốc gia.
Ngân hàng Thế giới đã thực hiện một khảo sát chi tiết về tiềm năng năng lượng gió khu vực Đông Nam Á, trong đó Việt Nam nổi bật với tiềm năng gió lớn nhất so với các nước lân cận như Thái Lan, Lào và Campuchia Theo nghiên cứu, khoảng 8,6% diện tích lãnh thổ của Việt Nam có khả năng phát triển các trạm điện gió quy mô lớn, vượt xa so với Campuchia chỉ 0,2%, Lào 2,9% và Thái Lan 0,2% Tổng tiềm năng điện gió của Việt Nam ước đạt 513.360 MW, cho thấy đây là quốc gia có tiềm năng khai thác năng lượng gió hàng đầu trong khu vực Đông Nam Á.
MW có khả năng cung cấp hơn 200 lần công suất của thủy điện Sơn La và vượt xa tổng công suất dự báo của ngành điện năm 2020, thể hiện tiềm năng năng lượng gió to lớn tại Việt Nam Tuy nhiên, việc chuyển đổi từ tiềm năng lý thuyết sang tiềm năng khai thác thực tế đòi hỏi nhiều bước từ tiềm năng có thể khai thác đến tiềm năng kỹ thuật và kinh tế Dù gặp nhiều thách thức, Việt Nam vẫn cần tập trung xem xét đúng mức tiềm năng năng lượng gió để phát triển bền vững nguồn năng lượng sạch này.
Pin lưu trữ năng lượng
Việc sử dụng thiết bị lưu trữ năng lượng giúp cân bằng công suất thiếu hụt giữa tải và nguồn điện trong hệ thống năng lượng tái tạo Thiết bị lưu trữ năng lượng đóng vai trò quan trọng khi máy phát điện gió và hệ thống pin năng lượng mặt trời hoạt động độc lập, đảm bảo cung cấp đủ công suất điện cần thiết cho tải Điều này giúp tối ưu hóa hiệu suất hệ thống điện, giảm thiểu rủi ro mất điện do sự không đồng bộ giữa các nguồn phát điện.
Có một số loại pin lưu trữ năng lượng khác nhau có trên thị trường như:
+ Pin Niken-Hidrua kim loại (NiMh);
+ Pin Lithium-ion (Li-Ion);
+ Pin Lithium polime (Li-polymer);
Hiện nay, pin lithium-ion đang có những bước phát triển đáng kể, đạt điện áp 3,3V trên mỗi cell, mở ra nhiều cơ hội cho các ứng dụng công nghệ cao Tuy nhiên, nhược điểm của pin lithium-ion là chu kỳ nạp xả không đồng bộ, đòi hỏi mỗi cell phải được điều khiển riêng biệt về điện áp và dòng điện để đảm bảo an toàn, tránh quá nhiệt và nguy cơ phát nổ.
Pin axít chì vẫn được sử dụng phổ biến, đặc biệt trong các hệ thống UPS dự phòng viễn thông nhờ vào tính ổn định nhiệt, công suất riêng cực đại trên mỗi đơn vị khối lượng cao và sự dễ sử dụng Chính nhờ những ưu điểm này, việc nghiên cứu và ứng dụng pin axít chì vẫn tiếp tục được quan tâm và phát triển trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng.
2.3.1 Nguyên lý hoạt động của pin axít chì
Pin axít hoạt động dựa trên sự phân cực của các điện tích dương và âm, khác với một số loại pin dựa trên chuỗi điện áp Hai bản chì được đặt trong dung dịch axít sulfuric (H2SO4) và mỗi bản được phủ một lớp PbSO4 Trong quá trình sạc, lớp Pb bao bọc chì hình thành điện cực âm (cathode), trong khi trên cực dương (anode), PbO2 được kết tủa Các phản ứng hóa học này tạo nên hoạt động của pin axít, giúp cung cấp nguồn năng lượng đáng tin cậy cho các thiết bị sử dụng.
Trên Cathode: PbSO4 + H2 Pb + H2SO4;
Trên cực dương Anode: PbSO4 + SO4 + 2H2O PbO2 + 2H2SO4;
Trong quá trình xả, các electron chạy từ cathode đến anode, tạo ra dòng điện từ anode đến cathode, cho đến khi quá trình hóa học đảo nghịch diễn ra và PbSO4 hình thành trên cả cathode và anode Điện áp qua hai bản chì là e0 = 2,02V, và khi ghép 6 bộ bản chì nối tiếp nhau, điện áp tổng sẽ là E0 = 12,12V Cực dương (anode) được bao phủ bởi PbO2 bị suy giảm qua quá trình xả điện, ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của pin Hiệu suất năng lượng của pin chì-axít (ηB) sau quá trình sạc có thể phục hồi từ 83% đến 90%, đảm bảo khả năng cung cấp năng lượng hiệu quả sau mỗi chu trình sạc-xả.
Hình 2.42 Cấu hình một pin axít chì (đã nạp đầy) đang xả điện
Mạch điện tương đương của pin axít chì thể hiện rõ các chế độ hoạt động tĩnh và động, phù hợp với các dòng điện nạp và xả của pin, như đã được mô tả trong hình 2.43.
Hình 2.43 Mạch tương đương của pin
Rdischarge: Điện trở tự phóng điện (tầm kΩ);
CB: Điện dung điện hóa của các cell pin;
E0: Điện áp hở mạch của các cell pin đã xả hoàn toàn (có nghĩa là Cb và CB đã xả);
Rseries: Điện trở nối tiếp phi tuyến (1-0,05Ω);
Cb: Điện dung phi tuyến;
Vboc(t): Điện áp hở mạch của các cell pin;
VBover(t): Điện áp các cell pin;
VB(t): Điện áp đầu cực pin; iB(t): Dòng điện đầu cực pin; idischarge(t): Dòng sạc pin
2.3.2 Quá trình nạp - xả của pin axít-chì
Mạch điện tương đương của khối pin axít chì được sử dụng trong mô hình là:
Hình 2.44 Phương trình điện áp nạp và xả
Từ đó, phương trình toán học cho mô hình tương đương của pin axít chì: + Đối với mô hình xả (dòng điện i* > 0):
Q Q Exp s f it i i Exp K i K it Laplace
+ Đối với mô hình nạp (dòng điện i* < 0):
Q Q Exp s f it i i Exp K i K it Laplace it Q Q it Sel s s
EBatt: Điện áp phi tuyến (V);
Exp(s): Động lực học vùng số mũ (V);
Sel(s): Đại diện cho chế độ của pin;
Sel(s) = 0 trong quá trình xả pin;
Sel(s) = 1 trong quá trình sạc pin;
K: Hằng số phân cực (Ah −1 ) hay Điện trở phân cực (Ohms); i*: Động lực học dòng tần số thấp (A); i: Dòng điện của battery (A); it: Dung lượng trích xuất (Ah);
Q: Dung lượng pin cực đại (Ah);
B: Dung lượng hàm mũ (Ah)
Thông thường, các pin axít chì được xạc đầy nếu điện áp hở mạch của pin là E0 = 12,6 – 12,8V
Hình 2.45 biểu diễn một thí nghiệm về chu trình nạp của một pin axít chì có điện áp 12V, dung tích 500Wh và có trọng lượng là 27kg
Hình 2.45 Chu trình nạp của pin axít chì trong chu kỳ sạc sâu
Các thiết bị lưu trữ năng lượng trong hệ thống năng lượng tái tạo cần giao tiếp hiệu quả với lưới điện thông qua thiết bị điện tử công suất Bộ chuyển đổi đa chiều đóng vai trò quan trọng, cho phép năng lượng điện được lưu trữ vào pin hoặc phát ra từ pin lưu trữ năng lượng Việc sử dụng các bộ chuyển đổi này giúp tối ưu hóa quá trình quản lý năng lượng và nâng cao hiệu suất của hệ thống năng lượng tái tạo.