Nghiên cứu điều khiển bám điểm công suất cực đại của một hệ pin mặt trời

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Ngày, tháng, năm sinh: Nơi sinh: I- Tên đề tài: NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CỦA MỘT HỆ PIN MẶT TRỜI II- Nhiệm vụ và nội dung: - Tổng qua

Mã số ngành: 60520202

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2016

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

Mã số ngành: 60520202

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS HUỲNH CHÂU DUY

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2016

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

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

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

sửa chữa (nếu có)

PHÒNG QLKH – ĐTSĐH Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Tp.HCM, ngày tháng năm 20

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngày, tháng, năm sinh: Nơi sinh:

I- Tên đề tài:

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CỦA MỘT

HỆ PIN MẶT TRỜI

II- Nhiệm vụ và nội dung:

- Tổng quan tình hình khai thác và sử dụng năng lượng điện mặt trời tại Việt Nam

- Nghiên cứu và mô phỏng các đặc tính V-I và V-P của pin quang điện

- Nghiên cứu và phân tích các đặc tính V-I và V-P của pin quang điện

- Nghiên cứu thuật toán điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ pin quang điện

III- Ngày giao nhiệm vụ:

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ:

V- Cán bộ hướng dẫn: TS HUỲNH CHÂU DUY

CÁN BỘ HUỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu và kết quả nghiên cứu được trình bày trong Luận văn là trung thực và chưa từng được

Đầu tiên, xin chân thành cám ơn TS HUỲNH CHÂU DUY đã tận tình giúp

đỡ, đóng góp những ý kiến quý báu và hướng dẫn em thực hiện Luận văn này

Xin cám ơn quý Thầy, Cô đã trang bị cho em các kiến thức quý báu trong quá trình học tập giúp em đủ kiến thức để thực hiện Luận văn này

Xin cảm ơn tập thể lớp 14SMĐ11 đã động viên và giúp đỡ em trong quá trình thực hiện Luận văn này

Cuối cùng, xin cám ơn Trường Đại học Công nghệ TP HCM; Khoa Cơ - Điện - Điện tử; Phòng Quản lý Khoa học - Đào tạo sau Đại học và Cơ quan nơi em đang công tác đã tạo các điều kiện tốt nhất cho em thực hiện Luận văn này

Nguyễn Duy An

Tóm tắt

Luận văn tập trung các vấn đề liên quan đến “Nghiên cứu điều khiển bám điểm công suất cực đại của một hệ pin mặt trời” mà bao gồm các nội

dung như sau:

+ Chương 1: Giới thiệu chung

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

+ Chương 3: Pin quang điện

+ Chương 4: Giải thuật bám điểm công suất cực đại

+ Chương 5: Mô phỏng điều khiển bám điểm công suất cực đại của một

hệ pin mặt trời

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

+ Chapter 3: Photovoltaic cell

+ Chapter 4: Algorithms for maximum power point tracking

+ Chapter 5: Simulation results of a solar energy system with maximum power point tracking

+ Chapter 6: Conclusions and future works

MỤC LỤC

Tóm tắt i

Mục lục iii

Danh sách hình vẽ vi

Danh sách bảng x

Chương 1 - Giới thiệu chung 1

1.1 Giới thiệu 1

1.2 Tính cấp thiết của đề tài 3

1.3 Đối tượng nghiên cứu 3

1.4 Phạm vi nghiên cứu 3

1.5 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 3

1.6 Phương pháp nghiên cứu 4

1.7 Bố cục của luận văn 4

Chương 2 - Tổng quan tình hình nghiên cứu và khai thác nguồn năng lượng mặt trời 5

2.1 Cấu trúc mặt trời 5

2.2 Quỹ đạo của trái đất quanh mặt trời 7

2.3 Góc cao độ của mặt trời vào buổi trưa 8

2.4 Bức xạ mặt trời 10

2.5 Ứng dụng năng lượng mặt trời 13

2.5.1 Pin mặt trời 14

2.5.2 Nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời 15

2.5.3 Động cơ Stirling chạy bằng năng lượng mặt trời 16

2.5.4 Thiết bị đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời 17

2.5.5 Thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí dùng năng lượng mặt trời 18 2.6 Tình hình khai thác năng lượng mặt trời tại Việt Nam 19

2.7 Tổng quan tình hình nghiên cứu 23

Chương 3 - Pin quang điện 26

3.1 Giới thiệu 26

3.2 Sơ đồ thay thế đơn giản của PV 28

3.3 Sơ đồ thay thế của PV có xét đến các tổn hao 29

3.4 Module PV 30

3.5 Mảng PV 32

3.5.1 Nối nối tiếp nhiều module PV 32

3.5.2 Nối song song nhiều module PV 32

3.5.3 Nối hỗn hợp nhiều module PV 33

3.6 Các ảnh hưởng đến PV 33

3.6.1 Ảnh hưởng của cường độ chiếu sáng 33

3.6.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ 34

3.6.3 Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm 35

3.7 Các hệ thống PV ứng dụng 39

3.7.1 Hệ thống PV kết nối lưới 39

3.7.2 Hệ thống PV độc lập 40

3.7.3 Hệ thống PV kết hợp 40

Chương 4 - Giải thuật bám điểm công suất cực đại 45

4.1 Giới thiệu 45

4.2 Giải thuật P&O (Perturbation & Observation) 46

4.3 Giải thuật điện dẫn gia tăng InC (Incremental Conductance) 50

4.4 Giải thuật điện áp hằng số 52

4.5 Đề xuất giải thuật bám điểm công suất cực đại, P&O cải tiến và sự khác biệt so với thuật toán P&O 54

4.6 Phương pháp điều khiển MPPT 57

4.6.1 Phương pháp điều khiển PI 57

4.6.2 Phương pháp điều khiển trực tiếp 58

4.6.3 Phương pháp điều khiển đo trực tiếp tín hiệu ra 61 Chương 5 - Mô phỏng điều khiển bám điểm công suất cực đại của một

hệ pin mặt trời 62 5.1 Giới thiệu 62 5.2 Mô phỏng các đặc tính của PV 64 5.3 Mô phỏng và các kết quả của trường hợp bức xạ mặt trời thay đổi chậm 67 5.4 Mô phỏng và các kết quả của trường hợp bức xạ mặt trời thay đổi nhanh 70 5.5 Mô phỏng và các kết quả của trường hợp bức xạ mặt trời thay đổi (tăng và giảm) 73 Chương 6 - Kết luận và hướng phát triển tương lai 76 Tài liệu tham khảo 78

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 2.1 Cấu trúc của mặt trời

Hình 2.2 Quỹ đạo trái đất quay quanh mặt trời

Hình 2.3 Một cách nhìn quỹ đạo trái đất để dễ tính góc 

Hình 2.9 Nhà máy điện mặt trời

Hình 2.10 Tháp năng lượng mặt trời

Hình 2.11 Động cơ Stirling dùng năng lượng mặt trời

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

Hình 2.13 Tủ lạnh dùng pin mặt trời

Hình 2.14 Hệ thống lạnh hấp thụ dùng năng lượng mặt trời

Hình 2.15 Hệ thống máy lạnh năng lượng mặt trời

Hình 3.1 Phổ năng lượng mặt trời

Hình 3.2 Nguyên tắc chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện của PV

Hình 3.3 Mô hình đơn giản của PV

Hình 3.4 Sơ đồ thay thế đơn giản của PV

Hình 3.5 Các tham số quan trọng của PV: dòng điện ngắn mạch, Isc và điện áp

Hình 3.11 Các module PV được kết hợp song song với nhau

Hình 3.12 Các module PV được kết hợp hỗn hợp với nhau

Hình 3.13 Đặc tuyến V-I của PV với các cường độ chiếu sáng khác nhau và nhiệt độ PV không đổi, 250C

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

Hình 3.15 Module PV với n PV trong trường hợp module không bị che khuất Hình 3.16 Module PV với n PV trong trường hợp module bị che khuất một phần

Hình 3.17 Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm đối với module PV

Hình 3.18 Module PV với nhiều PV bị che khuất

Hình 3.19 Module PV sử dụng diode bypass

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

Hình 3.21 Đánh giá so sánh giữa các trường hợp có và không có diode bypass Hình 3.22 Hệ thống PV kết nối lưới

Hình 3.23 Hệ thống PV độc lập

Hình 3.24 Hệ thống PV kết hợp

Hình 3.25 Sơ đồ hệ thống điện gia đình

Hình 4.1 Quan hệ điện áp và dòng điện của PV

Hình 4.2 Giải thuật P&O khi tìm điểm làm việc có công suất lớn nhất

Hình 4.3 Lưu đồ giải thuật P&O

Hình 4.4 Sự thay đổi điểm MPP theo gia tăng bức xạ

Hình 4.5 Giải thuật InC

Hình 4.6 Lưu đồ giải thuật InC

Hình 4.7 Lưu đồ giải thuật điện áp không đổi

Hình 4.8 Đặc tính V-I của PV tương ứng với các cường độ bức xạ khác nhau

là các dòng điện ngắn mạch khác nhau

Hình 4.9 Lưu đồ giải thuật P&O cải tiến

Hình 4.10 Sơ đồ khối phương pháp điều khiển MPPT sử dụng bộ bù PI

Hình 4.11 Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển trực tiếp MPPT

Hình 4.12 Mối quan hệ giữa tổng trở vào Rin và hệ số làm việc D

Hình 5.1 Pin quang điện RS - P618 - 22

Hình 5.2 Sơ đồ mô phỏng điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ thống pin quang điện

Hình 5.3 Đặc tính V-I của pin quang điện RS - P618 - 22

Hình 5.4 Đặc tính V-P của pin quang điện RS - P618 - 22

Hình 5.5 Đặc tính V-I của pin quang điện RS - P618 - 22 trong trường hợp

nhiệt độ không đổi (t = 250C) và bức xạ mặt trời thay đổi (G = 1kW/m2  5kW/m2)

Hình 5.6 Đặc tính V-P của pin quang điện RS - P618 - 22 trong trường hợp

nhiệt độ không đổi (t = 250C) và bức xạ mặt trời thay đổi (G = 1kW/m2  5kW/m2)

Hình 5.7 Đặc tính V-I của pin quang điện RS - P618 - 22 trong trường hợp

nhiệt độ thay đổi (t = 250C  1000C) và bức xạ mặt trời không đổi (G = 1

kW/m2)

Hình 5.8 Đặc tính V-P của pin quang điện RS - P618 - 22 trong trường hợp

nhiệt độ thay đổi (t = 250C  1000C) và bức xạ mặt trời không đổi (G = 1

Hình 5.12 So sánh công suất ngõ ra đạt được trong trường hợp sử dụng thuật toán P&O và thuật toán P&O cải tiến tương ứng với sự thay đổi chậm của bức

xạ mặt trời

Hình 5.13 Mô phỏng sự thay đổi nhanh của bức xạ mặt trời của pin quang điện

RS - P618 - 22

Hình 5.14 Công suất ngõ ra đạt được trong trường hợp sử dụng và không sử dụng thuật toán P&O tương ứng với sự thay đổi nhanh của bức xạ mặt trời Hình 5.15 Công suất ngõ ra đạt được trong trường hợp sử dụng và không sử dụng thuật toán P&O cải tiến tương ứng với sự thay đổi nhanh của bức xạ mặt trời

Hình 5.16 So sánh công suất ngõ ra đạt được trong trường hợp sử dụng thuật toán P&O và thuật toán P&O cải tiến tương ứng với sự thay đổi nhanh của bức

Hình 5.20 So sánh công suất ngõ ra đạt được trong trường hợp sử dụng thuật toán P&O và thuật toán P&O cải tiến tương ứng với sự tăng và giảm của bức

xạ mặt trời

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 2.1 Bảng ngày số n của ngày đầu tiên của mỗi tháng

Bảng 2.2 Bảng thống kê góc  của ngày 21 mỗi tháng

Bảng 2.3 Tiềm năng năng lượng mặt trời tại Việt Nam

Bảng 3.1 Bảng phân loại tuần hoàn trích lược với tinh thể Silicon thuộc nhóm

IV

Bảng 4.1 Bảng tóm tắt giải thuật P&O

Mặt trời là một khối cầu lửa khổng lồ, tại đó những phản ứng nhiệt hạch xảy ra liên tục và phát ra nguồn năng lượng dường như vô tận Những phản ứng nhiệt hạch trên mặt trời đã và đang diễn ra hàng triệu triệu năm mà chưa ai dự đoán được thời điểm kết thúc của nó Quả cầu lửa mặt trời khổng lồ này mới chỉ truyền một phần năng lượng nhỏ bé của nó xuống trái đất với khoảng cách hàng triệu km Năng lượng mặt trời đã mang lại sự sống cho trái đất và cũng có thể thiêu trụi cả trái đất nếu trái đất không có tầng ô zôn và khí quyển bảo vệ

Có thể nhận thấy rằng, năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng sạch không giống như bất kỳ một nguồn năng lượng nào khác mà chúng ta đang khai thác trên trái đất Chẳng hạn như thủy điện có thể gây đột biến dòng chảy của sông và làm mất cân bằng sinh thái ở khu vực hạ lưu dòng sông đó; nhiệt điện gây bụi và ô nhiễm môi trường bằng khí COx và NOx; còn điện hạt nhân có khả năng gây nhiều nguy cơ kinh khủng hơn nữa Nếu có thể tận dụng được nguồn năng lượng mặt trời để phục vụ đời sống và phát triển đất nước là một công việc rất có ích và có thể bảo vệ được môi trường sinh thái [1]

Một trong các ứng dụng chính ở tầm vĩ mô của nguồn năng lượng mặt trời là bài toán sản xuất năng lượng điện thông qua hệ thống pin quang điện (Photovoltaic cell, PV) Các ứng dụng này có thể độc lập trong các hộ gia đình, phục vụ chiếu sáng công cộng, phương tiện di chuyển, quân sự và các ứng dụng không gian hoặc là một hệ thống điện năng lượng mặt trời sử dụng PV được kết nối với lưới điện quốc gia Trong các hệ thống PV này đang tồn tại hai vấn đề lớn:

- Hiệu suất chuyển đổi của năng lượng mặt trời thành năng lượng điện là rất thấp (9 ÷ 17%), đặc biệt là trong các điều kiện bức xạ thấp;

- Năng lượng điện được tạo ra bởi PV thay đổi liên tục dưới các điều kiện thời tiết khác nhau

Mặt khác, đặc tính V–I của PV là phi tuyến và cũng sẽ thay đổi dưới các điều kiện nhiệt độ và bức xạ khác nhau Trên các đặc tuyến V–I hoặc V–P, tồn tại một điểm làm việc duy nhất mà được gọi là điểm công suất cực đại (Maximum power point, MPP) Vị trí của các MPP là không xác định trước được, nhưng có thể xác định được thông qua các mô hình tính toán hoặc các thuật toán tìm kiếm trong quá trình vận hành Khi các MPP đã được xác định, các kỹ thuật bám MPP sẽ được sử dụng để duy trì điểm làm việc của các PV luôn luôn là tại MPP

Bên cạnh đó, việc kết nối lưới hệ thống điện năng lượng mặt trời cũng là một trong các giải pháp được xem xét cho bài toán lưu trữ năng lượng điện mặt trời mà đang phải gánh chịu các chỉ trích mạnh mẽ liên quan đến ô nhiễm môi trường khi con người sử dụng các phương án lưu trữ thông qua ắc-quy

Với các phân tích trên cho thấy rằng hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện của hệ PV là hoàn toàn có thể được tối ưu, nhằm nâng cao hiệu quả khai thác Điều này cũng có nghĩa là sẽ giảm bớt gánh nặng cho các nguồn năng lượng điện truyền thống như thủy điện hay nhiệt điện

Ngoài ra, việc lưu trữ nguồn năng lượng điện từ các nguồn năng lượng tái tạo, cụ thể là năng lượng mặt trời cũng là một bài toán khó Giải pháp kết nối hệ thống điện năng lượng mặt trời với lưới điện quốc gia là một trong các giải pháp được đánh giá hiệu quả cao

Chính vì các lý do trên, đề tài “Nghiên cứu điều khiển bám điểm công suất cực đại của một hệ pin mặt trời” được lựa chọn và thực hiện trong luận

văn này

1.2 Tính cấp thiết của đề tài

Nguồn điện đang gánh chịu các áp lực nặng nề của sự cạn kiệt các nguồn nhiên liệu sơ cấp truyền thống (nước, nhiên liệu hóa thạch, ) Để giảm bớt các gánh nặng này, cũng như nâng cao hiệu quả khai thác của các nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời, đề tài nghiên cứu điều khiển bám điểm công suất cực đại và kết nối lưới của một hệ thống điện năng lượng mặt trời là thật sự cần thiết để được nghiên cứu và triển khai

1.3 Đối tượng nghiên cứu

Các nghiên cứu sẽ được thực hiện trên mô hình hệ thống điện năng lượng mặt trời bao gồm:

- Hệ thống pin quang điện, PV

- Bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại

1.4 Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu của đề tài là:

- Khảo sát tình hình khai thác và sử dụng năng lượng điện mặt trời ở Việt Nam

- Tổng quan các kết quả nghiên cứu đã đạt được liên quan đến đề tài

- Nghiên cứu lý thuyết pin quang điện (PV)

- Nghiên cứu các thuật toán bám điểm công suất cực đại cho PV dưới các điều kiện bức xạ và nhiệt độ khác nhau sao cho có thể tối ưu hóa năng lượng thu được

1.5 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

Đề tài “Nghiên cứu điều khiển bám điểm công suất cực đại của một

hệ pin mặt trời” sẽ được thực hiện với các mục tiêu và nội dung như sau:

- Khảo sát tình hình khai thác và sử dụng năng lượng điện mặt trời ở Việt Nam

- Nghiên cứu các đặc tính của PV

- Nghiên cứu và xây dựng một hệ thống điện sử dụng năng lượng mặt trời thông qua PV

- Nghiên cứu điều khiển bám điểm công suất cực đại của một hệ thống điện năng lượng mặt trời thông qua PV

1.6 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu các tài liệu về điều khiển bám điểm công suất cực đại của một hệ thống điện năng lượng mặt trời sử dụng PV

- Phân tích, tổng hợp và đề xuất thuật toán điều khiển bám điểm công suất cực đại của một hệ thống điện năng lượng mặt trời sử dụng PV

1.7 Bố cục của luận văn

Bố cục của luận văn gồm 6 chương:

+ Chương 1: Giới thiệu chung

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

+ Chương 3: Pin quang điện

+ Chương 4: Giải thuật bám điểm công suất cực đại

+ Chương 5: Mô phỏng điều khiển bám điểm công suất cực đại của một

hệ pin mặt trời

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

Chương 2

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

2.1 Cấu trúc mặt trời

Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1,390106 km (lớn hơn

110 lần đường kính Trái đất), cách xa trái đất 150106 km (bằng một đơn vị thiên văn AU ánh sáng Mặt trời cần khoảng 8 phút để vượt qua khoảng này đến Trái đất)

Khối lượng Mặt trời khoảng M0 =21030 kg Nhiệt độ T0 trung tâm mặt trời thay đổi trong khoảng từ 10106 0K đến 20106 0K, trung bình khoảng 15,6106 0K Ở nhiệt độ này, vật chất không thể giữ được cấu trúc trật tự thông thường gồm các nguyên tử và phân tử Nó trở thành plasma, trong đó các hạt nhân của nguyên tử chuyển động tách biệt với các electron Khi các hạt nhân tự

do có va chạm với nhau sẽ xuất hiện những vụ nổ nhiệt hạch Khi quan sát tính chất của vật chất nguội hơn trên bề mặt nhìn thấy được của Mặt trời, các nhà khoa học đã kết luận rằng có phản ứng nhiệt hạch xảy ra ở trong lòng Mặt trời [2]

Hình 2.1 Cấu trúc của mặt trời

Về cấu trúc, Mặt trời có thể chia làm 4 vùng, tất cả hợp thành một khối cầu khí khổng lồ, hình 2.1 Vùng giữa gọi là nhân hay “lõi” có những chuyển động đối lưu, nơi xảy ra những phản ứng nhiệt hạt nhân tạo nên nguồn năng lượng mặt trời, vùng này có bán kính khoảng 175.000 km, khối lượng riêng

160 kg/dm3, nhiệt độ ước tính từ 14 đến 20 triệu độ, áp suất vào khoảng hàng trăm tỷ atmotphe

Vùng kế tiếp là vùng trung gian còn gọi là vùng “đổi ngược” qua đó năng lượng truyền từ trong ra ngoài, vật chất ở vùng này gồm có sắt (Fe), canxi (Ca), natri (Na), stronti (Sr), crôm (Cr), niken (Ni), cacbon ( C), silic (Si) và các khí như hiđrô (H2), hêli (He), chiều dày vùng này khoảng 400.000 km Tiếp theo là vùng “đối lưu” dày 125.000 km và vùng “quang cầu” có nhiệt độ khoảng 6.000 0K, dày 1.000 km, ở vùng này gồm các bọt khí sôi sục, có chỗ tạo ra các vết đen, là các hố xoáy có nhiệt độ thấp khoảng 4.500 0K và các tai lửa có nhiệt độ từ 7.000 0K -10.000 0K

Vùng ngoài cùng là vùng bất định và gọi là “khí quyển” của Mặt trời Nhiệt độ bề mặt của Mặt trời là 5.762 0K nghĩa là có giá trị đủ lớn để các nguyên tử tồn tại trong trạng thái kích thích, đồng thời đủ nhỏ để ở đây thỉnh thoảng lại xuất hiện những nguyên tử bình thường và các cấu trúc phân tử Dựa trên cơ sở phân tích các phổ bức xạ và hấp thụ của Mặt trời người ta xác định được rằng trên mặt trời có ít nhất 2/3 số nguyên tố tìm thấy trên Trái đất Nguyên tố phổ biến nhất trên Mặt trời là nguyên tố nhẹ nhất Hydrogen Vật chất của Mặt trời bao gồm khoảng 73,46% là Hydrogen và gần 24,85% là Hêlium, còn lại là các nguyên tố và các chất khác như Oxygen 0,77%; Carbon 0,29%; Iron 0,16%; Neon 0,12%; Nitrogen 0,09%; Silicon 0,07%; Magnesium 0,05% và Sulphur 0,04%

Nguồn năng lượng bức xạ chủ yếu của Mặt trời là do phản ứng nhiệt hạch tổng hợp hạt nhân Hyđrô, phản ứng này đưa đến sự tạo thành Hêli Hạt nhân của Hyđrô có một hạt mang điện dương là proton Thông thường, những hạt mang điện cùng dấu đẩy nhau, nhưng ở nhiệt độ đủ cao chuyển động của chúng sẽ nhanh tới mức chúng có thể tiến gần tới nhau ở một khoảng cách mà

ở đó có thể kết hợp với nhau dưới tác dụng của các lực hút Khi đó, cứ 4 hạt nhân Hyđrô lại tạo ra một hạt nhân Hêli, 2 Neutrino và một lượng bức xạ 4H

Trong quá trình diễn biến của phản ứng có một lượng vật chất của Mặt trời bị mất đi Khối lượng của Mặt trời do đó mỗi giây giảm chừng 4.106 tấn, tuy nhiên theo các nhà nghiên cứu, trạng thái của Mặt trời vẫn không thay đổi trong thời gian hàng tỷ năm nữa Mỗi ngày Mặt trời sản xuất một nguồn năng lượng qua phản ứng nhiệt hạch lên đến 9.1024 kWh (tức là chưa đầy một phần triệu giây Mặt trời đã giải phóng ra một lượng năng lượng tương đương với tổng số điện năng sản xuất trong một năm trên Trái đất)

2.2 Quỹ đạo của trái đất quanh mặt trời [2]

Trái đất quay quanh mặt trời theo quỹ đạo hình elip, một vòng của trái đất quay quanh mặt trời là 365,25 ngày Điểm mà tại đó trái đất gần mặt trời nhất gọi là điểm cận nhật, xảy ra vào ngày 2 tháng 1 lúc này nó cách mặt trời khoảng 147 triệu km Điểm mà tại đó trái đất xa mặt trời nhất xảy ra vào ngày

3 tháng 7, lúc đó nó cách mặt trời khoảng 152 triệu km

Bảng 2.1 Bảng ngày số n của ngày đầu tiên của mỗi tháng

một

Mười hai

2.3 Góc cao độ của mặt trời vào buổi trưa [2]

Như đã biết, mặt trời mọc ở hướng đông và lặn ở hướng tây và đạt điểm cao nhất của nó vào thời gian giữa trong ngày Trong hình 2.2, trái đất quay quanh mặt trời và khó có thể xác định góc của mặt trời so với mặt phẳng trái đất

Hình 2.2 Quỹ đạo trái đất quay quanh mặt trời

Một quan điểm khác để thuận tiện cho việc xác định, trong hình 2.3 trái đất là cố định và quay quanh trục Bắc-Nam Mặt trời nằm ở một số nơi trong không gian từ từ di chuyển lên xuống như tiến độ mùa Vào ngày 21 tháng 6 (hạ chí) mặt trời đạt đến điểm cao nhất của nó và một tia kẻ từ trung tâm của trái đất đến trung tâm của mặt trời tạo thành với mặt phẳng xích đạo một góc bằng 23,450 Góc này thay đổi khi trái đất di chuyển và được gọi là góc thiên

độ, ký hiệu là δ Nó nằm trong khoảng từ -23,450 đến 23,450

Một cách tính xấp xỉ gần đúng cho rằng một năm có 365 ngày và đặt xuân phân vào ngày n = 81 Khi ấy, góc δ sẽ được tính:

Hình 2.3 Một cách nhìn quỹ đạo trái đất để dễ tính góc δ

Từ công thức (2.3) ta có thể tính được góc δ:

Bảng 2.2 Bảng thống kê góc δ của ngày 21 mỗi tháng

một

Mười hai

Hình 2.3 không thể hiện được quỹ đạo quay của trái đất quanh mặt trời, nhưng nó lại thích hợp cho việc hiển thị các vĩ độ khác nhau và góc để tính toán thu nhận năng lượng mặt trời, cụ thể đó là góc cao độ βN của mặt trời vào buổi trưa Góc cao độ là góc giữa tia sáng mặt trời và đường chân trời

Hình 2.4 Góc cao độ mặt trời Góc cao độ của mặt trời vào buổi trưa là một thông số quan trọng để tham chiếu với việc tính toán về năng lượng mặt trời

do sự va chạm hoặc tán xạ mà năng lượng của chúng giảm đi và bây giờ chúng ứng với bức xạ có bước sóng dài Như vậy, bức xạ chuyển thành bức xạ Rơngen có bước sóng dài hơn Gần đến bề mặt mặt trời nơi có nhiệt độ đủ thấp

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

Đặc trưng của bức xạ mặt trời truyền trong không gian bên ngoài mặt trời là một phổ rộng trong đó cực đại của cường độ bức xạ nằm trong dải 10-1-10µm và hầu như một nửa tổng năng lượng mặt trời tập trung trong khoảng bước sóng 0,38 - 0,78 μm đó là vùng nhìn thấy của phổ

Hình 2.5 Dải bức xạ điện từ

Chùm tia truyền thẳng từ Mặt trời gọi là bức xạ trực xạ Tổng hợp các tia trực xạ và tán xạ gọi là tổng xạ Mật độ dòng bức xạ trực xạ ở ngoài lớp khí quyển, tính đối với với 1m2 bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ, được tính theo:

4 0

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

T=5762 0K: nhiệt độ bề mặt mặt (xem giống như vật đen tuyệt đối)

Hình 2.6 Góc nhìn mặt trời Như vậy:

2 4

2

/ 1353 100

5762 67 5 4

Do khoảng cách giữa Trái đất và Mặt trời thay đổi theo mùa trong năm nên β cũng thay đổi, do đó q cũng thay đổi nhưng độ thay đổi này không lớn lắm nên có thể xem q là không đổi và được gọi là hằng số mặt trời

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

xạ bị hấp thụ và tán xạ bởi tầng ôzôn, hơi nước và bụi trong khí quyển, chỉ một phần năng lượng được truyền trực tiếp tới Trái đất Đầu tiên ôxy phân tử bình thường O2phân ly thành ôxy nguyên tử O2 để phá vỡ liên kết phân tử đó, cần phải có các photon bước sóng ngắn hơn 0,18μm, do đó các photon (xem bức xạ như các hạt rời rạc - photon) có năng lượng như vậy bị hấp thụ hoàn toàn Chỉ một phần các nguyên tử ôxy kết hợp thành các phân tử, còn đại đa số các nguyên tử tương tác với các phân tử ôxy khác để tạo thành phân tử ôzôn O3, ôzôn cũng hấp thụ bức xạ tử ngoại nhưng với mức độ thấp hơn so với ôxy, dưới tác dụng của các photon với bước sóng ngắn hơn 0,32μm, sự phân tách O3

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

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

từ các phần khác nhau của khí quyển bức xạ tán xạ đi đến chúng ta mang theo màu xanh lam của bầu trời trong sáng và có thể quan sát được ở những độ cao không lớn Các giọt nước cũng tán xạ rất mạnh bức xạ mặt trời Bức xạ mặt trời khi đi qua khí quyển còn gặp một trở ngại đáng kể nữa đó là do sự hấp thụ của các phần tử hơi nước, khí cácbônic và các hợp chất khác, mức độ của sự hấp thụ này phụ thuộc vào bước sóng, mạnh nhất ở khoảng giữa vùng hồng ngoại của phổ Phần năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới bề mặt trái đất trong những ngày quang đãng (không có mây) ở thời điểm cao nhất vào khoảng 1000W/m2, hình 2.7

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

trái đất Yếu tố cơ bản xác định cường độ của bức xạ mặt trời ở một điểm nào đó trên Trái đất là quãng đường nó đi qua Sự mất mát năng lượng trên quãng đường đó gắn liền với sự tán xạ, hấp thụ bức xạ và phụ thuộc vào thời gian trong ngày, mùa, vị trí địa lý Các mùa hình thành là do sự nghiêng của trục trái đất đối với mặt phẳng quỹ đạo của nó quanh Mặt trời gây ra Góc nghiêng vào khoảng 66,50và thực tế xem như không đổi trong không gian Sự định hướng như vậy của trục quay trái đất trong chuyển động của nó đối với Mặt trời gây ra

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

2.5 Ứng dụng năng lượng mặt trời [1]

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

trong việc nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời Các ứng dụng năng lượng mặt trời phổ biến hiện nay bao gồm 2 lĩnh vực chủ yếu:

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

Lĩnh vực thứ hai đó là sử dụng năng lượng mặt trời dưới dạng nhiệt năng, ở đây, chúng ta dùng các thiết bị thu bức xạ nhiệt mặt trời và tích trữ nó dưới dạng nhiệt năng để dùng vào các mục đích khác nhau

Việt Nam là nước có tiềm năng về NLMT, trải dài từ vĩ độ 80 Bắc đến

230 Bắc, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao, với trị

số tổng xạ khá lớn từ 100-175 kcal/cm2.năm Do đó, việc sử dụng NLMT ở nước ta sẽ đem lại hiệu quả kinh tế lớn Thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời ở Việt Nam hiện nay chủ yếu là hệ thống cung cấp điện dùng pin mặt trời, hệ thống nấu cơm có gương phản xạ, hệ thống cung cấp nước nóng, chưng cất nước dùng NLMT, dùng NLMT chạy các động cơ nhiệt (động cơ Stirling), và ứng dụng NLMT để làm lạnh là đề tài hấp dẫn có tính thời sự đã và đang được nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước nghiên cứu

2.5.1 Pin mặt trời

Hình 2.8 Hệ thống pin mặt trời

Pin mặt trời là phương pháp sản xuất điện trực tiếp từ NLMT qua thiết

bị biến đổi quang điện Pin mặt trời có ưu điểm là gọn nhẹ có thể lắp bất kỳ ở đâu có ánh sáng mặt trời, đặc biệt là trong lĩnh vực tàu vũ trụ ứng dụng NLMT dưới dạng này được phát triển với tốc độ rất nhanh, nhất là ở các nứớc phát triển

Ngày nay con người đã ứng dụng pin NLMT để chạy xe thay thế dần nguồn năng lượng truyền thống.Tuy nhiên giá thành thiết bị pin mặt trời còn khá cao, trung bình hiện nay khoảng 5USD/WP, nên ở những nước đang phát triển pin mặt trời hiện mới chỉ có khả năng duy nhất là cung cấp năng lượng điện sử dụng cho các vùng sâu, xa nơi mà đường điện quốc gia chưa có.Ở Việt Nam, với sự hỗ trợ của một số tổ chức quốc tế đã thực hiện thành công việc xây dựng các trạm pin mặt trời có công suất khác nhau phục vụ nhu cầu sinh hoạt và văn hoá của các địa phương vùng sâu, vùng xa, nhất là đồng bằng sông Cửu Long và Tây Nguyên Tuy nhiên hiện nay pin mặt trời vẫn đang còn là món hàng xa xỉ đối với các nước nghèo như chúng ta

2.5.2 Nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời

Hình 2.9 Nhà máy điện mặt trời

Điện năng còn có thể tạo ra từ NLMT dựa trên nguyên tắc tạo nhiệt độ cao bằng một hệ thống gương phản chiếu và hội tụ để gia nhiệt cho môi chất làm việc truyền động cho máy phát điện.Hiện nay trong các nhà máy nhiệt điện

sử dụng NLMT có các loại hệ thống bộ thu chủ yếu sau đây:Hệ thống dùng parabol trụ để tập trung tia bức xạ mặt trời vào một ống môi chất đặt dọc theo đường hội tụ của bộ thu, nhiệt độ có thể đạt tới 4000C Hệ thống nhận nhiệt trung tâm bằng cách sử dụng các gương phản xạ có định vị theo phương mặt trời để tập trung NLMT đến bộ thu đặt trên đỉnh tháp cao, nhiệt độ có thể đạt tới trên 15000C.Hệ thống sử dụng gương parabol tròn xoay định vị theo phương mặt trời để tập trung NLMT vào một bộ thu đặt ở tiêu điểm của gương, nhiệt độ có thể đạt trên 15000C

Hình 2.10 Tháp năng lượng mặt trời

2.5.3 Động cơ Stirling chạy bằng năng lượng mặt trời

Hình 2.11 Động cơ Stirling dùng năng lượng mặt trời

Ứng dụng NLMT để chạy các động cơ nhiệt - động cơ Stirling ngày càng được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi dùng để bơm nước sinh hoạt hay tưới cây ở các nông trại Ở Việt Nam động cơ Stirling chạy bằng NLMT cũng

đã được nghiên cứu chế tạo để triển khai ứng dụng vào thực tế Như động cơ Stirling, bơm nước dùng năng lượng mặt trời

2.5.4 Thiết bị đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời

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 Hà Nội, TP HCM và Đà Nẵng Các hệ thống này đã tiết kiệm cho người sử dụng một lượng đáng kể về năng lượng, góp phần rất lớn trong việc thực hiện chương trình 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 2.12 Hệ thống cung cấp nước nóng dùng năng lượng mặt trời

2.5.5 Thiết bị làm lạnh và điều hoà không khí dùng năng lượng mặt trời

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 vì 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 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 thuơng 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 2.13 Tủ lạnh dùng pin mặt trời

Hình 2.14 Hệ thống lạnh hấp thụ dùng năng lượng mặt trời

Hình 2.15 Hệ thống máy lạnh năng lượng mặt trời

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

Lãnh thổ Việt Nam kéo dài từ 8–230 vĩ Bắc, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao với trị số tổng xạ khá lớn từ 100–175

kcal/cm2.năm Do đó, việc sử dụng năng lượng mặt trời ở nước ta sẽ đem lại hiệu quả kinh tế lớn Giải pháp sử dụng năng lượng mặt trời hiện đang được cho là giải pháp tối ưu Đây là nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường và có trữ lượng vô cùng lớn Đồng thời, việc phát triển ngành công nghiệp sản xuất PV sẽ góp phần thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch, giảm phát khí thải nhà kính và bảo vệ môi trường Đây được coi là nguồn năng lượng quý giá, có thể thay thế các dạng năng lượng cũ đang ngày càng cạn kiệt Các quốc gia trên thế giới đã sử dụng năng lượng mặt trời như một giải pháp thay thế những nguồn tài nguyên truyền thống Tuy nhiên, Việt Nam mới chỉ khai thác khoảng 25% nguồn năng lượng tái tạo này Do lãnh thổ của Việt Nam trải dài nên tiềm năng về năng lượng mặt trời ở mỗi vùng cũng khác nhau, có thể chia ra thành 5 vùng với tiềm năng tại mỗi vùng như sau:

Bảng 2.3 Tiềm năng năng lượng mặt trời tại Việt Nam

Năng lượng mặt trời trung bình (kcal/cm 2 năm)

Số giờ nắng trung bình năm (giờ/năm)

Cùng với sự hỗ trợ của nhà nước (các Bộ, Ngành) và các tổ chức quốc

tế, một số tỉnh thành của Việt Nam đã thực hiện thành công việc xây dựng các

trạm PV với công suất khác nhau phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt và văn hóa của các địa phương vùng sâu, vùng xa và các công trình nằm trong khu vực không

có lưới điện

Đi đầu trong việc phát triển ứng dụng này là ngành bưu chính viễn thông Các trạm PV phát điện được sử dụng làm nguồn cung cấp điện cho các thiết bị thu phát sóng của các bưu điện lớn, trạm thu phát truyền hình thông qua

vệ tinh Trong ngành bảo đảm hàng hải, các trạm PV phát điện được sử dụng làm nguồn cấp điện cho các thiết bị chiếu sáng, cột hải đăng và đèn báo sông Trong ngành công nghiệp, các trạm PV phát điện được sử dụng làm nguồn cấp điện dự phòng cho các thiết bị điều khiển trạm biến áp 500 kV, thiết bị máy tính và sử dụng làm nguồn cấp điện nối với điện lưới quốc gia Trong sinh hoạt của các hộ gia đình vùng sâu, vùng xa, các trạm PV phát điện được sử dụng để thắp sáng, nghe radio, xem truyền hình Trong ngành giao thông đường bộ, các trạm PV phát điện từng bước được sử dụng làm nguồn cấp điện cho các cột đèn đường chiếu sáng

Tại khu vực phía Nam, việc ứng dụng của các dàn PV phục vụ cho thắp sáng và sinh hoạt văn hóa tại một số vùng nông thôn xa lưới điện Các trạm điện mặt trời này có công suất từ 500–1000 Wp và được lắp đặt ở trung tâm xã Năng lượng điện sẽ được nạp vào ắc qui và phục vụ cho các hộ gia đình sử dụng Các dàn PV có công suất từ 250–500 Wp thông thường được sử dụng để phục vụ cho thắp sáng tại các bệnh viện, trạm xá và các cụm văn hoá xã Đến nay có khoảng 800–1000 dàn PV đã được lắp đặt và sử dụng cho các hộ gia đình với công suất mỗi dàn từ 22,5–70 Wp

Tại khu vực miền Trung, bức xạ mặt trời khá tốt và số giờ nắng cao, với điều kiện thực tế này, việc ứng dụng PV là rất thích hợp Hiện tại, khu vực miền Trung có hai dự án lai ghép với PV có công suất lớn nhất Việt Nam, đó là:

- Dự án phát điện ghép giữa PV và thủy điện nhỏ với công suất 125 kW

mà được lắp đặt tại xã Trang, huyện Mang Yang, tỉnh Gia Lai Trong

đó, công suất của hệ thống PV là 100 kWp và công suất của hệ thống thuỷ điện là 25 kW Dự án được đưa vào vận hành từ cuối năm 1999 và

cung cấp điện cho 5 làng Hệ thống điện do Điện lực Mang Yang quản

lý và vận hành

- Dự án phát điện lai ghép giữa PV và phát điện gió với công suất là 9

kW Trong đó, công suất của hệ thống PV là 7 kWp Dự án này được thực hiện bởi Viện Năng lượng và được lắp đặt tại làng Kongu 2, huyện Đak Hà, tỉnh Kon Tum Công trình đã được đưa vào sử dụng từ tháng 11/2000, cung cấp điện cho một bản người dân tộc thiểu số với 42 hộ gia đình Hệ thống điện được Sở Công thương tỉnh quản lý và vận hành

- Ngoài ra, các dàn PV cũng đã được lắp đặt tại các tỉnh Gia Lai, Quảng Nam, Bình Định, Quảng Ngãi và Khánh Hòa với công suất mỗi hộ gia đình từ 40–50 Wp Các dàn PV đã được lắp đặt tại các trung tâm cụm xã

và các trạm y tế xã với công suất từ 200–800 Wp

Tại khu vực miền Bắc, việc ứng dụng của các dàn PV đang phát triển với tốc độ khá nhanh mà phục vụ cho các hộ gia đình ở các vùng núi cao, hải đảo và trạm biên phòng Công suất của các dàn PV dùng cho các hộ gia đình là

từ 40–75 Wp Các dàn PV dùng cho các trạm biên phòng, nơi hải đảo có công suất là từ 165–300 Wp Các dàn PV dùng cho các trạm xá và các cụm văn hóa thôn, xã là từ 165–525 Wp

Tại Quảng Ninh có hai dự án PV được thực hiện bằng vốn ngân sách nhà nước là:

- Dự án PV cho đơn vị bộ đội tại các đảo vùng Đông Bắc Tổng công suất lắp đặt khoảng 20 kWp Dự án trên do Viện Năng lượng và Trung tâm Năng lượng mới, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội thực hiện Hệ thống được sử dụng chủ yếu để thắp sáng và truyền thông dưới sự quản

lý và vận hành trực tiếp bởi các đơn vị bộ đội

- Dự án PV cho các cơ quan hành chính và một số hộ dân của huyện đảo

Cô Tô Tổng công suất lắp đặt là 15 kWp Dự án do Viện Năng lượng thực hiện Công trình đã được đưa vào vận hành và sử dụng từ tháng 12/2001

- Bên cạnh đó, công ty BP Solar của Úc đã tài trợ một dự án PV có công suất là 6120 Wp phục vụ cho các trạm xá, trụ sở xã, trường học và

khoảng 10 hộ gia đình Dự án trên được lắp đặt tại xã Sĩ Hai, huyện Hà Quảng, tỉnh Cao Bằng

- Dự án “Ứng dụng thí điểm điện mặt trời cho vùng sâu, vùng xa” tại xã

Ái Quốc, tỉnh Lạng Sơn đã hoàn thành vào tháng 11/2002 Tổng công suất của dự án là 3000 Wp mà đã được sử dụng để cung cấp điện cho trung tâm xã và trạm truyền hình

- Trung tâm Hội nghị Quốc gia cũng đã sử dụng điện mặt trời với tổng công suất PV là 154 kWp Đây là một công trình điện mặt trời lớn nhất tại Việt Nam

- Trạm PV nối lưới của Viện Năng lượng với tổng công suất là 1080

Wp

- Trạm PV nối lưới lắp đặt trên mái tòa nhà của Bộ Công thương, 54 Hai

Bà Trưng, Quận Hoàn Kiếm, Hà Nội với tổng công suất là 2700 Wp

- Hệ thống đèn năng lượng mặt trời được lắp đặt trên đường phố Đà Nẵng Hệ thống thu góp năng lượng mặt trời được “dán” thẳng trên thân trụ đèn và bên trong trụ có các bình ắc qui dùng để tích năng lượng

- Hai cột đèn năng lượng mặt trời kết hợp năng lượng gió đầu tiên được lắp đặt thành công tại Ban quản lý dự án Công nghệ cao Hòa Lạc Hai cột đèn có trị giá 8000 USD, do Công ty cổ phần tập đoàn quốc tế Kim Đỉnh lắp đặt Hiện tại, hai cột đèn này có thể sử dụng trong 10 giờ mỗi ngày và có thể thắp sáng bốn ngày liền nếu không có nắng và gió

2.7 Tổng quan tình hình nghiên cứu

Các kỹ thuật tìm kiếm điểm công suất cực đại đã được đề xuất và giới thiệu, chẳng hạn như thuật toán xáo trộn và giám sát (Pertuation & Observation algorithm, P&O) [3]-[6], thuật toán gia tăng độ dẫn (Incremental Conductance algorithm, InC) [3]-[7], mạng nơ-rôn nhân tạo [8], logic mờ [9], v v Các kỹ thuật này khác nhau ở một vài khía cạnh và quan điểm bao gồm: tính chất đơn giản của thuật toán, tốc độ hội tụ của thuật toán, tính chất phức tạp của việc thực hiện các phần ứng thực nghiệm, cũng như chi phí thực hiện cho mỗi giải pháp

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

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

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

độ bức xạ giảm) và cuối cùng quyết định thay đổi giá trị điện áp sẽ không chính xác, ảnh hưởng đến hiệu quả của thuật toán [10]

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

độ chiếu sáng thay đổi không tuyến tính thì thuật toàn này có thể hoạt động sai [11]

M A Younis, T Khatib, M Najeeb và A M Ariffin [12] đã tiếp tục nghiên cứu để kết hợp công nghệ mạng nơ-rôn nhân tạo và thuật toán P&O cho việc xây dựng một bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại Các tác giả đã sử dụng mạng nơ-rôn nhân tạo để dự báo giá trị điện áp tối ưu của hệ thống PV sao cho có thể đạt được điểm công suất cực đại Cấu trúc mạng nơ-rôn được sử dụng trong nghiên cứu là cấu trúc lan truyền ngược với bốn tín hiệu ngõ vào

mà tương ứng là cường độ bức xạ, nhiệt độ, hệ số nhiệt của dòng điện ngắn mạch và hệ số nhiệt độ của điện áp hở mạch của PV và tín hiệu ngõ ra của mạng nơ-rôn là giá trị điện áp tối ưu Các kết quả mô phỏng trong nghiên cứu