Xây Dựng Cấu Hình Hệ Thống Điện Cho Hệ Thống Bơm Nước Bằng Pin Quang Điện.pdf

Untitled BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM TIẾN THUẬT XÂY DỰNG CẤU HÌNH HỆ THỐNG ÐIỆN CHO HỆ THỐNG BƠM NƯỚC BẰNG PIN QUANG ÐIỆN NGÀNH K[.]

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM TIẾN THUẬT

XÂY DỰNG CẤU HÌNH HỆ THỐNG ÐIỆN CHO HỆ THỐNG BƠM NƯỚC BẰNG PIN QUANG ÐIỆN

NGÀNH: KỸ THUẬT ÐIỆN- 60520202

Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2018

S KC0 0 5 7 9 2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

XÂY D ỰNG CẤU HÌNH HỆ THỐNG ĐIỆN CHO HỆ

TH ỐNG BƠM NƯỚC BẰNG PIN QUANG ĐIỆN

Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2018

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

XÂY D ỰNG CẤU HÌNH HỆ THỐNG ĐIỆN CHO HỆ

TH ỐNG BƠM NƯỚC BẰNG PIN QUANG ĐIỆN

Hướng dẫn khoa học:

PGS.TS TRƯƠNG VIỆT ANH

Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2018

PGS.TS Trương Việt Anh

Trang i

LÝ L ỊCH KHOA HỌC

Họ & tên: Phạm Tiến Thuật Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 12/07/1989 Nơi sinh: Tây Ninh

Địa chỉ liên lạc: 86 Trần Phú, KP.Ninh Trung, P.Ninh Sơn TP.Tây Ninh

Điện thoại nhà riêng: 0935194271

Trang ii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Phạm Tiến Thuật học viên lớp Kỹ thuật điện khóa 2017 – 2019 sau quá trình học tập và nghiên cứu tại trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP

Hồ Chí Minh Tôi quyết định lựa chọn đề tài: “Xây dựng cấu hình hệ thống điện cho hệ thống bơm nước bằng pin quang điện”

Tôi cam đoan bản luận văn này thực hiện với chính bản thân tôi dưới sự

hướng dẫn của thầy PGS.TS Trương Việt Anh

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được

ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, Ngày 20 tháng 09 năm 2018

( Ký tên và ghi rõ họ tên)

Phạm Tiến Thuật

Trang iii

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô giáo Trường Đại học

Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã truyền đạt, củng cố và định hướng trong quá trình học tập tại trường Giúp tôi có khả năng tìm tòi, tư duy

và tự nghiên cứu phục vụ cho công việc hiện tại và trong tương lai sắp tới Tôi xin trân trọng gửi lời cảm ơn đến thầy Trương Việt Anh đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, giành thời gian chỉ dẫn, chỉnh sửa và truyền đạt kiến thức, truyền đạt kinh nghiệm và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để tôi hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp này

Tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè lớp KDD 17A những người luôn động viên, an ủi tôi những lúc khó khăn nhất

Xin kính chúc tất cả và chân thành cảm ơn

Tp Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2018

Phạm Tiến Thuật

Trang iv

TÓM TẮT

Trong tình hình chung trên thế giới và Việt Nam, nhu cầu năng lượng sạch năng lượng mặt trời cũng đã được quan tâm, nghiên cứu và đưa ra rất nhiều sản phẩm trong lĩnh vực năng lượng tái tạo Điện năng lượng mặt trời đã được chú ý phát triển tại nhiều quốc gia trên thế giới Hiện nay, khi biến đổi khí hậu gây ra bởi vấn nạn ô nhiễm môi trường đã mang tính chất toàn cầu, lĩnh vực điện mặt trời càng được quan tâm phát triển khi nó là nguồn năng lượng vô tận có thể thay thế cho các nguồn năng lượng truyền thống

Trong những năm gần đây, đã có nhiều công trình nghiên cứu về điện năng lượng mặt trời được công bố rộng rãi trong nước cũng như ngoài nước Các công trình này tập trung vào các vấn đề xác định điểm công suất cực đại của pin năng lượng mặt trời, nâng cao hiệu suất vận hành pin mặt trời trong trường hợp hòa đồng bộ lưới điện, kết hợp pin mặt trời với điện gió, tế bào năng lượng trong chế độ vận hành hybrid… Đề tài "Xây dựng cấu hình hệ thống điện cho hệ thống bơm nước bằng pin quang điện" sẽ cho cái nhìn tổng quan nhất về tình hình ứng dụng năng lượng sạch vào việc dùng cho bơm nước Điểm nổi bật được đưa ra giải quyết ở cấu hình sử dụng đó là hệ thống độc lập của pin mặt trời, năng lượng từ pin không sử dụng bình ăcquy để lưu trữ hạn chế việc ô nhiễm môi trường do việc chế tạo và tái chế của nó gây ra

Luận văn có đề cập đến việc tính toán hệ thống, lựa chọn toàn bộ cấu hình sao cho mạch đơn giản mà sử dụng hiệu quả Một mô hình vật lý được xây dựng để kiểm chứng đánh giá hiệu quả của phương pháp được đề xuất Kết quả thu nhận qua thực nghiệm đã chứng minh được hiệu quả của phương pháp nghiên cứu được đề xuất

In recent years, there have been many researches on solar power published widely over the world These projects focus on tracking the maximum power point of photovoltaic, increasing the efficiency of solar cell operation in connecting to the grid, hybrid mode with wind, power cell… The topic of "Build the power system configuration for water pump system by photovoltaic" will give an overview of clean energy applications in water pump applications The highlight of configuration solution is the stand-alone system of photovoltaic, power without using batteries to store which would limit environmental pollution caused by manufacturing and recycling them The thesis refers to the calculation of the system, selecting the entire configuration that aim to create the as simple but high efficientlycircuit as possible A small model was developed to validate the effectiveness of the proposed method The experimental results demonstrate the effectiveness of the proposed methodology

Trang vi

LÝ LỊCH KHOA HỌC i

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN iii

TÓM TẮT iv

ABSTRACT v

PHỤ LỤC vi

DANH MỤC HÌNH viii

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Các nghiên cứu liên quan 3

1.2.1 Các PP xác định điểm công suất cực đại của pin mặt trời 3

1.2.2 Nâng cao hiệu quả nối lưới của pin năng lượng mặt trời 4

1.2.3 Nâng cao hiệu quả năng lượng mặt trời trong chế độ hybrid 5

1.3 Hướng nghiên cứu của luận văn 6

1.4 Mục tiêu nghiên cứu 6

1.5 Nhiệm vụ nghiên cứu 7

1.6 Phạm vi nghiên cứu 7

1.7 Phương pháp nghiên cứu 7

1.8 Điểm mới của luận văn 8

1.9 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài 8

1.10 Nội dung luận văn 8

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUY T 9

2.1 Tổng quan về pin năng lượng mặt trời 9

2.1.1 Định nghĩa pin mặt trời 9

2.1.2 Lịch sử phát triển pin mặt trời 10

2.1.3 Cấu tạo và hoạt động của pin mặt trời 11

2.2 Tổng quan một hệ thống điện năng lượng mặt trời 12

Trang vii

2.2.1 Bộ pin năng lượng mặt trời 13

2.2.2 Bộ chuyển đổi năng lượng điện 14

2.3 Tình hình sử dụng pin năng lượng mặt trời hiện nay 15

2.3.1 Nhà máy năng lượng mặt trời trên thế giới 16

2.3.1.1 Trang trại quang điện Topaz 16

2.3.1.2 Nhà máy sản xuất điện mặt trời tập trung Ivanpah 17

2.3.2 Tình hình sử dụng pin năng lượng mặt trời ở trong nước 22

2.4 Hướng tiếp cận của luận văn về sử dụng pin mặt trời 25

CHƯƠNG 3: GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN 27

3.1 Mô hình toán của pin mặt trời 27

3.1.1 Mô hình một diode 27

3.1.1 Mô hình 2 diode 29

3.2 Mô hình động cơ một chiều không chổi than 29

3.3 Mô hình bơm ly tâm 31

3.3 Dò điểm công suất cực đại 31

3.3.1 Sử dụng bộ biến đổi điện áp DC 33

3.3.2 Một số mạch biến đổi điện áp DC cơ bản: 34

CHƯƠNG 4 M H NH TH C NGHIỆM 43

1 Tính toán thiết kế 43

2 Mô ph ng thí nghiệm 45

3 Giới thiệu mô hình 52

CHƯƠNG 5 K T LUẬN 71

5.1 Các kết quả đạt được qua luận văn 71

5.2 Các tồn tại và thiếu sót trong luận văn 71

5.3 Hướng phát triển của luận văn 72

TÀI LIỆU THAM KHẢO 73

Trang viii

Hình 1 1 Minh họa việc xác định điểm MPPT trong hệ thống pin mặt trời 4

Hình 1 2 Một hệ thống pin mặt trời nối lưới điển hình 5

Hình 1 3 Cấu hình tiêu biểu của một hệ thống PV trong chế độ hybrid 6

Hình 2 1 Cấu tạo pin mặt trời 9

Hình 2 2 Thiết bị chỉ có hiệu suất 1%, Russell Ohl xem là người tạo ra pin năng lượng mặt trời đầu tiên năm 1946 10

Hình 2 3 Nguyên lý hiện tượng quang điện 12

Hình 2 4 Tổng quan một hệ thống năng lượng mặt trời 13

Hình 2 5 Hình ảnh một bộ pin năng lượng mặt trời 14

Hình 2 6 Bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời 15

Hình 2 7 Topaz Solar Farms 550 MW, California 16

Hình 2 8 Nhà máy điện mặt trời tập trung Ivanpah 17

Hình 2 9 Dự án Solar Star 579MW, California 18

Hình 2 10 Nhà máy điện mặt trời nổi Hoài Nam 19

Hình 2 11 : Nhà máy Noor 20

Hình 2 12 Trang trại điện mặt trời 21

Hình 3 1 Sơ đồ mô hình 1 diode 28

Hình 3 2 Sơ đồ tương đương 2 diode 29

Hình 3 3 Dạng sóng điều khiển động cơ rushless DC 30

Hình 3 4 Sơ đồ tương đương pin mặt trời nối tải 31

Hình 3 5 Điểm làm việc của pin mặt trời 32

Hình 3 6 Sơ đồ khối bộ biến đổi điện áp nối pin mặt trời 33

Hình 3 7 Sơ đồ nguyên lý mạch uck 34

Hình 3 8 Sơ đồ nguyên lý mạch oost DC 35

Hình 3 9 Sơ đồ mạch biến đổi Buck - Boost 36

Hình 3 10 Lưu đồ giải thuật MPPT 41

Hình 3 11 Lưu đồ điều khiển bơm nước 42

Trang ix

Hình 4 1 Đồ thị bức xạ trong ngày 44

Hình 4 2 Đặc tuyến I - V động cơ rushless 45

Hình 4 3 Mạch mô ph ng thực thi bằng phần mềm Psim 46

Hình 4 4 Công suất thực so với công suất lý thuyết 47

Hình 4 5 Dòng điện trên m i tải 47

Hình 4 6 Điện áp ngõ ra 47

Hình 4 7 Công suất thực so với công suất lý thuyết 48

Hình 4 8 Dòng điện trên m i tải 48

Hình 4 9 Điện áp ngõ ra 49

Hình 4 10 Công suất thực so với công suất lý thuyết 49

Hình 4 11 Dòng điện trên m i tải 50

Hình 4 12 Điện áp ngõ ra 50

Hình 4 13 Công suất thực so với công suất lý thuyết 51

Hình 4 14 Dòng điện trên m i tải 51

Hình 4 15 Điện áp ngõ ra 51

Hình 4 16 Mạch tăng áp DC - DC 53

Hình 4 17 Động cơ rushless DC 54

Hình 4 18 Mạch điều khiển Arduino UNO R3 55

Hình 4 19 Không đủ công suất để khởi động động cơ 57

Hình 4 20 Dòng điện và điện áp đo đƣợc 57

Hình 4 21 Điểm làm việc trên tấm pin 58

Hình 4 22 Một động cơ chạy khi công suất thấp 59

Hình 4 23 Dòng điện và điện áp đo đƣợc 59

Hình 4 24 Điểm làm việc trên tấm pin 60

Hình 4 25 Hai động cơ chạy với công suất trung bình 61

Hình 4 26 Dòng điện và điện áp đo đƣợc 61

Hình 4 27 Điểm làm việc trên tấm pin 62

Hình 4 28 a động cơ chạy khi công suất tăng cao 63

Hình 4 29 Dòng điện và điện áp đo đƣợc 63

Trang x

Hình 4 30 Điểm làm việc trên tấm pin 64

Hình 4 31 Công suất lớn, chạy 3 động cơ 65

Hình 4 32 Dòng điện và điện áp đo đƣợc 65

Hình 4 33 Điểm làm việc trên tấm pin 66

Hình 4 34 Hai động cơ đang chạy khi cho bức xạ trung bình 67

Hình 4 35 Dòng điện và điện áp đo đƣợc 67

Hình 4 36 Điểm làm việc trên tấm pin 68

Hình 4 37 ức xạ xuống thấp, ngắt 2 động cơ 69

Hình 4 38 Dòng điện và điện áp đo đƣợc 69

Hình 4 39 Điểm làm việc trên tấm pin 70

Trang 1

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

Những vấn đề về điện năng ngày càng được quan tâm nhiều hơn Đặc biệt là

“Năng lượng tái tạo”, là năng lượng từ những nguồn nguyên liệu vô tận như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng thủy triều, năng lượng sóng, năng lượng địa nhiệt… Các loại năng lượng tái tạo này là những loại năng lượng tiềm năng và

sẽ là những phương án thay thế hữu hiệu cho các loại năng lượng hóa thạch ngày càng khan hiếm và gây ô nhiễm môi trường Trong bối cảnh này, sự kết hợp của quang điện hệ thống trong các ứng dụng bơm nước được cho là một trong những sử dụng phổ biến nhất của khai thác năng lượng mặt trời [23-26] Cụ thể ở ắc Mỹ, Úc

và Châu Âu việc sử dụng PV-bơm phục vụ cho hệ thống nông nghiệp lớn; còn tại các nước đang phát triển đa số phục vụ nhu cầu sinh hoạt như bơm nước lên tầng cao và phục vụ tưới tiêu, hệ thống nước uống cho gia súc [27-30]

Hiện nay, lĩnh vực năng lượng tái tạo đang được quan tâm rất nhiều tại các nước phát triển cũng như các nước đang phát triển Riêng về năng lượng mặt trời được hầu hết các quốc gia quan tâm sâu sắc, đặc biệt là các nước nằm khu vực gần xích đạo được hưởng cường độ bức xạ mặt trời tương đối tốt, như nước Việt Nam

Tại Việt Nam,việc cung cấp điện lưới quốc gia vô cùng khó khi khi truyền tải điện lưới đến các hộ dân vùng sâu, vùng xa, biên giới và hải đảo Tại những khu

vực này, công suất tiêu điện năng là rất thấp, hầu như chỉ phục vụ cho nhu cầu thắp sáng và tưới tiêu cho các khu vực phân bố khá thưa, việc truyền tải điện năng đến

Trang 2

các hộ gia đình này vô cùng tốn kém và thiếu tính kinh tế Theo các nhà khoa học, nếu phát triển tốt điện mặt trời sẽ góp phần đẩy nhanh Chương trình điện khí hóa nông thôn (Dự kiến đến năm 2020, cung cấp điện cho toàn bộ 100% hộ dân nông thôn, miền núi, hải đảo…) Điện mặt trời cung cấp cho từng hộ dân sẽ là phương án

hữu hiệu nhất, giúp tiết kiệm rất nhiều chi phí truyền tải không cần thiết cho nhà nước ta

Hiện nay, việc dự trữ các nguồn năng lượng tái tạo là không thể, đây cũng chính là nhược điểm của loại năng lượng này do phải phụ thuộc hoàn toàn vào điều

kiện môi trường bên ngoài Chính vì lý do trên, bài toán cần giải quyết chính là phải tìm ra phương pháp điều khiển, vận hành sao cho thu được hiệu suất cao nhất từ nguồn năng lượng tái tạo Đã có nhiều nghiên cứu các phương pháp đáp ứng cho yêu cầu nâng cao hiệu suất này, đặc biệt nổi trội gồm có: phương pháp xác định điểm công suất cực đại pin mặt trời, nâng cao hiệu suất hoạt động pin mặt trời bằng cách nối lưới, giải pháp nâng cao hiệu quả hoạt động trong chế độ hybrid với các nguồn năng lượng khác Với tình hình hiện nay của nước ta, vấn đề cần đặt ra là xây dựng được thuật toán điều khiển tối ưu công suất từ pin mặt trời nhằm phục vụ các nhu cầu sử dụng điện năng cho nước ta

Luận văn này trình bày một giải pháp giúp sử dụng năng lượng mặt trời hữu

hiệu nhất nhằm đáp ứng nhu cầu tưới tiêu bằng bơm nước tiết kiệm các chi phí phát sinh của nguồn dự trữ và đạt hiệu quả cao cho các hộ tiêu thụ vùng sâu, vùng xa

Qua mô hình thực nghiệm mô ph ng hệ thống bơm nước, đã cho thấy hiệu quả của

giải pháp được đề xuất đã chứng minh là có tính khả thi cao, có khả năng áp dụng vào phục vụ sản xuất, sinh hoạt

Trang 3

Tình hình sử dụng năng lượng trên thế giới đạt nhiều tiến bộ trong suốt

15 năm qua, tỷ lệ tăng trưởng hàng năm năng lượng mặt trời là trên 40% [1], nhấn mạnh sự trưởng thành của các khoản đầu tư thực hiện, đảm bảo độ tin cậy của công nghệ được sử dụng Cùng một lúc, chính sách khuyến khích và các biện pháp h trợ được thực hiện trong một số các nước, đặc biệt là bên trong Liên minh Châu Âu đề ra mục tiêu tăng năng lượng mặt trời từ 6% lên đến 12% [2]

Việt Nam là nước có tiềm năng lớn về năng lượng mặt trời với công suất bức xạ trung bình của mặt trời khoảng 5kWh/m2/ngày ở miền Nam và miền Trung, và khoảng 4kWh/m2/ngày ở miền ắc [11] Việc tận dụng năng lượng mặt trời làm nguồn năng lượng thay thế hết sức thuận lợi Trong đó, tận dụng năng lượng mặt trời vào ứng dụng bơm nước đang được phát triển Tuy nhiên, chi phí đầu tư cả hệ thống bơm nước dùng pin mặt trời vẫn còn cao và sự phụ thuộc vào điều kiện thời tiết là những bất lợi Lựa chọn kích cỡ tối ưu trở nên cần thiết cho việc sử dụng hiệu quả và thiết kế kinh tế của hệ thống điện nhằm tối đa hoá tính khả thi của lắp đặt PV Nên ta cần khảo sát đưa ra công suất bơm, công suất pin mặt trời cung cấp theo nhu cầu sử dụng cho từng trường hợp cụ thể

Xác định được điểm công suất cực đại là bước tiến vô cùng lớn trong việc nghiên cứu về năng lượng mặt trời Phương pháp nghiên cứu này đã dành được sự quan tâm rất lớn của các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực năng lượng mặt trời Do bức

xạ mặt trời từng thời điểm sẽ khác nhau, cho nên công suất cực đại của pin mặt trời cũng khác nhau Việc tận dụng tối đa nguồn năng lượng phát ra từ pin quang điện sẽ giúp nâng cao hiệu suất tấm pin một cách thực tế nhất Chính vì lý do trên, Việc tìm

ra điểm làm việc công suất cực đại sẽ giúp thu được công suất điện năng lớn nhất từ cùng một số lượng tấm pin mặt trời như nhau

Trang 4

Các nghiên cứu trong [1-7] đã đưa ra nhiều phương pháp tìm điểm MPPT cho các hệ thống pin mặt trời Các nghiên cứu đều cho kết quả rất tốt và hoạt động ổn định Ngoài các phương pháp dò tìm truyền thống là P&O và INC, gần đây nhiều thuật toán tối ưu được áp dụng để tìm kiếm điểm làm việc này

Tuy nhiên, do yêu cầu sử dụng các thuật toán mạnh mẽ để tìm được điểm MPPT nên việc áp dụng các phương pháp được đề xuất chỉ thực sự mang lại nhiều

lợi ích cho các ứng dụng công suất lớn Với các yêu cầu công suất nh và giá thành phù hợp thì việc áp dụng các phương pháp tính toán này sẽ đội giá lên cao và không mang lại nhiều hiệu quả về mặt kinh tế

Các nghiên cứu [8-15] tập trung vào các giải pháp nâng cao hiệu quả hoạt động của các bộ PV nối lưới Để tận thu được nguồn năng lượng lớn nhất từ mặt

trời thì vấn đề nối lưới luôn là một giải pháp đưa lên hàng đầu Khi nối lưới quốc gia, pin mặt trời sẽ luôn vận hành tại các vị trí MPPT, nguồn năng lượng thu được

sẽ đưa hết lên lưới điện

Trang 5

Hình 1 2 Một hệ thống pin mặt trời nối lưới điển hình

Phương pháp điều khiển nối lưới điện tập trung vào vấn đề điều khiển các chuyển mạch bán dẫn để giảm thiểu nhấp nhô điện áp bus dc và dòng điện rò xuống đất từ pin mặt trời

Nhìn chung, các phương pháp được đề xuất để giải quyết vấn đề nối lưới để nâng cao hiệu suất hoạt động của các bô pin mặt trời công suất vừa và lớn Đối với các dự án pin mặt trời công suất nh , việc nối lưới khá tốn kém và không hiệu quả

về mặt tài chính do chi phí cho các bộ nối lưới là không hề rẻ

Để nâng cao hiệu quả hoạt động cho hệ thống cung cấp năng lượng, giải pháp

phối hợp nhiều nguồn phát điện khác nhau được ưu tiên áp dụng vì chúng có khả năng bù trừ các nhược điểm của từng nguồn riêng lẻ và nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống Năng lượng gió thường được phối hợp với các nguồn năng lượng khác với vai trò của một máy phát phân tán trên lưới điện

Các nghiên cứu [16-22] đã trình bày nhiều phương án hoạt động trong chế độ hybrid với các nguồn năng lượng khác như năng lượng gió, diesel, tế bào năng lượng Các kết quả tiêu biểu này đã chứng minh được khả năng thích ứng linh hoạt

và hoạt động hiệu quả trong nhiều điều kiện vận hành khác nhau

Trang 6

Hình 1 3 Cấu hình tiêu biểu của một hệ thống PV trong chế độ hybrid

Như được trình bày trong các nghiên cứu [16-22], chế độ hybrid thường được dùng trong các khu vực có nhu cầu phụ tải cao do chúng được cấp từ rất nhiều nguồn khác nhau cùng phối hợp hoạt động và thường được nối lưới để nâng cao hiệu quả hoạt động

Trong điều kiện kinh tế hiện nay,thì hầu như nước ta không có nhu cầu phát triển các hệ thống năng lượng mặt trời có công suất lớn Các hệ thống mặt trời công

suất vừa và nh có thể vận hành độc lập sẽ là những hệ thống năng lượng điện phù

hợp cho việc cung cấp điện cho các vùng mà lưới điện khó có thể cung cấp được

Để phục vụ nhu cầu tưới tiêu cho các hộ dân này, luận văn đề xuất biện pháp nghiên

cứu hệ thống mặt trời công suất nh và vận hành độc lập dùng trong bơm nước tưới tiêu

Các nghiên cứu của luận văn này đề xuất các phương án sử dụng tối đa công

suất từ bức xạ mặt trời với chi phí thấp Nhằm h trợ cho các vùng sâu, chi phí của

hệ thống mặt trời được đặt ra là chỉ tiêu quan trọng đánh giá hiệu quả của luận văn này

 Kiểm chứng hiệu quả giải thuật được đề xuất bằng thực nghiệm

Để hoàn thành mục tiêu nghiên cứu, cần thực hiện những nhiệm vụ nghiên

cứu sau đây:

 Hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động, thông số cần thiết pin mặt trời

 Hiểu các phương pháp điều khiển pin năng lượng mặt trời

 Nghiên cứu bộ biến đổi DC/DC

 Nghiên cứu ưu điểm, nhược điểm các phương pháp điều khiển điểm công suất cực đại của pin năng lượng mặt trời

 Nghiên cứu về các bộ điều khiển phù hợp với giải thuật được đề xuất

Đề xuất một giải pháp cung cấp điện cho bơm nước sử dụng năng lượng từ pin năng lượng mặt trời độc lập tại các khu vực vùng sâu vùng xa, biên giới và hải đảo

 Phương pháp thu thập và phân tích tài liệu liên quan đề tài: Sử dụng

nguồn tài liệu thư viện trường, luận văn nghiên cứu, tài liệu thông số có liên quan từ Internet

 Phương pháp phân loại hóa hệ thống lý thuyết: Phân loại lý thuyết

thông qua việc tìm hiểu hệ thống lý thuyết có sẵn và việc làm mô hình

thực tiễn

 Phương pháp ứng dụng từ thực tiễn: Sử dụng kết quả từ việc thực tiễn

mô hình, mô ph ng đưa ra những kết quả nghiên cứu

Trang 8

Luận văn đề xuất giải pháp tận dụng tối đa nguồn năng lượng từ pin quang điện độc lập đến với các khu vực có khó khăn về vị trí địa lý Mang lại lợi ích cho các hộ dân và giảm giá thành cung cấp điện lưới tới các khu vực này

o Ý nghĩa lý luận: Kết quả đề tài nghiên cứu làm giàu thêm nguồn cơ sở

lý luận trực quan hơn về năng lượng mặt trời

o Ý nghĩa thực tiễn: Mang lại lợi ích từ việc sử dụng điện cho các hộ khu

vực khó khăn về mặt địa lý

Nội dung luận văn được trình bày trong 5 chương với các phần chính như sau:

− Chương 1: Giới thiệu chung về luận văn Các cơ sở lý luận của luận văn

− Chương 2: Trình bày tổng quan về pin mặt trời và hệ thống điện năng lượng mặt trời

− Chương 3: Trình bày các phương trình toán học của pin mặt trời và các phương pháp điều khiển hệ thống pin mặt trời theo theo điểm công suất

cực đại Ngoài ra, trong chương 3 sẽ đề xuất phương pháp vận hành hệ thống năng lượng mặt trời mới được đề xuất trong luận văn một cách chi

Trang 9

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THU ẾT

Tổng quan nghiên cứu: Trình bày tổng quan về pin quang điện, các hệ thống điện năng lượng mặt trời và tình hình phát triển của chúng trong hiện tại và tiềm năng phát triển trong tương lai

Pin năng lượng mặt trời (pin mặt trời/pin quang điện) là thiết bị sản xuất ra điện năng từ các chất bán dẫn dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời Khi ánh sáng chiếu tới các tế bào quang điện, nó sẽ sản sinh ra điện năng Khi không có ánh sáng, các tế bào này ngừng sản xuất điện Quá trình chuyển đổi này còn được gọi là hiệu ứng quang điện

Hình 2 1 Cấu tạo pin mặt trời

Khái niệm pin quang điện (tiếng Anh là Photovoltaics) bắt nguồn từ chữ

“Phos” theo tiếng Hy Lạp có nghĩa là ánh sáng, và chữ “volt” (đặt theo tên của nhà bác học người Ý, Alessandro Volta)

Trang 10

 Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel

 Tuy nhiên cho đến 1883 một pin năng lượng mới được tạo thành, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cực m ng vàng

để tạo nên mạch nối

năng lượng mặt trời đầu tiên năm 1946

 Năm 1954 tế bào quang điện đạt hiệu suất 6% được làm từ Silíc (Phòng thí nghiệm ell ở Mỹ) và Cu2S/CdS (Không quân Mỹ)

 Năm 1963 Sharp Corp (Nhật) đã sản xuất những tấm pin mặt trời tinh thể Silíc thương mại đầu tiên

 Năm 1966 Đài quan sát thiên văn của NASA sử dụng hệ thống pin mặt trời công suất 1kW

 Năm 1973 năm quan trọng của điện mặt trời Do cuộc khủng hoảng dầu

m , các nước bắt đầu quan tâm nhều hơn tới năng lượng tái tạo Hội thảo Cherry Hill tại Mỹ đánh dấu sự ra đời quỹ nghiên cứu về điện mặt trời) Ngôi nhà đầu tiên được lắp hệ thống pin mặt trời làm từ Cu2S do trường

ĐH Delaware chế tạo

 Năm 1982 Nhà máy điện mặt trời đầu tiên có công suất 1MW được hoàn thành ở Mỹ

Trang 11

 Năm 1995 dự án thí điểm “1000 mái nhà” lắp pin mặt trời của Đức, là động lực cho việc phát triển chính sách về điện mặt trời ở Đức và ở Nhật

 Năm 1999 tổng công suất lắp đặt pin mặt trời trên thế gới đạt 1GW

 Năm 2010, tổng công suất pin mặt trời trên thế giới đạt 37,4GW (trong

đó Đức có công suất lớn nhất với 7,6GW)

Ánh sáng mặt trời bao gồm các hạt rất nh gọi là photon được t a ra từ mặt trời Khi va chạm với các nguyên tử silicon của pin năng lượng mặt trời, những hạt photon truyền năng lượng của chúng tới các electron rời rạc, kích thích làm cho electron đang liên kết với nguyên tử bị bật ra kh i nguyên tử, đồng thời ở nguyên tử xuất hiện ch trống vì thiếu electron

Tuy nhiên giải phóng các electron chỉ mới là một nửa công việc của pin năng lượng mặt trời, sau đó nó cần phải dồn các electron rải rác này vào một dòng điện Điều này liên quan đến việc tạo ra một sự mất cân bằng điện trong pin mặt trời, có tác dụng giống như xây một con dốc để các electron chảy theo cùng một hướng

Sự mất cân bằng này có thể được tạo ra bởi tổ chức bên trong của silicon Nguyên tử silicon được sắp xếp cùng nhau trong một cấu trúc ràng buộc chặt chẽ ằng cách ép một số lượng nh các nguyên tố khác vào cấu trúc này, sẽ có hai loại silicon khác nhau được tạo ra: loại n và loại p Chất bán dẫn loại n (bán dẫn âm – Negative) có tạp chất là các nguyên tố thuộc nhóm V, các nguyên tử này dùng 4 electron tạo liên kết và một electron lớp ngoài liên kết l ng lẻo với nhân, đấy chính

là các electron dẫn chính Chất bán dẫn loại p (bán dẫn dương – Positive) có tạp chất là các nguyên tố thuộc nhóm III, dẫn điện chủ yếu bằng các l trống

Khi hai loại bán dẫn này được đặt cạnh nhau trong một pin năng lượng mặt

trời, electron dẫn chính của loại n sẽ nhảy qua để lấp đầy những khoảng trống của

loại p Điều này có nghĩa là silicon loại n tích điện dương và silicon loại p được tích điện âm, tạo ra một điện trường trên pin mặt trời Vì silicon là một chất bán dẫn nên

có thể hoạt động như một chất cách điện và duy trì sự mất cân bằng này

Trang 12

Khi làm cho electron đang liên kết với nguyên tử bị bật ra kh i nguyên tử silicon, photon trong ánh sáng mặt trời đưa các electron này vào một trật tự nhất định, cung cấp dòng điện cho máy tính, vệ tinh và tất cả các thiết bị ở giữa

Pin năng lượng mặt trời đóng vai trò là một máy phát điện có nhiên liệu đầu vào là năng lượng mặt trời và đầu ra là một nguồn dòng DC Để có thể sử dụng được nguồn điện năng này thì cần phải có sự trợ giúp của các thiết bị chuyển đổi nguồn điện thích hợp nhằm cung cấp cho các thiết bị tiêu thụ nguồn điện phù hợp

với chúng Dựa vào đặt tính tải là AC hay DC sẽ có các bộ chuyển đổi điện tương ứng Các tấm pin năng lượng mặt trời kết hợp với các thiết bị chuyển đổi năng lượng và các phụ tải tiêu thụ sẽ tạo thành một hệ thống điện năng lượng mặt trời như được mô tả trong hình

Trang 13

Do có khả năng thích ứng cao với môi trường làm việc nên có nhiều cấu hình

hoạt động được đề xuất cho một hệ thống năng lượng mặt trời cụ thể Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu hình một hệ thống pin năng lượng mặt trời có thể kể đến là chế

độ vận hành nối lưới hay độc lập, có yêu cầu dự trữ năng lượng hay không, có cấp nguồn cho các thiết bị DC hay không…Một số các thành phần cơ bản của một hệ thống năng lượng mặt trời như được trình bày dưới đây

Các tấm pin có điện áp thấp tương tự điện áp phân cực thuận của một diot (vào khoảng 0.6-0.8 Vdc) nên không thể sử dụng được ngay Các tấm pin này thường được mắc chung lại với nhau theo kiểu nối tiếp hoặc song song hoặc vừa nối

tiếp vừa song song để có thể dùng được Các tấm pin sau khi ghép chung lại với nhau được gọi là một panel

Trong thực tế, các nhà sản xuất pin năng lượng mặt trời chỉ bán các panel với các công suất khác nhau cho khách hàng sử dụng cuối Dựa vào nhu cầu công suất

cụ thể mà các khách hàng mua một hay nhiều tấm panel về ghép lại với nhau thành

một bộ pin năng lượng mặt trời để dùng Hình 2.10 miêu tả một bộ pin năng lượng

mặt trời sau lắp đặt hoàn chỉnh

Tế bào quang điện là thành phần quan trọng nhất của tấm pin Một tấm pin được cấu tạo thông thường bằng nhiều tế bào quang điện ghép nối tiếp lại với nhau,

Trang 14

số tế bào quang điện phổ biến thường là 18 cells cho hệ 6V, 36 cells cho hệ 12V, 54 cells cho hệ 18V và 72 cells cho hệ 24V Các tế bào này ghép nối tiếp với nhau nên nếu 1 tế bào không đạt chất lượng hoặc h ng thì có thể h ng cả tấm pin Như vậy sự đồng đều về chất lượng các tế bào quang điện là rất quan trọng

Trong quy trình sản xuất tế bào quang điện, thông thường người ta chia chất lượng tế bào quang điện thành 24 loại khác nhau, loại A hiệu suất cao nhất và có chất lượng cao nhất lấy từ loại tế bào quang điện chất lượng từ 1 đến 8, loại từ 9 đến 16 và loại C từ 17 đến 24 Nếu chất lượng kém hơn chuẩn của loại 24 thì sẽ loại

ra và gọi là cell thải (cell loại) Vậy khi mua pin mặt trời thì Cell loại A là tốt nhất

Với cùng diện tích 1m2 tấm pin dùng cell loại A hiệu suất 17-18% có thể cho ra hơn 160-170W điện, trong khi cũng diện tích này nếu dùng Cell thải hiệu suất 10-12% thì chỉ cho ra 100-110W điện

Điện áp hoạt động của thiết bị và điện áp hoạt động của bộ pin năng lượng mặt trời là khác nhau nên để có thể phối hợp hoạt động thì chúng phải có các bộ chuyển đổi năng lượng phù hợp Nếu tải AC thì bộ chuyển đổi là bộ DC/AC, còn ngược lại,

nếu tải là tải DC thì bộ chuyển đổi sẽ là bộ chuyển đổi DC/DC

Trang 15

Hình 2 6 Bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời

Hiện nay, với yêu cầu chất lượng cao nên các bộ chuyển đổi cũng được thiết

kế ngày càng hiện đại và tích hợp thêm nhiều tính năng mới vào bên trong nó như

khả năng xác định được điểm công suất cực đại, khả năng nhận biết l i pin năng lượng mặt trời… Các tính năng này làm cho bộ chuyển đổi thêm dễ sử dụng và nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng mặt trời

Với ưu điểm là thân thiện môi trường, dễ dàng lắp đặt và vận hành, có khả năng hoạt động linh hoạt trong nhiều chế độ vận hành khác nhau, pin mặt trời đã và đang được ưu tiên phát triển Hiện nay đã có nhiều công ty Việt Nam sản xuất pin năng lượng mặt trời đi vào hoạt động, góp phần thúc đẩy phát triển nguồn năng lượng mặt trời tại nước ta cũng như xuất khẩu quốc tế Cùng với sự phát triển đó, các nguồn năng lượng mặt trời đã được đi kèm với rất nhiều bộ điều khiển thông minh, sử dụng LCD làm giao diện, các máy xả nạp ắc quy tự động Phát triển và đầu tư nguồn năng lượng mặt trời ở nhiều vùng có bức xạ mặt trời cao như Cam Ranh, Có các đầu tư vào các phòng thí nghiệm bán dẫn ĐHQG TP.HCM, phòng thí nghiệm Nano Khu công nghệ cao Có những chuyển giao công nghệ và xuất khẩu pin mặt trời sang các nước Lào và ăng La Đét

Trang 16

Hiện nay đã có rất nhiều nhà máy điện mặt trời với quy mô rất lớn trên thế

giới:

Hình 2 7 Topaz Solar Farms 550 MW, California

Công suất: 550 MW

Vị trí: San Luis Obispo County, California

Chủ sở hữu Topaz (Công ty MidAmerican Renewables) đã đầu tư khoảng 2,5

tỷ USD và bắt đầu xây dựng trại quang điện này từ năm 2011 Topaz được hoàn thành, đi vào hoạt động vào tháng 11/2014 Có khoảng hơn 400 công nhân tham gia lắp đặt gần 9 triệu tấm pin mặt trời trên diện tích gần 25 km2 Đây là loại pin quang năng Cadmium-telluride (CdTe) dạng m ng, do Công ty First Solar (Mỹ) chế tạo

Nhà máy có khả năng cung cấp năng lượng cho 160.000 căn hộ trong vùng

Dự án trị giá 2.5 tỉ USD được sở hữu bởi công ty HE Renewables Năng lượng thu được của dự án có thể giảm thiểu 377.000 tấn CO2 m i năm Nó tương đương với khí thải của 73.000 chiếc xe hơi Dự án tiêu tốn 9 triệu panel pin mặt trời, chúng được đặt nghiên 250 để tối ưu năng lượng mặt trời

Hình 2 8 Nhà máy điện mặt trời tập trung Ivanpah

Chủ đầu tư dự án là Công ty Năng lượng NRG, righSource và Google Nhà máy được khởi công xây dựng từ tháng 10/2010, đi vào vận hành từ tháng 2/2014 Ivanpah được trang bị khoảng 347.000 chiếc gương điều khiển bằng máy tính,

m i chiếc cao khoảng 2,13m và rộng khoảng 3,05m Hệ thống gương này được điều chỉnh để tập trung ánh sáng mặt trời vào 3 ngọn tháp cao gần 140m Tại đây, nhiệt năng sẽ làm nước bốc hơi và chạy tuabin phát điện Khi vận hành hết công suất, hệ thống Ivanpah sẽ cấp điện đủ cho 140.000 hộ gia đình

Với việc sản xuất điện từ nguồn năng lượng sạch, Ivanpah giảm 400.000 tấn CO2 thải ra môi trường m i năm Theo ộ Năng lượng Mỹ, việc Ivanpah đi vào vận hành thương mại là một mốc quan trọng đánh dấu sự phát triển của công nghệ điện mặt trời tập trung tại nước này

Trang 18

Công suất: 579MW

Vị trí: Kern và Los Angeles, California

Hình 2 9 Dự án Solar Star 579MW, California

Đây là nhà máy năng lượng mặt trời lớn nhất thế giới thời điểm hiện nay Với công suất 579MW, nhà máy Solar Star có khả năng phục vụ nhu cầu cho 255.000

hộ dân xung quanh Công việc xây dựng nhà máy được bắt đầu năm 2013 và hoàn thành đưa vào sử dụng tháng 6 năm 2015 Nhà máy được xây dựng trên diện tích 13

km vuông gần Rosamond, California Để có được công suất lớn như vậy, nhà máy

đã sử dụng hết 1.7 triệu module pin năng lượng mặt trời được làm từ bán dẫn đơn tinh thể

Với công nghệ pin mặt trời, Solar Star ước tính đã tiết giảm được 570,000 tấn khí thải CO2 ra môi trường m i năng, lượng khí thải này tương đương với việc vận hành 108.000 chiếc xe hơi trên các đường phố m i năm Nhà máy đã sử dụng công nghệ Oasis Power Plant được phát triển bởi Sun Power cho phép các tấm pin năng lượng mặt trời bám theo ánh sáng mặt trời trong suốt một ngày làm việc Điều này cho phép nhà máy nâng hiệu suất thu năng lượng mặt trời đạt đến 25% Công ty BHE là chủ sở hữu nhà máy điện mặt trời này và bán lượng điện năng thu được cho Southern California Edison với một hợp đồng dài hạn

Trang 19

2.3.1.4 Nh máy điện mặt trời nổi Hoài Nam

Công suất: 40MW

Vị trí: thành phố Hoài Nam thuộc trung tâm tỉnh An Huy

Nhà máy điện Mặt Trời nằm ở khu vực hồ nước lớn trên các hố khai thác than

đá lâu năm Những tấm pin Mặt Trời nổi trên mặt hồ nước có độ sâu 4-10 m

Sungrow, công ty phụ trách xây dựng, không tiết lộ kích thước chính xác của

nhà máy, nhưng cơ sở có công suất lớn gấp đôi nhà máy điện Mặt Trời lớn nhất thế

giới trước đó, cũng nằm ở Hoài Nam và do công ty Xinyi Solar xây dựng năm

2016

Các nhà máy điện Mặt Trời nổi tận dụng lợi thế của những khu vực b hoang

và nước giúp làm mát bề mặt tấm pin, làm giảm nguy cơ quá nhiệt

Trung Quốc là nơi sản xuất năng lượng Mặt Trời lớn nhất thế giới với tổng

công suất 77,42 megawatt vào cuối năm ngoái, theo ộ Năng lượng Quốc gia Năng

lượng tái tạo chiếm 11% tổng lượng điện sử dụng của Trung Quốc, có thể tăng lên

20% năm 2030