Nghiên cứu chế độ vận hành hệ thống hát điện trong nhà máy điện mặt trời mỹ hiệp nhằm hỗ trợ ổn định điện áp nút đấu nối

NGUYỄN TẠ TUẤN HẢI NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN MẶT TRỜI MỸ HIỆP NHẰM HỖ TRỢ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP NÚT ĐẤU NỐI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN Bình Định

NGUYỄN TẠ TUẤN HẢI

NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN MẶT TRỜI

MỸ HIỆP NHẰM HỖ TRỢ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP

NÚT ĐẤU NỐI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

Bình Định - Năm 2022

NGUYỄN TẠ TUẤN HẢI

NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN MẶT TRỜI

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu chế độ vận hành hệ thống phát điện trong nhà máy điện mặt trời Mỹ Hiệp nhằm hỗ trợ ổn định điện áp nút đấu nối” là công trình của tôi và được thực hiện dưới sự hướng

dẫn của TS Lê Thái Hiệp Các số liệu và kết quả là hoàn toàn trung thực

Để hoàn thành luận văn này, tôi chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mục “Tài liệu tham khảo” và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác Nếu phát hiện có sự sao chép tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Bình Định, ngày tháng năm 2022

Tác giả luận văn

Nguyễn Tạ Tuấn Hải

LỜI CẢM ƠN

Luận văn tốt nghiệp là một trong những bước quan trọng trong khóa học Tôi rất hạnh phúc khi thực hiện xong luận văn tốt nghiệp và quan trọng hơn là những gì tôi đã học được trong thời gian qua Bên cạnh kiến thức thu được, tôi đã học được phương pháp nghiên cứu một cách độc lập Sự thành công này không đơn thuần bởi sự nỗ lực của cá nhân, mà còn có sự hỗ trợ và giúp đỡ của giảng viên hướng dẫn, gia đình và bạn bè Nhân cơ hội này, cho phép tôi được bày tỏ lời cảm ơn của tôi đến họ

Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới các thầy cô trong Khoa Kỹ Thuật & Công Nghệ trường Đại Học Quy Nhơn đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho tôi những kiến thức, kinh nghiệm quý báu trong

suốt thời gian qua Đặc biệt tôi xin gửi lời cảm ơn đến TS Lê Thái Hiệp,

thầy đã tận tình giúp đỡ, trực tiếp chỉ bảo, hướng dẫn tôi trong suốt quá trình học tập cũng như thực hiện luận văn này Trong thời gian làm việc với thầy, tôi không ngừng tiếp thu thêm nhiều kiến thức bổ ích mà còn học tập được tinh thần làm việc, thái độ nghiên cứu khoa học nghiêm túc, hiệu quả, đây là những điều rất cần thiết cho tôi trong quá trình học tập và công tác sau này

Do với kiến thức bản thân còn rất giới hạn nên bản luận văn này chắc chắn còn nhiều thiếu sót, tôi rất mong nhận được sự chỉ bảo, góp ý của các thầy (cô) giáo trong Khoa Kỹ thuật & Công nghệ, trường Đại học Quy Nhơn

để bản luận văn của tôi được hoàn thiê ̣n hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Tác giả luận văn

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC CÁC BẢNG ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ x

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Tổng quan tình hình nghiên cứu 3

3 Mục đích nghiên cứu 6

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 6

5 Phương pháp nghiên cứu 7

6 Cấu trúc của luận văn 7

Chương 1 8

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI 8

1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 8

1.1.1 Sự phát triển năng lượng tái tạo trên thế giới 8

1.1.2 Sự phát triển năng lượng tái tạo ở Việt Nam 9

1.2 Năng lượng mặt trời 11

1.2.1 Cấu trúc của mặt trời 12

1.2.2 Năng lượng mặt trời 12

1.2.3 Phổ bức xạ mặt trời 13

1.2.4 Đặc điểm của bức xạ mặt trời trên bề mặt trái đất 16

1.3 Khai thác, sử dụng trực tiếp năng lượng mặt trời 18

1.3.1 Thiết bị sấy khô dùng NLMT 19

1.3.2 Thiết bị chưng cất nước sử dụng NLMT 20

1.3.3 Thiết bị đun nước nóng dùng NLMT 21

1.3.4 Thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí dùng NLMT 22

1.3.5 Nhà máy điện sử dụng NLMT 23

1.4 Pin mặt trời 24

1.4.1 Khái niệm 24

1.4.2 Mô hình toán và đặc tính làm việc của Pin mặt trời 25

1.5 Tổng quan nhà máy điện mặt trời Mỹ Hiệp 29

1.6 Kết luận chương 1 32

Chương 2 33

NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN MẶT TRỜI MỸ HIỆP NHẰM HỖ TRỢ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP NÚT ĐẤU NỐI 33

2.1 Cấu trúc hệ thống tự động điều khiển phát điện của hệ thống điện quốc gia 33

2.1.1 Nguyên tắc làm việc của hệ thống AGC 36

2.1.2 Các trạng thái vận hành của AGC 37

2.1.3 Các chế độ làm việc của tổ máy trong AGC 39

2.2 Cấu trúc hệ thống điện mặt trời 43

2.2.1 Bộ đóng cắt mềm 44

2.2.2 Bộ biến đổi DC/DC hay bộ biến đổi Boost Converter 44

2.2.3 Bộ nghịch lưu DC/AC 45

2.2.4 Bộ lọc phía lưới 46

2.2.5 Thiết bị điều khiển 47

2.3 Cơ sở lý thuyết về nghịch lưu 3 pha 48

2.4 Điều khiển bám theo các điểm làm việc có công suất cực đại 49

2.5 Điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng 53

2.5.1 Nguyên tắc điều khiển công suất 53

2.5.2 Công suất 3 pha trên các hệ qui chiếu khác nhau 54

2.5.3 Sơ đồ điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng 55

2.6 Các chế độ làm việc của các inverter tại nhà máy 56

2.7 Chế độ vận hành hệ thống phát điện trong nhà máy điện mặt trời khi điện áp nút đấu nối quá áp hoặc thấp áp 58

2.8 Ảnh hưởng của nhà máy điện mặt trời Mỹ Hiệp và các nhà máy điện lân cận đến nút đấu nối 61

2.8.1 Sơ đồ lưới điện tại nút đấu nối 61

2.8.2 Ảnh hưởng của các nhà máy điện mặt trời trong khu vực 62

2.8.3 Các nguyên nhân dẫn đến hiện tượng mất ổn định điện áp nút đấu nối 64

2.9 Đề xuất phương thức vận hành hệ thống phát điện trong nhà máy điện mặt trời nhằm hỗ trợ ổn định điện áp nút đấu nối 67

2.10 Kết luận chương 2 72

Chương 3 73

MÔ PHỎNG CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN MẶT TRỜI MỸ HIỆP NHẰM HỖ TRỢ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP NÚT ĐẤU NỐI 73

3.1 Cấu trúc hệ thống điện mặt trời trên phần mềm mô phỏng 73

3.1.1 Khối mô phỏng PV-MPPT-DC/DC 74

3.1.2 Khối điều khiển PPC CONTROL 76

3.1.3 Bộ phận hiển thị đặc tính 78

3.2 Thiết lập thông số cho hệ thống điện mặt trời trên phần mềm 79

3.3 Mô phỏng ở chế độ làm việc bình thường 83

3.3.1 Chế độ phát điện tự do 83

3.3.2 Chế độ điều khiển công suất phát 84

3.4 Mô phỏng phương thức vận hành hệ thống phát điện trong nhà máy

điện mặt trời nhằm hỗ trợ ổn định điện áp nút đấu nối 86

3.4.1 Mô phỏng chế độ vận hành hệ thống phát điện trong nhà máy điện mặt trời khi điện áp nút đấu nối giảm thấp 86

3.4.2 Mô phỏng chế độ vận hành hệ thống phát điện trong nhà máy điện mặt trời khi điện áp nút đấu nối tăng cao 87

3.4.3 Mô phỏng chế độ vận hành hệ thống phát điện trong nhà máy điện mặt trời Mỹ Hiệp hỗ trợ lưới điện khi thay đổi kết lưới 88

3.4.4 Mô phỏng chế độ vận hành hệ thống phát điện trong nhà máy điện mặt trời khi xảy ra sự cố ngắn mạch một pha chạm đất 91

3.5 Kết luận chương 3 92

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 93

1 KẾT LUẬN 93

2 KIẾN NGHỊ 94

TÀI LIỆU THAM KHẢO 96

PHỤ LỤC 99

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Viết tắt Tên tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt

PPC Power Plant Controller Hệ thống giám sát và điều

khiển nhà máy điện Setpoint Giá trị đặt

Inverter Biến tần Master control Nắm quyền điều khiển Follower Thực hiện

Control mode Chế độ kiểm soát Active Power Curtailment Giảm công suất phát Strategies Chế độ

Protective Strategies Chế độ bảo vệ Grid-Support Strategies Chế độ hỗ trợ lưới FACTS Flexible Alternating Current

ĐMTMN Điện mặt trời mái nhà

CPC-CPSC Tổng Công Ty Điện Lực

Miền Trung - Công ty Dịch

vụ điện lực miền Trung

BCU Bay Computer Unit Máy tính ngăn lộ

RTU Remote Terminal Unit Thiết bị đặt tại trạm điện

hoặc nhà máy điện phục vụ việc thu thập và truyền dữ liệu về hệ thống SCADA của Trung tâm điều độ hệ thống điện hoặc Trung tâm điều khiển

HMI Human-Machine-Interface Thiết bị giao tiếp giữa người

điều hành thiết kế với máy móc thiết bị

AGC Automatic Generation Control Hệ thống thiết bị tự động điều

chỉnh tăng giảm công suất tác dụng của tổ máy phát điện nhằm duy trì tần số của hệ thống điện ổn định trong phạm vi cho phép theo nguyên tắc vận hành kinh tế

tổ máy phát điện MPPT Maximum Power Point

Tracker

Điều khiển dò tìm điểm công suất cực đại

PV Photovoltaic array Một hệ thống liên kết gồm

các mô-đun quang điện PWM Pules With Modulation Điều chế độ rộng xung

SVM Space vector Modulation Điều chế vector không gian

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Phân bố phổ bức xạ mặt trời theo bước sóng 15Bảng 1.2: Màu sắc và bước sóng của ánh sáng mặt trời 15Bảng 2.1: Dữ liệu sự cố tại NMĐMT Mỹ Hiệp 66

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Cấu trúc của mặt trời 12

Hình 1.2: Thang sóng điện từ của bức xạ mặt trời 14

Hình 1.3: Định nghĩa các vĩ tuyến (a) và kinh tuyến (b) 16

Hình 1.4: Phổ bức xạ mặt trời bên trong và ngoài bầu khí quyển 17

Hình 1.5: Thiết bị sấy thực phẩm dùng NLMT 20

Hình 1.6: Thiết bị chưng cất nước dùng NLMT 21

Hình 1.7: Nguyên lý hoạt động của máy nước nóng NLMT Sơn Hà 22

Hình 1.8: Điều hòa không khí sử dụng NLMT 23

Hình 1.9: Nhà máy nhiệt điện mặt trời 23

Hình 1.10: Nhà máy điện mặt trời 24

Hình 1.11: Mạch tương đương của modul PV 26

Hình 1.12: Quan hệ I(U) và P(U) của PV 27

Hình 1.13: Quan hệ I-V của PV ứng với cường độ bức xạ ánh sáng khác nhau 28

Hình 1.14: Quan hệ I-V của PV ứng với nhiệt độ làm việc khác nhau 29

Hình 1.15: Sơ đồ nối điện chính NMĐMT Mỹ Hiệp 32

Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống AGC cho hệ thống điện Việt Nam 36

Hình 2.2: Hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới 43

Hình 2.3: Bộ đóng cắt mềm 44

Hình 2.4: Bộ Boost Converter đóng cắt bằng MOSFET 45

Hình 2.5: Sơ đồ mạch động lực bộ nghịch lưu DC/AC 46

Hình 2.6: Bộ lọc phía lưới 46

Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý điều khiển 47

Hình 2.8: Bộ điều khiển MPPT trong hệ thống pin mặt trời 50

Hình 2.9: Thuật toán dò tìm điểm làm việc công suất lớn nhất P&O 51

Hình 2.10: Lưu đồ thuật toán nhiễu loạn và quan sát (P&O) 52

Hình 2.11: Sơ đồ khối của nghịch lưu nối lưới 53

Hình 2.12: Đồ thị véc tơ điện áp và dòng điện của Inverter 54

Hình 2.13: Vòng điều khiển dòng điện 55

Hình 2.14: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển công suất 56

Hình 2.15: Điện áp và thời giam duy trì vận hành 58

Hình 2.16: Cài đặt giá trị bảo vệ điện áp trong inverter tại nhà máy 60

Hình 2.17: Sơ đồ nối điện chính T220kV Phù Mỹ 62

Hình 2.18: Mất ổn định điện áp do gia tăng phụ tải khi vận hành ở gần giới hạn ổn định 65

Hình 2.19: Đặc tính điện áp và công suất khi lưới dao động 66

Hình 2.20: A3 thay đổi kết lưới dẫn đến dao động điện áp 67

Hình 2.21: Hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin Lithium-ion 69

Hình 2.22: Hệ thống STATCOM 70

Hình 2.23: Mô hình nhà máy điện ảo 71

Hình 3.1: Sơ đồ mô phỏng hệ thống điện mặt trời của nhà máy điện mặt trời Mỹ Hiệp 73

Hình 3.2: Khối PV-MPPT-DC/DC 74

Hình 3.3: Thông số khối PV ARRAY 74

Hình 3.4: Khối MPPT-DC/DC 75

Hình 3.5: Khối điều khiển nhà máy PPC CONTROL 76

Hình 3.6: Bảng điều khiển cho khối PPC CONTROL 77

Hình 3.7: Màn hình hiển thị P, Q tại vị trí các thanh cái 78

Hình 3.8: Bộ hiển thị đặc tính 78

Hình 3.9: Thiết lập biểu đồ bức xạ đầu vào cho hệ thống PV 79

Hình 3.10: Thông số cho bộ FITTER LCL 79

Hình 3.11: Thông số MBA 22/0.8 kV 80

Hình 3.12: Thông số hệ thống tự dùng 81

Hình 3.13: Thống số đường dây 22kV 81

Hình 3.14: Thông số MBA 110/22 kV 82

Hình 3.15: Thông số đường dây 110kV dài 14.828 km 82

Hình 3.16: Đặc tính U, I, PQ của nhà máy 83

Hình 3.17: Đặc tính điện áp và dòng điện tại PV SCADA 83

Hình 3.18: Đặc tính U, I, P DC của hệ thống PV 84

Hình 3.19: Điều khiển công suất tác dụng 84

Hình 3.20: Điều khiển công suất phản kháng 85

Hình 3.21: Chế độ vận hành hỗ trợ ổn định điện áp khi điện áp giảm thấp 86

Hình 3.22: Chế độ vận hành hỗ trợ ổn định điện áp khi điện áp tăng cao 87

Hình 3.23: Sơ đồ kết lưới T220kV Phù Mỹ 88

Hình 3.24: Thiết lập thông số máy cắt 89

Hình 3.25: Hệ thống PV đảm bảo hỗ trợ nhanh chóng nhằm ổn định điện áp89

Hình 3.26: Thời gian và lượng Q nhà máy hỗ trợ 90

Hình 3.27: Thiết lập thông số khối ngắn mạch 91

Hình 3.28: Hệ thống PV hỗ trợ vượt qua sự cố 91

Hình 3.29: Đặc tính điện áp và dòng điện khi xảy ra sự cố pha A 92

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Hiện nay, các nguồn năng lượng trên trái đất như dầu mỏ, than đá… đang dần cạn kiệt, không còn nhiều để khai thác được nữa Ngoài ra, những nguồn năng lượng này là nguyên nhân chính gây ra sự ô nhiễm không khí làm ảnh hưởng đến đời sống con người

Trong khi đó, nguồn năng lượng tái tạo khá dồi dào, có khả năng thay thế nguồn năng lượng hóa thạch, giảm thiểu tác động tới môi trường Vì vậy, tập trung nghiên cứu ứng dụng năng lượng tái tạo đang là hướng đi mới trong năng lượng công nghiệp, nhất là trong thời đại ngày nay vấn đề tiết kiệm năng lượng đang đặt lên hàng đầu Việc khai thác năng lượng tái tạo có ý nghĩa quan trọng cả về kinh tế, xã hội, an ninh năng lượng và phát triển bền vững Năng lượng mặt trời là một trong các nguồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất mà thiên nhiên ban tặng cho hành tinh chúng ta Đồng thời, nó cũng là nguồn gốc của các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió, năng lượng sinh khối, năng lượng các dòng sông,… Năng lượng mặt trời

có thể nói là vô tận, để khai thác, sử dụng nguồn năng lượng này cần phải biết các đặc trưng và tính chất cơ bản của nó, đặc biệt khi tới bề mặt quả đất

Ở Việt Nam, điện năng lượng mặt trời cũng được khai thác và sử dụng, tuy nhiên phần lớn vẫn chỉ dừng lại ở mức sử dụng cục bộ, việc hòa lưới còn nhiều hạn chế, tuy nhiên Quyết định Số: 11/2017/QĐ-TTg ngày 11/04/2017 của Thủ tướng chính phủ về cơ chế khuyến khích phát triển các dự án điện mặt trời tại Việt Nam và Thông tư số 16/2017/TT-BCT ngày 12/09/2017 Quy định về phát triển dự án và hợp đồng mua bán điện mẫu áp dụng cho các dự

án điện mặt trời đã mở ra cho chúng ta một cơ hội khai thác, sử dụng và bán

điện năng lượng mặt trời, đồng thời khuyến khích phát triển các dự án điện năng lượng mặt trời

Tuy nhiên, qua các dự án nhà máy điện năng lượng mặt trời nối lưới hiện tại chưa đáp ứng hoàn toàn được tính ổn định hệ thống điện quốc gia Chính vì thế vấn đề cần thiết đặt ra là triển khai cài đặt chế độ làm việc của phương pháp điều khiển hệ thống phát điện trong các nhà máy năng lượng tái tạo, các chế độ làm việc của nhà máy năng lượng tái tạo:

 Chế độ xác lập:

- Hệ thống PPC (Power Plant Controller – Hệ thống giám sát và điều khiển nhà máy điện) sẽ nhận các tín hiệu điều khiển từ cấp điều độ có quyền điều khiển để thực hiện tính toán và gửi các giá trị setpoint tới từng inverter của nhà máy

- Trong chế độ xác lập, hệ thống PPC sẽ nắm quyền điều khiển (master control), inverter chỉ thực hiện phát P, Q (follower)

- Trong chế độ xác lập, nhà máy sẽ đáp ứng P, Q theo control mode được cài đặt (U, Q, PF Control Mode hay Active Power Curtailment)

 Chế độ sự cố:

- Trong quá trình sự cố, các inverter sẽ chủ động thực hiện điều khiển đáp ứng P, Q của tấm pin hay turbine gió thay vì việc thực hiện đáp ứng theo giá trị setpoint từ PPC

- Trong sự cố, việc đáp ứng P, Q của inverter sẽ phụ thuộc vào strategies được cài đặt của inverter:

 Protective Strategies: không hỗ trợ lưới mà đưa P,Q về 0 hoặc lập tức shutdown inverter

 Grid-Support Strategies: đáp ứng để hỗ trợ lưới điện trong quá trình sự cố

Bộ Inverter của nhà máy năng lượng tái tạo cần được xây dựng thuật toán để có chế độ thông minh, tự dò tìm và đồng bộ pha nhằm kết nối giữa điện năng tạo ra từ hệ pin mặt trời và điện lưới Chế độ làm việc thông minh của bộ inverter để đáp ứng các chế độ làm việc của nhà máy năng lượng tái tạo

Chính vì lý do đó, em chọn đề tài nghiên cứu của mình:

“Nghiên cứu chế độ vận hành hệ thống phát điện trong nhà máy điện mặt trời Mỹ Hiệp nhằm hỗ trợ ổn định điện áp nút đấu nối”

2 Tổng quan tình hình nghiên cứu

Bài báo [1], bài báo đề xuất một bộ điều khiển dòng điện sử dụng logic

mờ cho biến tần kết nối với lưới điện Trong bộ điều khiển PI để điều khiển biến tần nối lưới, độ khuếch đại của bộ khâu P được thay đổi với sự trợ giúp của các thuật toán logic mờ để có được đáp ứng quá độ nhanh bất chấp các biến đổi đầu vào và nhiễu phụ tải Đầu vào của bộ điều khiển logic mờ là sai lệch dòng điện đo được và giá trị đặt trong trong hệ tọa độ quay

Hình 1: Sơ đồ điều khiển dòng điện biến tần một pha nối lưới [1]

Bài báo [2], nhóm tác giả đã nghiên cứu giải pháp điều khiển Inverter năng lượng mặt trời từ xa, đối với hệ thống điện mặt trời mái nhà có công suất gần 01 MW, do qui mô vừa phải nên để cắt giảm chi phí vận hành, các chủ đầu tư ít khi bố trí nhân viên trực vận hành tại chỗ mà để hệ thống tự chạy và giám sát thông qua các phần mềm từ nhà cung cấp Inverter Một số loại Inverter có thể điều khiển từ xa thông qua phần mềm có sẵn và cũng có một

số loại inverter chỉ có thể giám sát mà không thể điều khiển từ xa Từ thực trạng đó, các kỹ sư tại Trung tâm điều khiển Gia Lai đã nghiên cứu giải pháp kết nối, điều khiển từ xa cho các Inverter hãng Solis[2]

Hình 2: Giải pháp kết nối, điều khiển từ xa cho các inverter hãng Solic do các kỹ sư trung

tâm điều khiển PC Gia Lai nghiên cứu

Bài báo [3], nhóm tác giả đã nghiên cứu giải pháp kỹ thuật để khắc phục

sự mất ổn định và sụp đổ điện áp Nguyên nhân chủ yếu dẫn đến sự mất ổn định và sụp đổ điện áp thường là do không đáp ứng đủ nhu cầu công suất phản kháng cần thiết khi phụ tải tăng bất thường và đột biến Tuy nhiên, các thiết bị bù hiện tại trên hệ thống điện chưa đáp ứng đủ những yêu cầu về phản ứng nhanh nhạy khi hệ thống có sự thay đổi đột ngột về nhu cầu công suất phản kháng Các thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt FACTS (Flexible Alternating Current Transmission System) đã đáp ứng được yêu cầu về độ phản ứng nhanh nhạy cũng như dung lượng bù tối ưu cho hệ thống điện trong mọi chế độ làm việc Áp dụng bộ điều khiển STATCOM thuộc nhóm thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt FACTS Với độ nhanh nhạy, chính xác, điều khiển linh hoạt, các thiết bị FACTS sẽ cải thiện độ ổn định điện áp và nâng cao khả năng truyền tải công suất trên hệ thống

Hình 3: Mô hình STATCOM

3 Mục đích nghiên cứu

- Hệ thống điện mặt trời

- Vấn đề hòa nguồn điện với lưới

- Nghiên cứu lý thuyết về các hệ thống điều khiển thông minh

- Điều khiển công suất hệ thống điện mặt trời nối lưới:

+ Mô hình toán học

+ Điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng

- Nghiên cứu các chế độ làm việc của Inverter

- Mô phỏng thực nghiệm

4 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu

Hệ thống phát điện trong nhà máy điện mặt trời Mỹ Hiệp

5 Phương pháp nghiên cứu

 Nghiên cứu lý thuyết tổng quan về hệ thống phát điện năng lượng mặt trời, bộ điều khiển và xây dựng thành công thuật toán điều khiển cho hệ thống phát điện trong nhà máy điện mặt trời Mỹ Hiệp nhằm ổn định điện

áp nút đấu nối

 Sử dụng phần mềm MATLAB/SIMULINK để mô phỏng và kiểm chứng các kết quả nghiên cứu đưa ra

6 Cấu trúc của luận văn

Trên cơ sở mục đích nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu, ngoài phần mở đầu và kết luận, đề tài được phân thành 3 chương với các nội dung luận văn bao gồm:

- Chương 1 Tổng quan về hệ thống điện mặt trời

- Chương 2 Nghiên cứu chế độ vận hành hệ thống phát điện trong nhà máy điện mặt trời Mỹ Hiệp nhằm hỗ trợ ổn định điện áp nút đấu nối

- Chương 3 Mô phỏng chế độ vận hành hệ thống phát điện trong nhà máy điện mặt trời Mỹ Hiệp nhằm hỗ trợ ổn định điện áp nút đấu nối

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI

1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.1.1 Sự phát triển năng lượng tái tạo trên thế giới

Hiện nay nhiều nước trên thế giới đang hối hả phát triển, ứng dụng nguồn năng lượng tái tạo, chẳng hạn như Trung Quốc, Đức và Nhật Bản Nguyên nhân chính là năng lượng truyền thống (than, dầu, khí ) sắp cạn kiệt, nguồn cung cấp biến động về giá cả, chịu ảnh hưởng của chính trị và việc sử dụng chúng làm phát thải khí nhà kính, gây hiệu ứng nóng lên toàn cầu

Thế giới dường như đang đứng trước sự kết thúc của thời đại "vàng đen" giá rẻ Đã từ không chỉ một năm nay giá dầu mỏ trên thị trường quốc tế không ngừng tăng với tốc độ phi mã, lập hết kỷ lục kinh hồn này đến kỷ lục kinh hồn khác Và không có dấu hiệu là tiến trình này sẽ sớm kết thúc Điều đó đang buộc không ít quốc gia phải suy nghĩ tới những đề án tìm kiếm các nguồn năng lượng khác

Tính trung bình, các nước muốn thoát khỏi sự lệ thuộc vào dầu mỏ, khí đốt và than đá dự tính tới năm 2010 sẽ nhận được từ 5% tới 30% lượng điện năng nhờ sử dụng thủy điện, năng lượng mặt trời, gió, các chất sinh học… Những quốc gia có kế hoạch giàu tham vọng nhất theo hướng này là Áo (dự tính tới năm 2010 sẽ đáp ứng khoảng 78% nhu cầu về nhiên liệu của mình nhờ các nguồn năng lượng tái tạo), Thụy Điển (60%) và Latvia (49,3%) Nguồn "điện xanh" dồi dào nhất hiện nay là gió Năm 2007, tổng sản lượng điện sản xuất từ gió trên thế giới đã tăng 28% so với năm 2006 và đạt mức 95 GW Lĩnh vực có tốc độ phát triển nhanh hơn cả là năng lượng mặt trời: năm 2007, tỉ lệ tăng trưởng của lĩnh vực này là 50% và đạt 7,7 GW

Hiện nay, không dưới 60 quốc gia có các chương trình nhà nước nhằm gia tăng sản xuất năng lượng tái tạo 48 quốc gia sử dụng chính sách cung cấp các ưu đãi khác nhau cho công nghiệp sản xuất "năng lượng sạch", tức là bằng cách đó khuyến khích sự từ chối nguồn năng lượng điện hạt nhân và hyđrôcácbon

Những nước tiêu thụ và sản xuất chính yếu nguồn nhiên liệu sinh học sẽ vẫn là Hoa Kỳ, Liên minh châu Âu và Brazil Dự đoán, etanol sẽ là thành phần chính tạo nên sự gia tăng sử dụng nhiên liệu sinh học vì chi phí sản xuất của nó sẽ ngày càng giảm nhanh hơn so với chi phí sản xuất diezel sinh học Nhu cầu ngày một tăng của lương thực là một yếu tố hạn chế sản xuất nhiên liệu sinh học Hiện nay, để sản xuất nhiên liệu sinh học trên thế giới đang sử dụng gần 14 triệu ha hay 1% diện tích ruộng canh tác

1.1.2 Sự phát triển năng lượng tái tạo ở Việt Nam

Trong thời đại ngày nay khi mà nguồn tài nguyên năng lượng trên thế giới đang ngày càng cạn kiệt (theo dự đoán của nhiều chuyên gia, trữ lượng dầu mỏ trên thế giới sẽ được sử dụng hết vào năm 2050) thì việc tìm kiếm, phát triển các nguồn năng lượng tái tạo (NLTT) là rất quan trọng NLTT là năng lượng từ những nguồn liên tục mà theo chuẩn mực của con người là vô hạn Các dạng NLTT rất đa dạng bao gồm là năng lượng mặt trời, địa nhiệt, năng lượng sinh ra khi sinh khối được ứng dụng cho nhiều lĩnh vực Việt Nam được đánh giá có tiềm năng dồi dào về NLTT, nhưng việc phát hiện, khai thác và sử dụng NLTT đang còn là vấn đề mới được quan tâm, và tất nhiên chưa có vị trí xứng tầm với tiềm năng của nó

Việt Nam có nhiều tiềm năng về phát triển thủy điện, phong điện, điện mặt trời, địa nhiệt… Do cấu trúc địa lý, Việt Nam là một trong số 14 nước trên thế giới đứng đầu về tiềm năng thuỷ điện

Sở hữu nguồn năng lượng gió tốt nhất khu vực Đông Nam Á và 2.000- 2.500 giờ nắng mỗi năm tương đương gần 44 triệu tấn dầu quy đổi, nhưng lâu nay Việt Nam lại chưa khai thác hợp lý nguồn tài nguyên này

Về năng lượng mặt trời, nhiều nước trên thế giới đã ra thác hiệu quả nhưng ở Việt Nam vẫn chưa tận dụng được hết nguồn năng lượng sạch và tiết kiệm này Năng lượng mặt trời dùng để sản xuất điện ở Việt Nam chủ yếu là công nghệ nguồn điện pin mặt trời được ứng dụng ở khu vực nông thôn, miền núi, vùng sâu, vùng xa và hải đảo

Ngoài phong điện, tiềm năng sinh khối trong phát triển năng lượng bền vững ở Việt Nam cũng khá lớn Nguồn sinh khối chủ yếu ở Việt Nam là trấu,

bã mía, sắn, ngô, phân động vật, rác sinh học đô thị và phụ phẩm nông nghiệp Trong đó, tiềm năng sinh khối từ bã mía là 200-250 MW, trong khi trấu có tiềm năng tối đa là 100 MW Hiện cả nước có khoảng 43 nhà máy mía đường, trong đó 33 nhà máy sử dụng hệ thống đồng phát nhiệt điện bằng bã mía với tổng công suất lắp đặt 130 MW

Tính đến cuối năm 2014, đầu năm 2015, tổng công suất lắp đặt điện mặt trời trong cả nước đạt xấp xỉ 4,5 MWp, trong đó khoảng 20% tổng công suất (tương đương với 900 kWp) được đấu nối vào lưới điện Các trạm điện mặt trời nối lưới này có công suất trung bình khoảng 50 kWp và thuộc sở hữu của một số tổ chức và doanh nghiệp lớn, như Intel Corporation, Big C (Hà Nội)… Năm 2018, điện mặt trời của Việt Nam ghi nhận mức tăng trưởng đáng kể, nhưng con số này vẫn còn quá nhỏ so với một số quốc gia có tiềm năng tương

tự, như Mỹ, Ý, Philippines, thậm chí còn thấp hơn Malaysia, Thái Lan Cụ thể, tổng công suất điện mặt trời Việt Nam năm 2018 chỉ là 106 MWp, chưa bằng 1% so với Ý và chỉ bằng khoảng 4% của Thái Lan

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

Theo EVN, số liệu cập nhật đến ngày 31-12-2020, cả nước đã có 101.029 công trình điện mặt trời mái nhà (ĐMTMN) được đấu nối vào hệ thống điện quốc gia với tổng công suất lắp đặt lên tới gần 9.296 MWp Tổng sản lượng phát điện lên lưới từ ĐMTMN lũy kế đến nay đã đạt hơn 1,15 tỷ kWh, góp phần đảm bảo cung cấp điện cho hệ thống điện quốc gia Còn nếu tính chung các dự án điện mặt trời (bao gồm cả điện mặt trời mái nhà và điện mặt trời mặt đất), đến thời điểm hiện tại, tổng công suất lắp đặt trên cả nước

đã đạt tới 19.400 MWp (trong đó có gần 9.300 MWp là điện mặt trời mái nhà), tương ứng khoảng 16.500 MW - chiếm khoảng 25% tổng công suất lắp đặt nguồn điện của hệ thống điện quốc gia

1.2.1 Cấu trúc của mặt trời

Một cách khái quát có thể chia mặt trời thành hai phần chính: phần phía trong và phần khí quyển bên ngoài (hình 1.1) Phần khí quyển bên ngoài lại gồm 3 miền và được gọi là quang cầu, sắc cầu và nhật miện Còn phần bên trong của nó cũng có thể chia thành 3 lớp và gọi là tầng đối lưu, tầng trung gian và lõi mặt trời Một số thông số của các lớp của mặt trời được cho trên hình 1.1

Hình 1.1: Cấu trúc của mặt trời

Từ mặt đất nhìn lên ta có cảm giác mặt trời là một quả cầu lửa ổn định Thực ra bên trong mặt trời luôn luôn có sự vận động mạnh mẽ không ngừng

Sự ẩn hiện của các đám đen, sự biến đổi của quầng sáng và sự bùng phát dữ dội của khu vực xung quanh các đám đen là bằng chứng về sự vận động không ngừng trong lòng mặt trời Ngoài ra, bằng kính thiên văn có thể quan sát được cấu trúc hạt, vật thể hình kim, hiện tượng phụt khói, phát xung sáng luôn luôn thay đổi và rất dữ dội

1.2.2 Năng lượng mặt trời

Về mặt vật chất thì mặt trời chứa đến 78,4% khí Hydro (H2), Heli (He) chiếm 19,8%, các nguyên tố kim loại và các nguyên tố khác chỉ chiếm 1,8%

Năng lượng do mặt trời bức xạ ra vũ trụ là một lượng khổng lồ Mỗi giây nó phát ra 3,865.1026J, tương đương với năng lượng đốt cháy hết 1,32.1016 tấn than đá tiêu chuẩn Nhưng bề mặt quả đất chỉ nhận được một năng lượng rất nhỏ và bằng 17,57.1016J hay tương đương năng lượng đốt cháy của 6.106 tấn than đá

Năng lượng khổng lồ từ mặt trời được xác định là sản phẩm của các phản ứng hạt nhân Theo thuyết tương đối của Anhxtanh và qua phản ứng nhiệt hạt nhân khối lượng có thể chuyển thành năng lượng Nhiệt độ mặt ngoài của mặt trời khoảng 60000K, còn ở bên trong mặt trời nhiệt độ có thể lên đến hàng triệu đô Áp suất bên trong mặt trời cao hơn 340.108

MPa Do nhiệt độ và áp suất bên trong mặt trời cao như vậy nên vật chất đã nhanh chóng bị ion hóa và chuyển động với năng lượng rất lớn Chúng va chạm vào nhau và gây ra hàng loạt các phản ứng hạt nhân Người ta đã xác định được nguồn năng lượng mặt trời chủ yếu do hai loại phản ứng hạt nhân gây ra Đó

là các phản ứng tuần hoàn giữa các hạt nhân Cacbon và Nitơ (C.N) và phản ứng hạt nhân Proton

Khối lượng của mặt trời xấp xỉ 2.1027 tấn Như vậy để mặt trời chuyển hóa hết khối lượng của nó thành năng lượng cần một khoảng thời gian là 15.1013 năm Từ đó có thể thấy rằng nguồn năng lượng mặt trời là khổng lồ và

vô tận

1.2.3 Phổ bức xạ mặt trời

Bức xạ mặt trời có bản chất là sóng điện từ, là quá trình truyền các dao động điện từ trường trong không gian Trong quá trình truyền sóng, các vectơ cường độ điện trường và cường độ từ trường luôn luôn vuông góc với nhau và vuông góc với phương truyền của sóng điện từ Quãng đường mà sóng điện từ truyền được sau một chu kỳ dao động điện từ được gọi là bước sóng λ

Trong chân không vận tốc truyền của sóng điện từ gần đúng bằng c = 3.108 m/s Còn trong môi trường vật chất, vận tốc truyền của sóng nhỏ hơn và bằng v = c/n, trong đó n được gọi là chiết suất tuyệt đối của môi trường, với n

≥ 1 Các sóng điện từ có bước sóng trải dài trong một phạm vi rất rộng từ 10-7

nm (nano met) đến hàng nghìn km

Hình 1.2: Thang sóng điện từ của bức xạ mặt trời

Ánh sáng nhìn thấy có bước sóng từ 0,4µm đến 0,8µm, chỉ chiếm một phần rất nhỏ của phổ sóng điện từ của bức xạ mặt trời Mặc dù có cùng bản chất là sóng điện từ nhưng các loại sóng điện từ có bước sóng λ khác nhau thì gây ra các tác dụng lý học, hóa học và sinh học rất khác nhau Nói riêng trong vùng phổ nhìn thấy được, sự khác nhau về bước sóng gây cho ta cảm giác màu sắc khác nhau của ánh sáng Khi đi từ bước sóng dài   µm đến giới hạn sóng ngắn  µm ta nhận thấy màu sắc của ánh sáng thay đổi liên tục

từ đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím Mắt người nhạy nhất với ánh sáng màu vàng có bước sóng µm Sự phân bố năng lượng đối với các bước sóng khác nhau cũng khác nhau Bảng 1.1 cho thấy quan hệ giữa mật độ năng lượng của bức xạ điện từ phụ thuộc vào bước sóng của nó, còn bảng 1.2 là quan hệ giữa màu sắc của ánh sáng và bước sóng của nó Từ bảng 1.1 ta thấy rằng mật độ năng lượng bức xạ mặt trời chủ yếu phân bố trong dải bước sóng

từ   µm (tử ngoại C, tỷ lệ mật độ năng lượng 0,57%) đến   µm

(hồng ngoại, tỷ lệ mật độ năng lượng 1,93%), còn ngoài vùng đó mật độ không đáng kể

Khi bức xạ mặt trời đi ngang qua tầng khí quyển bao quanh quả đất, nó

bị các phân tử khí, các hạt bụi, hấp thu hoặc bị làm tán xạ, nên phổ và năng lượng mặt trời khi đến bề mặt trái đất bị thay đổi rất đáng kể

Bảng 1.1: Phân bố phổ bức xạ mặt trời theo bước sóng

Xanh 510 480 ÷ 550

1.2.4 Đặc điểm của bức xạ mặt trời trên bề mặt trái đất

Quả đất bị bao bọc xung quanh bởi một tầng khí quyển có chiều dày H khoảng 7991 km bao gồm các phần tử khí, hơi nước, các hạt bụi, các hạt chất lỏng, chất rắn và các đám mây,… Vì vậy, khi bức xạ mặt trời xuyên qua lớp khí quyển đó để đến được mặt đất thì năng lượng của nó bị thay đổi đáng kể

Hình 1.3: Định nghĩa các vĩ tuyến (a) và kinh tuyến (b)

Khi các bức xạ mặt trời xuyên vào lớp khí quyển quả đất, gặp các phân

tử khí, hơi nước, các hạt bụi, các hạt chất lỏng,…bị tán xạ, phản xạ và hấp thụ nên một phần năng lượng của nó không tới được mặt đất Đối với những ngày trong sáng thì sự suy giảm năng lượng của các tia bức xạ mặt trời do ba quá trình vật lý sau xảy ra một cách đồng thời:

 Sự hấp thụ chọn lọc do các phân tử hơi nước H2O, O2 , O3 và CO2

 Sự tán xạ Rayleith trên các phân tử khí, các hạt bụi,

 Tán xạ Mie

Hình 1.4: Phổ bức xạ mặt trời bên trong và ngoài bầu khí quyển

Do bức xạ bị hấp thu bởi các phần tử khí O2, O3 ở các vùng cao của lớp khí quyển nên vùng bước sóng tử ngoại   µm trong phổ mặt trời đã bị biến mất khi đến mặt đất Trong vùng hồng ngoại, sự hấp thụ xảy ra chủ yếu

do hơi nước H2O và CO2 Kết quả của các quá trình nói trên làm cho cường

độ bức xạ mặt trời tới mặt đất yếu đi rất nhiều so với ở ngoài vũ trụ và đường cong phân bố phổ của nó ở mặt đất không còn được liên tục như ở ngoài khí quyển quả đất, mà bị “xẻ” thành nhiều “rãnh” hoặc các “vùng rãnh” như đã chỉ ra trên hình 1.3

Trong các ngày mây mù, sự suy giảm bức xạ mặt trời còn xảy ra mạnh hơn Một phần đáng kể bức xạ mặt trời bị phản xạ lại vũ trụ từ các đám mây, một phần khác bị các đám mây hấp thụ, phần còn lại truyền đến quả đất như

là bức xạ nhiễu xạ Tổng các bức xạ mặt trời bị phản xạ trở lại vũ trụ do phản

xạ và tán xạ từ các đám mây, từ các phân tử khí, từ các hạt bụi và từ mặt đất (bao gồm các vật cản như nhà cửa, cây cối, ) được gọi là Albedo của hệ khí quyển quả đất và có khoảng giá trị vào khoảng 30%

Tóm lại ở mặt đất nhận được hai thành phần bức xạ:

 Bức xạ trực tiếp (còn gọi là Trực xạ) là các tia sáng mặt trời đi thẳng từ mặt trời đến mặt đất, không bị thay đổi hướng khi qua lớp khí quyển

 Bức xạ nhiễu xạ hay bức xạ khuếch tán gọi tắt là tán xạ, phản xạ,… Hướng của tia trực xạ phụ thuộc vào vị trí của mặt trời trên bầu trời, tức

là phụ thuộc vào thời gian và địa điểm quan sát Trong khi đó đối với bức xạ nhiễu xạ không có hướng xác định mà đến điểm quan sát từ mọi điểm trên bầu trời Tổng hai thành phần bức xạ này được gọi là tổng xạ, nó chiếm khoảng 70% toàn bộ bức xạ mặt trời hướng về quả đất

1.3 Khai thác, sử dụng trực tiếp năng lƣợng mặt trời

Việt Nam là một quốc gia đang phát triển, do đó nhu cầu năng lượng ngày càng tăng với tốc độ tăng trưởng khoảng (15-20)% Hiện tại chính sách quốc gia của Việt Nam về nhu cầu năng lượng dựa vào việc thiết lập hệ thống các nhà thủy điện, nhà máy nhiệt điện tua bin hơi và tua bin khí, một số nhà máy điện nguyên tử

Tuy nhiên, để đảm bảo phát triển bền vững và đặc biệt cân bằng được năng lượng của quốc gia trong tương lai, Việt Nam đã và đang tập trung nghiên cứu phát triển các nguồn năng lượng mới Trong đó, năng lượng mặt trời vẫn là một nguồn năng lượng tối ưu trong tương lai cho điều kiện Việt Nam trên phương diện địa dư và nhu cầu phát triển kinh tế Nguồn năng lượng này sẽ góp phần vào:

 Hạn chế hiệu ứng nhà kính và sự hâm nóng toàn cầu

 Giải quyết ô nhiễm môi trường do việc gia tăng dân số và phát triển xã hội của các quốc gia trên thế giới

 Bổ túc vào sự thiếu hụt năng lượng trong tương lai khi nguồn năng lượng trong thiên nhiên sắp bị cạn kiệt

Vị trí địa lý đã ưu ái cho Việt Nam nguồn năng lượng tái tạo vô cùng lớn, đặc biệt là năng lượng mặt trời Việt Nam nằm trong khu vực có cường

độ bức xạ mặt trời tương đối cao, trong đó nhiều nhất phải kể đến TP HCM, tiếp đến là các vùng Tây Bắc (Lai Châu, Sơn La, Lào Cai)… Tuy nhiên, để khai thác nguồn năng lượng này, đòi hỏi rất nhiều nỗ lực Những chuyển biến gần đây cho thấy, ứng dụng, khai thác năng lượng mặt trời đã có những bước tiến mới

Năng lượng mặt trời (NLMT) là nguồn năng lượng mà con người biết sử dụng từ rất sớm, nhưng ứng dụng NLMT vào các công nghệ sản xuất và trên quy mô rộng thì mới chỉ thực sự vào cuối thế kỉ 18 và cũng chủ yếu ở những nước nhiều NLMT, những vùng sa mạc Từ sau các cuộc khủng hoảng năng lượng thế giới năm 1968 và 1973, NLMT càng được đặc biệt quan tâm Các nước công nghiệp phát triển đã đi tiên phong trong việc nghiên cứu ứng dụng NLMT Các ứng dụng NLMT phổ biến hiện nay bao gồm các lĩnh vực chủ yếu sau:

1.3.1 Thiết bị sấy khô dùng NLMT

Hiện nay NLMT được ứng dụng khá phổ biến trong các lĩnh vực nông nghiệp để sấy các sản phẩm như ngũ cốc, thực phẩm… nhằm giảm tỷ lệ hao hụt và tăng chất lượng sản phẩm Ngoài mục đích để sấy các loại nông sản, NLMT còn được dùng để sấy các loại vật liệu như gỗ

Hình 1.5: Thiết bị sấy thực phẩm dùng NLMT

1.3.2 Thiết bị chưng cất nước sử dụng NLMT

Thiết bị chưng cất nước dùng NLMT Thiết bị chưng cất nước thường có

2 loại: loại nắp kính phẳng có chi phí cao (khoảng 23 USD/m2), tuổi thọ khoảng 30 năm, và loại nắp plastic có chi phí rẻ hơn nhưng hiệu quả chưng cất kém hơn

Ở Việt Nam đã có đề tài nghiên cứu triển khai ứng dụng thiết bị chưng cất nước NLMT dùng để chưng cất nước ngọt từ nước biển và cung cấp nước sạch dùng cho sinh hoạt ở những vùng có nguồn nước ô nhiễm với thiết bị chưng cất nước NLMT có gương phản xạ đạt được hiệu suất cao tại khoa Công nghệ Nhiệt Điện lạnh-Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng

Hình 1.6: Thiết bị chưng cất nước dùng NLMT

1.3.3 Thiết bị đun nước nóng dùng NLMT

Ứng dụng đơn giản, phổ biến và hiệu quả nhất hiện nay của NLMT là dùng để đun nước nóng Các hệ thống nước nóng dùng NLMT đã được dùng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới

Ở Việt Nam hệ thống cung cấp nước nóng bằng NLMT đã và đang được ứng dụng rộng rãi ở các thành phố lớn như: Hà Nội, Thành phố HCM và Đà Nẵng Các hệ thống này đã tiết kiệm cho người sử dụng một lượng đáng kể về năng lượng, góp phần rất lớn trong việc thực hiện chương trình tiết kiệm năng lượng của nước ta và bảo vệ môi trường chung của nhân loại

Hệ thống cung cấp nước nóng dùng NLMT hiện nay ở 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 còn thấp

Hình 1.7: Nguyên lý hoạt động của máy nước nóng NLMT Sơn Hà

1.3.4 Thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí dùng NLMT

Trong số những ứng dụng của NLMT 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 và giá nhiên liệu quá đắt so với thu nhập trung bình của người dân Với các máy lạnh làm việc trên nguyên lý biến đổi NLMT thành điện năng nhờ pin mặt trời (photovoltaic) là thuận tiện nhất, nhưng trong giai đoạn hiện nay giá thành pin mặt trời còn quá cao Ngoài ra các hệ thống lạnh còn được sử dụng NLMT dưới dạng nhiệt năng để chạy máy lạnh hấp thụ, loại thiết bị này ngày càng được ứng 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

Ở 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 1.8: Điều hòa không khí sử dụng NLMT

1.3.5 Nhà máy điện sử dụng NLMT

Hình 1.9: Nhà máy nhiệt điện mặt trời

Hình 1.10: Nhà máy điện mặt trời

1.4 Pin mặt trời

1.4.1 Khái niệm

Pin năng lượng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện) là thiết

bị bán dẫn chứa lượng lớn các điôt p-n, duới sự tác động của ánh sáng mặt trời có khả năng tạo ra dòng điện sử dụng được Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện Pin năng lượng mặt trời bao gồm nhiều tế bào quang điện được kết nối thành các modul hay các mảng năng lượng mặt trời Số tế bào quang điện được sử dụng trong tấm pin tùy theo công suất và điện áp yêu cầu Hiệu suất pin mặt trời là tỉ số giữa năng lượng điện pin mặt trời có thể phát ra

và năng lượng từ ánh sáng mặt trời tỏa nhiệt trong 1m² Hiệu suất của pin mặt trời thay đổi từ 6% - 30% tùy theo loại vật liệu và hình dạng tấm pin Pin mặt trời được sản xuất và ứng dụng phổ biến hiện nay là các pin mặt trời được chế tạo từ vật liệu tinh thể bán dẫn Silicon (Si) có hoá trị 4 Từ tinh thể Si tinh khiết, để có vật liệu tinh thể bán dẫn Si loại n, người ta pha tạp chất Donor là Photpho (P) có hoá trị 5 Còn để có vật liệu bán dẫn tinh thể loại p thì tạp chất

Acceptor được dùng để pha vào Si là Bo có hoá trị 3 Đối với pin mặt trời từ vật liệu tinh thể Si khi được chiếu sáng thì hiệu điện thế hở mạch giữa hai cực vào khoảng 0,55V, còn dòng ngắn mạch của nó dưới bức xạ mặt trời 1000W/m2 vào khoảng (2530) mA/cm3 Hiện nay cũng đã có các pin mặt trời bằng vật liệu Si vô định hình (a-Si) Pin mặt trời a-Si có ưu điểm là tiết kiệm được vật liệu trong sản xuất do đó có thể có giá thành rẻ hơn Tuy nhiên,

so với pin mặt trời tinh thể thì hiệu suất biến đổi quang điện của nó thấp và kém ổn định khi làm việc ngoài trời Năng lượng mặt trời được tạo ra từ các

tế bào quang điện (PV) là một trong những nguồn năng lượng tái tạo quan trọng do lợi thế như không cần chi phí nhiên liệu, bảo trì ít và không có tiếng

ồn và mòn do sự vắng mặt của bộ phận chuyển động Về lý thuyết đây là một nguồn năng lượng lý tưởng Tuy nhiên, để hệ thống này được triển khai rộng rãi trong thực tế cần phải tiếp tục giải quyết một số vấn đề như: Giảm chi phí lắp đặt; tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng và các vấn đề liên quan đến sự tương tác với các hệ thống khác

1.4.2 Mô hình toán và đặc tính làm việc của Pin mặt trời

Mô hình toán học của tế bào quang điện đã được nghiên cứu trong nhiều thập kỷ qua [13] Mạch điện tương đương của mô hình tế bào quang điện bao gồm: Dòng quang điện, Điôt, điện trở song song (dòng điện dò), điện trở nối tiếp được chỉ ra trên hình 1.11 Ta có:

1 0

d c

Trong đó: Igc là dòng quang điện (A);

I0 là dòng bão hòa (A) phụ thuộc vào nhiệt độ tế bào quang điện;

q là điện tích của điện tử, q = 1,6.10-19

C;

k là hằng số Boltzman, k = 1,38.10- 23J/K;