Nghiên cứu hệ thống điện lai năng lượng gió và mặt trời nối lưới

Sơ đồ khối hệ thống điện lai năng lượng gió và mặt trời Hệ thống điện năng lượng mặt trời trong nghiên cứu này bao gồm các module pin quang điện PV phát ra điện năng một chiều với công s

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS TS Huỳnh Châu Duy

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP HCM ngày … tháng … năm …

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)

1 PGS TS Nguyễn Thanh Phương Chủ tịch

2 PGS TS Dương Hoài Nghĩa Phản biện 1

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Tp.HCM, ngày tháng năm 2017

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: HỒ MINH QUÂN Giới tính: NAM

Ngày, tháng, năm sinh: 15/10/1989 Nơi sinh: TP Hồ Chí Minh

I- Tên đề tài:

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỆN LAI NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ MẶT TRỜI NỐI LƯỚI

II- Nhiệm vụ và nội dung:

- Nghiên cứu tình hình khai thác và sử dụng nguồn các nguồn năng lượng tái tạo;

- Nghiên cứu tổng quan hệ thống điện năng lượng mặt trời và gió;

- Nghiên cứu xây dựng mô hình toán hệ thống điện năng lượng mặt trời và gió;

- Nghiên cứu điều khiển vận hành hệ thống điện năng lượng mặt trời và gió;

- Mô phỏng điều khiển vận hành hệ thống điện năng lượng mặt trời và gió

III- Ngày giao nhiệm vụ:

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ:

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

CÁN BỘ HUỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

PGS TS Huỳnh Châu Duy

LỜI CAM ÐOAN

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

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã được cảm ơn và các tài liệu tham khảo trong Luận văn đã được trích dẫn đầy đủ nguồn gốc

Học viên thực hiện Luận văn

Hồ Minh Quân

LỜI CÁM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy PGS TS Huỳnh Châu Duy đã tận tình

hướng dẫn và giúp đỡ tôi hoàn thành đầy đủ và tốt các nhiệm vụ được giao của đề tài luận văn tốt nghiệp này

Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô đã trang bị cho tôi nhiều kiến thức quý báu của chuyên ngành Kỹ thuật điện mà là một nền tảng vững chắc cho tôi hoàn thành tốt đề tài luận văn tốt nghiệp này

Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể Lớp 15SMĐ11 đã động viên và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện đề tài luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Công nghệ Tp HCM; Khoa Cơ - Điện - Điện tử và Viện Đào tạo sau đại học đã tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi có thể hoàn thành khóa học và đề tài luận văn tốt nghiệp này

Hồ Minh Quân

TÓM TẮT

Luận văn thực hiện nghiên cứu các vấn đề liên quan đến, “Nghiên cứu hệ thống điện lai năng lượng gió và mặt trời”mà bao gồm các nội dung như sau:

- Chương 1: Giới thiệu chung

- Chương 2: Cơ sở lý thuyết năng lượng mặt trời và gió

- Chương 3: Hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và gió

- Chương 4: Mô phỏng hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và gió

- Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai

ABSTRACT

The thesis presents issues relating to "Hibrid power systems of wind and solar energies" It consists of the following contents:

- Chapter 1: Introduction

- Chapter 2: Background to wind and solar energies

- Chapter 3: Hybrid power systems of wind and solar energies

- Chapter 4: Simulation results

- Chapter 5: Conclusions and future works

MỤC LỤC

LỜI CAM ÐOAN i

LỜI CÁM ƠN ii

TÓM TẮT iii

ABSTRACT iv

MỤC LỤC v

DANH MỤC CÁC BẢNG viii

DANH MỤC CÁC HÌNH ix

Chương 1 1

Giới thiệu chung 1

1.1 Giới thiệu 1

1.2 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu 1

1.3 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu 18

1.4 Phạm vi nghiên cứu 18

1.5 Giá trị thực tiễn của luận văn 18

1.6 Nội dung của luận văn 19

Chương 2 20

Cơ sở lý thuyết năng lượng mặt trời và gió 20

2.1 Năng lượng mặt trời 20

2.1.1 Giới thiệu 20

2.1.2 Các công nghệ sử dụng năng lượng mặt trời 21

2.1.3 Các ưu và nhược điểm của năng lượng mặt trời 21

2.1.3.1 Ưu điểm 21

2.1.3.2 Nhược điểm 22

2.1.4 Pin mặt trời 22

2.1.4.1 Giới thiệu pin mặt trời 22

2.1.4.2 Cấu tạo của pin mặt trời 23

2.1.4.3 Nguyên tắc hoạt động 26

2.1.4.4 Đặc tính của pin mặt trời 26

2.1.5 Các mô hình hệ thống pin mặt trời 31

2.1.6 Bộ biến đổi nguồn 33

2.1.6.1 Giới thiệu 33

2.1.6.2 Bộ biến đổi tăng áp 34

2.1.6.3 Nguyên tắc hoạt động của bộ tăng áp 36

2.1.6.4 Mô hình toán học của bộ biến đổi tăng áp 39

2.2 Năng lượng gió 42

2.2.1 Sự hình thành năng lượng gió 42

2.2.2 Lịch sử phát triển nguồn năng lượng gió 43

2.2.3 Năng lượng gió trên thế giới 44

2.2.4 Nguồn năng lượng gió tại Đông Nam Á 45

2.2.5 Nguồn năng lượng gió tại Việt Nam 46

2.2.6 Ứng dụng của năng lượng gió 49

2.2.7 Tuabin gió 53

2.2.8 Những thuận lợi và khó khăn của việc sử dụng năng lượng gió 54

2.2.8.1 Những thuận lợi 54

2.2.8.2 Những khó khăn 54

2.2.9 Cấu tạo của tuabin gió 55

2.2.10 Nguyên lý làm việc 57

2.2.11 Hệ thống phát điện gió điển hình 61

2.2.11.1 Máy phát điện không đồng bộ kiểu lồng sóc 61

2.2.11.2 Máy phát điện không đồng bộ kiểu dây quấn 62

2.2.11.3 Máy phát điện không đồng bộ kích từ kép 63

2.2.11.4 Máy phát điện đồng bộ tự kích 66

2.2.11.5 Máy phát điện đồng bộ từ trường vĩnh cửu 67

2.2.12 Kết nối máy phát điện gió với lưới điện 69

2.2.12.1 Điều khiển công suất tác dụng 69

2.2.12.2 Điều khiển công suất phản kháng và ổn định điện áp 70

2.2.13 Cấu hình hệ thống và nguyên lý hoạt động của máy phát điện gió PMSG 71

2.2.14 Mô hình toán của PMSG 73

2.2.14.1 Mô hình máy phát điện gió PMSG trong hệ tọa độ abc 73

2.2.14.2 Mô hình máy phát điện gió PMSG trong hệ tọa độ dq 74

2.2.14.3 Công suất và mômen của PMSG 76

2.3 Pin lưu trữ năng lượng 77

2.3.1 Nguyên lý hoạt động của pin axít chì 78

2.3.2 Quá trình nạp - xả của pin axít-chì 80

Chương 3 83

Hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và gió 83

3.1 Giới thiệu 83

3.2 Ưu và nhược điểm của các hệ thống điện lai 84

3.2.1 Ưu điểm của các hệ thống điện lai 84

3.2.2 Nhược điểm của các hệ thống điện lai ghép 84

3.3 Hệ thống điện lai năng lượng gió, mặt trời và ắc-quy 84

3.4 Hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và pin nhiên liệu 85

3.5 Hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và gió 86

3.6 Tích trữ các nguồn năng lượng tái tạo 87

3.6.1 Hệ thống tích trữ năng lượng bằng bơm nước thủy điện 88

3.6.2 Hệ thống tích trữ năng lượng bằng khí nén 89

3.7 Các ứng dụng của hệ thống điện lai 90

Chương 4 91

Mô phỏng hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và gió 91

4.1 Giới thiệu 91

4.2 Kết quả mô phỏng 96

4.2.1 Cường độ bức xạ và tốc độ gió không đổi 96

4.2.2 Cường độ bức xạ thay đổi và tốc độ gió không đổi 100

4.2.3 Cường độ bức xạ thay đổi và tốc độ gió thay đổi 105

Chương 5 110

Kết luận và hướng phát triển tương lai 110

5.1 Kết luận 110

5.2 Hướng phát triển tương lai 110

TÀI LIỆU THAM KHẢO 112

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Hiệu suất các loại vật liệu pin mặt trời 25

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống điện lai năng lượng gió và mặt trời 2

Hình 1.2 Sơ đồ khối hệ thống điện kết hợp gió và mặt trời 4

Hình 1.3 Mô hình hệ thống điện kết hợp gió và mặt trời 4

Hình 1.4 Hệ thống điện kết hợp với hệ thống nguồn dự phòng 7

Hình 1.5 Hệ thống điện kết hợp không có hệ thống nguồn dự phòng 7

Hình 1.6 Hệ thống điện kết hợp cung cấp nguồn gián tiếp đến phụ tải thông qua bộ điều khiển 7

Hình 1.7 Các thành phần cơ bản của hệ thống điện kết hợp gió và mặt trời 8

Hình 1.8 Kết nối giữa các thành phần trong hệ thống điện kết hợp gió và mặt trời 8

Hình 1.9 Sơ đồ khối của hệ thống điện kết hợp gió và mặt trời 9

Hình 1.10 Sơ đồ khối điều khiển bám điểm công suất cực đại cho hệ thống pin quang điện sử dụng kỹ thuật điều khiển logic mờ 10

Hình 1.11 Sơ đồ khối điều khiển bám điểm công suất cực đại cho hệ thống điện gió sử dụng kỹ thuật điều khiển logic mờ 10

Hình 1.12 Dự án hệ thống hỗn hợp Pin mặt trời – Diesel Bãi Hương 11

Hình 1.13 Dự án hệ thống điện năng lượng mặt trời và gió trên quần đảo Trường Sa 13

Hình 1.14 Hệ thống điện kết hợp gió, mặt trời và biogas 14

Hình 1.15 Hệ thống điện kết hợp gió, mặt trời và biogas được lắp đặt tại Đảo Mê, Tỉnh Thanh Hóa 16

Hình 1.16 Trạm phát điện hỗn hợp năng lượng gió và mặt trời 17

Hình 2.1 Pin mặt trời 23

Hình 2.2 Các loại cấu trúc tinh thể của PV 24

Hình 2.3 Các loại vật liệu PV 25

Hình 2.4 Sơ đồ hoạt động của pin mặt trời silic 26

Hình 2.5 Mạch tương đương của mảng PV 27

Hình 2.6 Đặc tính môđun PV khi cường độ ánh sáng mặt trời thay đổi và nhiệt độ môi trường không đổi (250C) 29

Hình 2.7 Đặc tính môđun PV khi cường độ ánh sáng mặt trời không đổi và nhiệt độ môi trường thay đổi 31

Hình 2.8 Sơ đồ khối hệ thống hòa lưới điện 32

Hình 2.9 Sơ đồ khối hệ thống làm việc độc lập 32

Hình 2.10 Sơ đồ khối hệ thống hòa lưới điện có dự trữ 33

Hình 2.11 Mạch bộ biến đổi tăng áp 35

Hình 2.12 Chế độ dẫn liên tục của bộ biến đổi tăng áp 36

Hình 2.13 Chế độ dẫn gián đoạn của bộ biến đổi tăng áp 36

Hình 2.14 Transitor ở chế độ on 37

Hình 2.15 Transitor ở chế độ off 38

Hình 2.16 Mối tương quan giữa bộ biến đổi tăng áp lý tưởng và hệ số làm việc 39

Hình 2.17 Bộ biến đổi tăng áp không lý tưởng 39

Hình 2.18 Bản đồ vận tốc gió theo mùa 43

Hình 2.19 Công suất điện gió trên thế giới trong thời gian 1996 - 2008 45

Hình 2.20 Biểu đồ phân bố gió Việt Nam ở độ cao 80 m 48

Hình 2.21 Tuabin gió của nhà máy điện gió Tuy Phong, Bình Thuận 51

Hình 2.22 Tuabin gió của nhà máy điện gió đảo Phú Quý, Bình Thuận 51

Hình 2.23 Tuabin gió của nhà máy điện gió Bạc Liêu 52

Hình 2.24 Điện gió Phú Lạc, Bình Thuận 52

Hình 2.25 Cấu trúc của một tuabin gió 55

Hình 2.26 Kết cấu của một máy phát điện gió 57

Hình 2.27 Đường cong hiệu suất rotor 59

Hình 2.28 Đặc tính quan hệ Cp= f(λ) của tuabin gió 60

Hình 2.29 Đường đặc tính Công suất – Tốc độ góc của Tuabin gió 60

Hình 2.30 Hệ thống phát điện gió sử dụng máy phát SCIG 62

Hình 2.31 Hệ thống phát điện gió sử dụng máy phát WRIG 63

Hình 2.32 Hệ thống phát điện gió sử dụng máy phát DFIG 64

Hình 2.33 Tuabin gió tốc độ biến đổi sử dụng bộ bộ biến đổi tần số tỉ lệ cho nguồn kích từ 65

Hình 2.34 Hệ thống phát điện gió sử dụng máy phát điện EESG 67

Hình 2.35 Hệ thống điện gió sử dụng PMSG 68

Hình 2.36 Hệ thống các loại tuabin gió 69

Hình 2.37 Sơ đồ hệ thống điện gió sử dụng PMSG 71

Hình 2.38 Chuyển đổi năng lượng gió thành năng lượng điện trong hệ thống điện

gió PMSG 72

Hình 2.39 Hệ thống nghịch lưu công suất của hệ thống điện gió PMSG 72

Hình 2.40 Mặt cắt của PMSG 2 cực 73

Hình 2.41 Sơ đồ mạch tương đương của PMSG trong hệ tọa độ dq 76

Hình 2.42 Cấu hình một pin axít chì (đã nạp đầy) đang xả điện 79

Hình 2.43 Mạch tương đương của pin 79

Hình 2.44 Phương trình điện áp nạp và xả 80

Hình 2.45 Chu trình nạp của pin axít chì trong chu kỳ sạc sâu 81

Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống điện lai năng lượng gió, mặt trời và ắc-quy 85

Hình 3.2 Hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và pin nhiên liệu 86

Hình 3.3 Sơ đồ hệ thống điện lai pin mặt trời và tuabin gió 87

Hình 3.4 Mô hình của hệ thống tích trữ năng lượng bằng việc bơm nước thủy điện 88

Hình 3.5 Mô hình của hệ thống tích trữ năng lượng bằng khí nén 89

Hình 4.1 Sơ đồ khối hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và gió 91

Hình 4.2 Sơ đồ mô phỏng hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và gió 92

Hình 4.3 Sơ đồ mô phỏng hệ thống điện mặt trời 92

Hình 4.4 Sơ đồ mô phỏng thay thế cho một tế bào pin quang điện 93

Hình 4.5 Sơ đồ mô phỏng hệ thống điện gió 93

Hình 4.6 Mô hình tuabin gió 94

Hình 4.7 Các đặc tuyến công suất của tuabin gió tương ứng với các tốc độ gió khác nhau từ 6 (m/s) đến 13,2 (m/s) 95

Hình 4.8 Tải của hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và gió 95

Hình 4.9 Cường độ bức xạ không đổi, G1 = 1000 (W/m2) 96

Hình 4.10 Cường độ dòng điện của hệ thống PV với cường độ bức xạ không đổi, G1 = 1000 (W/m2) 97

Hình 4.11 Điện áp của hệ thống PV với cường độ bức xạ không đổi, G1 = 1000 (W/m2) 97

Hình 4.12 Tốc độ gió không đổi, v1 = 12 (m/s) 98

Hình 4.13 Cường độ dòng điện pha A của máy phát điện gió PMSG, ia(A) với tốc

độ gió không đổi, v1 = 12 (m/s) 98 Hình 4.14 Điện áp dây AB của máy phát điện gió PMSG, vab(V) với tốc độ gió không đổi, v1 = 12 (m/s) 99 Hình 4.15 Cường độ dòng điện của hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và gió,

iabc(A) với cường độ bức xạ không đổi, G1 và tốc độ gió không đổi, v1 99 Hình 4.16 Điện áp của hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và gió, vabc(A) với cường độ bức xạ không đổi, G1 và tốc độ gió không đổi, v1 100 Hình 4.17 Cường độ bức xạ thay đổi, G2 (W/m2) 101 Hình 4.18 Cường độ dòng điện của hệ thống PV với cường độ bức xạ thay đổi,

G2(W/m2) 101 Hình 4.19 Điện áp của hệ thống PV với cường độ bức xạ thay đổi, G2 (W/m2) 102 Hình 4.20 Tốc độ gió không đổi, v2 = 12 (m/s) 102 Hình 4.21 Cường độ dòng điện pha A của máy phát điện gió PMSG, ia(A) 103 Hình 4.22 Điện áp dây AB của máy phát điện gió PMSG, vab(V) 103 Hình 4.23 Cường độ dòng điện của hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và gió,

iabc(A) 104 Hình 4.24 Điện áp của hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và gió, vabc(A) 104 Hình 4.25 Cường độ bức xạ thay đổi, G3 (W/m2) 105 Hình 4.26 Cường độ dòng điện của hệ thống PV với cường độ bức xạ thay đổi,

G3(W/m2) 106 Hình 4.27 Điện áp của hệ thống PV với cường độ bức xạ thay đổi, G3 (W/m2) 106 Hình 4.28 Tốc độ gió thay đổi, v3 (m/s) 107 Hình 4.29 Cường độ dòng điện pha A của máy phát điện gió PMSG, ia(A) 107 Hình 4.30 Điện áp dây AB của máy phát điện gió PMSG, vab(V) 108 Hình 4.31 Cường độ dòng điện của hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và gió,

iabc(A) 108 Hình 4.32 Điện áp của hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và gió, vabc(A) 109

Chương 1 Giới thiệu chung

1.1 Giới thiệu

Điện năng đóng vai trò thiết yếu cho sự tồn tại và phát triển của xã hội, là huyết mạch của nền kinh tế của một quốc gia Hiện nay, phần lớn năng lượng điện được sản xuất từ các năng lượng hóa thạch (than đá, dầu mỏ, khí đốt, ) mà không được xem là nguồn năng lượng tái tạo Trước tình trạng nguồn năng lượng này đang dần cạn kiệt trong với tốc độ nhanh cũng như các vấn đề khác liên quan đến ô nhiễm môi trường làm ảnh hưởng đến điều kiện sống như khí thải gây hiệu ứng nhà kính, trái đất nóng dần lên, nước biển dâng cao, khói bụi và mưa axít xảy ra nhiều nơi trên thế giới Vì vậy, việc nghiên cứu và tìm ra các nguồn năng lượng thay thế cho nguồn năng lượng hóa thạch đang trở nên cấp thiết cho mỗi quốc gia Nguồn năng lượng đang được đánh giá là nhiều tiềm năng và đáp ứng các vấn đề cấp thiết cho ngành năng lượng điện chính là các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng thủy triều, năng lượng sóng biển,

Tuy nhiên, do đặc thù riêng của ngành năng lượng tái tạo, chi phí đầu tư cho các công nghệ năng lượng mặt trời, năng lượng gió, vẫn còn khá cao; phương thức khai thác cho từng nguồn năng lượng này cũng khác nhau Điều này dẫn đến các hạn chế về hiệu quả khai thác các nguồn năng lượng tái tạo nếu các nguồn này được khai thác và sử dụng độc lập Việc ghép nối và phối hợp khai thác các nguồn năng lượng tái tạo là xu hướng phát triển của ngành năng lượng điện

Đây chính là lý do đề tài, “Nghiên cứu hệ thống điện lai năng lượng gió và mặt trời nối lưới” được lựa chọn và thực hiện trong luận văn này Kết quả của

nghiên cứu này là phù hợp cho nhu cầu cung cấp năng lượng điện đáp ứng sự phát triển kinh tế - xã hội của một quốc gia, giảm thiểu các áp lực cho các nguồn năng lượng điện truyền thống, giảm thiểu các vấn đề liên quan đến ô nhiễm môi trường,

1.2 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu

Các tác giả Lại Khắc Lãi, Vũ Nguyên Hải và Trần Gia Khánh với công trình nghiên cứu, “Điều khiển hệ thống lai năng lượng gió và mặt trời trong lưới điện

thông minh” đã giới thiệu việc xây dựng mô hình và điều khiển hệ thống điện lai năng lượng gió và mặt trời [1] Sơ đồ khối hệ thống điện lai năng lượng gió và mặt trời được biểu diễn như Hình 1.1

Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống điện lai năng lượng gió và mặt trời

Hệ thống điện năng lượng mặt trời trong nghiên cứu này bao gồm các module pin quang điện (PV) phát ra điện năng một chiều với công suất phụ thuộc vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ môi trường Trong nghiên cứu này, các tác giả đã sử dụng khối dò tìm điểm công suất cực đại với giải thuật tìm điểm công suất cực đại, InC mà phụ thuộc vào điều kiện bức xạ mặt trời và nhiệt độ môi trường Dòng điện một chiều tương ứng với điểm công suất cực đại được đưa qua bộ chuyển đổi DC/DC để điều chỉnh điện điện áp Sau đó, năng lượng điện được tạo ra từ năng lượng mặt trời được hòa với năng lượng điện được tạo ra từ năng lượng gió tại thanh cái một chiều Trong khi đó, hệ thống điện gió sử dụng máy phát điện đồng

bộ nam châm vĩnh cửu chuyển đổi cơ năng từ tuabin gió thành năng lượng điện Điện áp xoay chiều được đưa qua bộ chỉnh lưu có điều khiển để điều khiển hòa với điện áp một chiều của pin quang điện Trong hệ thống điện gió và mặt trời này, năng lượng từ các nguồn năng lượng khác nhau được hòa vào nhau dưới dạng năng lượng một chiều mà có thể được sử dụng trực tiếp cho tải một chiều hoặc đưa qua

bộ biến đổi DC/AC chuyển đổi thành năng lượng điện xoay chiều mà có thể được

sử dụng trực tiếp cho tải xoay chiều hoặc kết nối với lưới điện

Các kết quả mô phỏng cho thấy công suất và dòng điện ngõ ra của pin quang điện phụ thuộc nhiều vào điều kiện bức xạ mặt trời và nhiệt độ pin quang điện Trong khi đó, điện áp của pin quang điện ít phụ thuộc vào bức xạ mặt trời mà phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ của pin quang điện Khi nhiệt độ của pin quang điện tăng

thì công suất ngõ ra tối đa của pin quang điện sẽ giảm, trong khi đó cường độ dòng điện ngắn mạch sẽ tăng

Bên cạnh đó, các kết quả mô phỏng cũng cho thấy rằng công suất ngõ ra của

hệ thống điện gió phụ thuộc nhiều vào tốc độ gió và tốc độ của máy phát điện Trong đó, tốc độ là nhân tố chính ảnh hưởng quyết định đến công suất của hệ thống điện gió

Với các đánh giá trên, rõ ràng rằng để hệ thống tích hợp năng lượng điện gió

và mặt trời làm việc ổn định và hiệu quả thì các hệ thống điều khiển cần linh hoạt

và giảm thiểu đến mức thấp nhất các tác động của các yếu tố ngẫu nhiên như bức xạ mặt trời, tốc độ gió,

Tác giả Hoàng Trí với công trình nghiên cứu, "Thiết kế và chế tạo mô hình thiết bị hệ thống kết hợp sử dụng năng lượng mặt trời và gió để sản xuất điện" đã giới thiệu một hệ thống điện kết hợp hệ thống pin quang điện, tuabin gió và pin lưu trữ dự phòng được tích hợp và tối ưu hóa hệ thống như một nguồn thay thế quy mô nhỏ của năng lượng điện ở các địa phương không có lưới điện quốc gia hoặc các vùng xa xôi hải đảo [2]

a)

b) Hình 1.2 Sơ đồ khối hệ thống điện kết hợp gió và mặt trời

Hình 1.3 Mô hình hệ thống điện kết hợp gió và mặt trời

Sơ đồ khối hệ thống điện kết hợp gió và mặt trời được biểu diễn như Hình 1.2 Mô hình hệ thống điện kết hợp gió và mặt trời theo thiết kế được biểu diễn như Hình 1.3

Kết cấu sơ bộ của hệ thống bao gồm:

+ Đế: chịu tải trọng và liên kết các bộ phận khác trong hệ thống gồm tuabin gió, các tấm pin quang điện, bộ sạc, ắc quy và các thành phần khác

+ Tuabin gió: có 3 cánh với đường kính quay là 2 m và được liên kết với máy phát điện qua bộ truyền đai

+ Khung đỡ pin quang điện: gồm 2 khung gắn vào trụ có tác dụng đỡ 2 tấm pin quang điện

+ Hộp đựng: chứa các phần khác của hệ thống như bộ sạc, bộ chuyển đổi, Các tác giả N M Al-enezi and S H Abuarafah với công trình nghiên cứu,

"Hybrid solar wind diesel power generation system" đã giới thiệu một biến thể của một hệ thống điện kết hợp gió và mặt trời với dòng phân bố công suất được giám sát và điều khiển bởi các vi điều khiển và trạm giám sát không dây [3] Bên cạnh pin quang điện và các tuabin gió, một máy phát điện diesel dự phòng cũng được sử dụng trong trường hợp thiếu hụt nguồn cung cấp cho nhu cầu phụ tải Có hai đặc điểm nổi bật của hệ thống điện kết hợp gió và mặt trời được giới thiệu so với các hệ thống điện kết hợp khác đang tồn tại mà bao gồm:

+ Năng lượng điện của hệ thống giới thiệu được sử dụng rộng rãi và hiệu quả bằng việc giám sát nhu cầu tải và khả năng nguồn năng lượng tái tạo để trên cơ sở

đó xác định lượng công suất và loại nguồn năng lượng tái tạo phù hợp

+ Nguồn ắc-quy dự phòng được sử dụng như là một nguồn dự trữ cho hệ thống mà có thể được sử dụng trong trường hợp các nguồn năng lượng tái tạo không thể phát điện, đồng thời cũng để cực tiểu việc phát điện từ các nguồn phát diesel

Trong nghiên cứu này, các hệ thống điện kết hợp gió, mặt trời và diesel lần lượt được giới thiệu

Sơ đồ hệ thống điện kết hợp, Hình 1.4 giới thiệu một hệ thống điện mà quy được nạp điện trực tiếp từ pin quang điện và tuabin gió, trong đó mỗi hệ thống

ắc-có một bộ điều khiển nạp riêng Tải nhận công suất được yêu cầu từ tất cả các nguồn năng lượng tái tạo thông qua bộ chuyển đổi công suất DC/AC

Hình 1.5 là một hệ thống điện kết hợp gió và mặt trời mà tương tự hệ thống điện kết hợp Hình 1.4 Tuy nhiên, hệ thống được giới thiệu này không có hệ thống nguồn dự phòng

Hình 1.6 là một hệ thống điện kết hợp gió và mặt trời khác mà chỉ sử dụng một bộ điều khiển sạc để điều chỉnh phân bố công suất cho các nguồn năng lượng tái tạo gió và pin quang điện, ắc-quy và phụ tải Trong sơ đồ này, phụ tải được nối gián tiếp với ắc-quy thông qua bộ điều khiển sạc Các tác giả đã chọn sơ đồ hệ thống điện Hình 1.6 phục vụ cho việc nghiên cứu Thêm vào đó, các tác giả đã đề xuất sử dụng thêm một nguồn phát điện diesel để hỗ trợ việc cung cấp năng lượng điện cho phụ tải

Hệ thống điện kết hợp được khảo sát trong nghiên cứu này, Hình 1.7 bao gồm:

+ Các nguồn năng lượng bao gồm: tuabin gió, module pin quang điện, máy phát điện deisel;

+ Các phụ tải bao gồm: tải DC, tải AC

+ Các thiết bị lưu trữ: ắc-quy

+ Các bộ vi điều khiển

+ Các thiết bị giao tiếp

+ Các cảm biến bao gồm: các cảm biến điện áp, các cảm biến cường độ dòng điện, các cảm biến nhiên liệu, các cảm biến tốc độ và hướng gió, các cảm biến cường độ ánh sáng

Hình 1.8 biểu diễn sự kết nối giữa các thành phần cơ bản trong hệ thống điện kết hợp gió và mặt trời

Hình 1.4 Hệ thống điện kết hợp với hệ thống nguồn dự phòng

Hình 1.5 Hệ thống điện kết hợp không có hệ thống nguồn dự phòng

Hình 1.6 Hệ thống điện kết hợp cung cấp nguồn gián tiếp đến phụ tải thông qua bộ

điều khiển

Hình 1.7 Các thành phần cơ bản của hệ thống điện kết hợp gió và mặt trời

Hình 1.8 Kết nối giữa các thành phần trong hệ thống điện kết hợp gió và mặt trời

A V P Kumar, v.v với công trình nghiên cứu, “Implementation of MPPT control using fuzzy logic in solar-wind hybrid power system” đã giới thiệu các bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại cho hệ thống điện kết hợp điện gió và mặt trời [4] Các tác giả đã phân tích, so sánh và đánh giá các bộ điều khiển bám điểm

công suất cực đại trong hệ thống này giữa việc sử dụng lần lượt các giải thuật P&O (Perturb &Observe) cho hệ thống pin quang điện và giải thuật HCS (Hill Climb Search) cho hệ thống điện gió với các bộ điều khiển sử dụng kỹ thuật logic mờ cho

cả hai hệ thống pin quang điện và điện gió Hình 1.9 biểu diễn cho một hệ thống điện kết hợp bao gồm 3 khối cơ bản chính: khối phát điện, khối chuyển đổi và điều khiển; khối phân phối Hình 1.10 và 1.11 là các sơ đồ khối điều khiển bám điểm công suất cực đại cho hệ thống pin quang điện và hệ thống điện gió sử dụng kỹ thuật điều khiển logic mờ Trong nghiên cứu này, hệ thống điện tuabin gió sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cữu Tín hiệu ngõ vào cho bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại sử dụng kỹ thuật điều khiển logic mờ bao gồm tốc độ của tuabin gió, điện áp và cường độ dòng điện của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cữu; điện áp và cường độ dòng điện của hệ thống pin quang điện Các bộ chuyển đổi Boost được sử dụng cho cả hệ thống điện gió và pin quang điện được điều khiển bởi bộ điều khiển sử dụng kỹ thuật điều khiển logic mờ Công suất phát

ra từ máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu tuabin gió được chuyển đổi và hòa vào lưới với công suất được phát ra từ hệ thống pin quang điện tại thanh cái DC 220

V

Hình 1.9 Sơ đồ khối của hệ thống điện kết hợp gió và mặt trời

Hình 1.10 Sơ đồ khối điều khiển bám điểm công suất cực đại cho hệ thống pin

quang điện sử dụng kỹ thuật điều khiển logic mờ

Hình 1.11 Sơ đồ khối điều khiển bám điểm công suất cực đại cho hệ thống điện gió

sử dụng kỹ thuật điều khiển logic mờ

Các kết quả mô phỏng cho thấy rằng việc sử dụng kỹ thuật điều khiển logic

mờ là tốt hơn việc sử dụng các kỹ thuật điều khiển với giải thuật P&O cho hệ thống pin quang điện và giải thuật HCS cho hệ thống điện gió về hiệu suất và độ tin cậy

Tại Việt Nam, một số dự án kết hợp các nguồn năng lượng tái tạo với các nguồn sản xuất năng lượng điện khác như:

* Dự án hệ thống hỗn hợp Pin mặt trời – Diesel Bãi Hương đã được lắp đặt Đây là dự án sử dụng nguồn vốn từ Chương trình Năng lượng nông thôn Việt Nam - Thụy Điển do Chính phủ Thủy Điện tài trợ chi phí cho việc xây dựng nguồn điện và lưới điện phục vụ cho Thôn Bãi Hương, Xã Tân Hiệp, Cù Lao Chàm, Thành Phố Hội An, Tỉnh Quảng Nam [5]

Dự án là một trong những dự án đầu tiên tại Việt Nam sử dụng điện mặt trời

để phục vụ nhu cầu sinh hoạt của toàn bộ người dân ở Thôn Bãi Hương, Xã Tân Hiệp, Cù Lao Chàm, Thành Phố Hội An, Tỉnh Quảng Nam

- Dự án được xây dựng trên tổng diện tích 1050 m2

- Hệ thống điện của dự án Bãi Hương bao gồm:

+ Hệ phát điện pin mặt trời 28 kW

+ Các máy phát điện Diesel 5,5 và 15 kW chỉ phát điện khi điện từ hệ pin quang điện và bộ ắc quy không đủ cung cấp cho các phụ tải

- Các thiết bị chính của hệ phát điện pin mặt trời bao gồm:

+ Hệ thống dàn pin mặt trời sử dụng các module pin mặt trời của hãng Sharp, Nhật Bản, sản xuất với công suất 175 Wp/module Toàn bộ hệ thống có 165 module với tổng công suất tối đa 28,875 kWp

+ Hệ thống điều khiển: hệ thống sử dụng 5 controller SMC600 và 7 inverter SI5048 của hãng SMA, Đức

+ Hệ thống ắc quy: hệ thống sử dụng ắc quy 12V-100Ah của hãng Voltatech, Hàn Quốc Tổng số lượng ác quy là 145 chiếc

- Tổng vốn đầu tư của dự án là: 412.000 USD Trong đó: Chính phủ Thụy Điển tài trợ 332.000 USD, còn lại do Tỉnh Quảng Nam đầu tư

- Các bên tham gia bao gồm:

+ Công ty Systech là nhà thầu chính

+ Công ty Cổ phần Kiến trúc CAC Việt Nam giữa vai trò thiết kế

- Hình thức hợp đồng: Hợp đồng thiết kế, cung cấp thiết bị công nghệ và thi công xây dựng công trình (Engineering Procurement and Construction, EPC)

- Dự án đã kết thúc sau 180 ngày (06 tháng)

Dự án đã mang lại nguồn điện sạch, an toàn cho người dân xã đảo Cù Lao chàm góp phần phát triển kinh tế du lịch địa phương

Hình 1.12 Dự án hệ thống hỗn hợp Pin mặt trời – Diesel Bãi Hương

* Dự án hệ thống điện năng lượng mặt trời và gió trên quần đảo Trường Sa [5]:

Năm 2014, tổng nhu cầu sử dụng năng lượng điện trên quần đảo Trường Sa ước tính khoảng 3 MWh/ngày Tuy nhiên, việc cung cấp điện từ máy phát phát điện chạy bằng dầu diesel chỉ cung cấp được khoảng 1,1 MWh/ngày, tương đương với khoảng 6 giờ/ngày có điện, chiếm 35% nhu cầu của người sử dụng Trước nhu cầu

đó, việc tận dụng nguồn gió và nguồn sáng từ mặt trời để tạo ra điện sẽ không những giúp giảm thiểu chi phí, không gây nguy hại cho môi trường mà còn đáp ứng được nhu cầu cuộc sống cho người dân trên huyện đảo

Việc tận dụng nguồn gió và nguồn sáng mặt trời tại huyện đảo Trường Sa được tích hợp trong hệ thống điện lai ghép dùng năng lượng gió và mặt trời Qua khảo sát bức xạ mặt trời tại đảo Trường Sa cho thấy rằng tiềm năng năng lượng mặt trời trung bình có thể đạt khoảng hơn 1.950 kWh/m2/năm và tốc độ gió trung bình hàng năm ước tính khoảng 6,2 m/s Khi ấy, tiềm năng năng lượng gió khoảng gần 2.700 kWh/m2/năm Với hệ thống điện năng lượng mặt trời và gió này, lượng điện cung cấp cho nhu cầu sử dụng lên đến khoảng 6,2 MWh/ngày, đồng thời dung lượng ắc quy nạp từ gió và mặt trời đảm bảo cung cấp năng lượng cho 2 ngày tiếp theo khi không có ánh sáng mặt trời và gió

Mặt khác, với hệ thống điện này, cư dân và chiến sĩ ở quần đảo Trường Sa có thể sử dụng điện năng đầy đủ mà không phải lo lắng về nhiên liệu chạy máy phát điện được vận chuyển từ đất liền ra đảo, vừa khó khăn mỗi khi gặp thời tiết xấu làm gián đoạn vận chuyển, vừa đắt đỏ vì giá thành vận chuyển và giá dầu ngày càng tăng Ước tính, hệ thống điện này giúp tiết kiệm khoảng hơn 2.100 lít dầu diesel/ngày (khoảng gần 774.000 lít/năm) Lượng khí thải CO2 cũng giảm gần 2.300 tấn/năm, một con số không nhỏ gây hiệu ứng nhà kính

Hệ thống điện gió đã được lắp đặt trên 33 đảo san hô/750 đảo thuộc quần đảo Trường Sa Trong đó, hệ thống điện năng lượng mặt trời và gió được xây dựng trên

9 đảo nổi, 24 đảo chìm và 15 nhà giàn DK của khu vực quân sự Cả hệ thống này bao gồm: 20 nhà trạm thu gió và ánh nắng mặt trời; 120 tuabin gió; hơn 4.000 tấm pin năng lượng mặt trời; hơn 4.500 bình ắc quy 12V/230Ah dùng để lưu trữ năng lượng điện; 320 bộ biến tần; 250 bộ sạc năng lượng mặt trời; 60 đèn pha dò tìm; hơn 1.000 đèn led chiếu sáng ngoài trời dùng năng lượng mặt trời và nhiều thiết bị

để phục vụ cho việc tạo điện tận dùng nguồn năng lượng thiên nhiên này Hệ thống

này rõ ràng rằng đã giúp cho việc phát triển kinh tế tại địa phương không còn gặp khó khăn vì điện bị hạn chế

Hình 1.13 Dự án hệ thống điện năng lượng mặt trời và gió trên quần đảo Trường Sa

Viện Cơ học đã lắp đặt một trạm phát điện năng lượng gió và mặt trời tại Cù Lao Chàm, Hội An, Quảng Nam Đây là trạm phát điện đầu tiên sử dụng bộ nguồn thông minh có thể tự động lựa chọn điện gió hoặc điện mặt trời [6] Trạm phát điện này có công suất thiết kế là 1500 W, lắp đặt ở độ cao 10-15 m Theo khảo sát của Viện Cơ học, vận tốc gió ở Cù Lao Chàm trung bình là 9-10m/s, rất thuận lợi cho việc xây dựng các trạm phát điện sử dụng năng lượng gió Tuy nhiên, ông Phạm Văn Bạch Ngọc, phòng Cơ điện tử, Viện Cơ học, Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam, người trực tiếp khảo sát và xây dựng trạm điện này cho rằng nếu trạm chỉ sử dụng năng lượng gió thì có những lúc do vận tốc gió quá thấp, công suất phát điện của máy sẽ rất nhỏ, thậm chí máy không hoạt động Đây thường là lúc trưa nắng, nguồn năng lượng mặt trời rất dồi dào Do đó, việc kết hợp cả hai loại năng lượng tái tạo trên đã khắc phục được hiện tượng phát điện ngắt quãng

Để có thể kết hợp cả năng lượng gió và năng lượng mặt trời, Viện Cơ học đã kết hợp cùng Viện Công nghệ thông tin để chế tạo một bộ nguồn thông minh Bộ nguồn này gồm 2 đầu vào, một đầu là điện gió, một đầu là điện mặt trời, đầu ra dùng nạp

ắc quy và qua bộ đổi điện để phục vụ người tiêu dùng Nhờ vậy, hệ thống phát điện luôn hoạt động 24/24h Ông Bách Ngọc cho biết, hiện nay, người dân ở Cù Lao Chàm chỉ được dùng điện 18g - 20g hằng ngày với giá 5000 một kW/h Trước mắt,

trạm phát điện 1500 W sẽ được dùng cho các hoạt động văn phòng của UBND xã Tân Hiệp Ông Ngọc cho biết, để hơn 4000 dân Cù Lao Chàm được sử dụng điện, cần xây dựng một trạm phát điện năng lượng gió với quy mô khoảng 300 kW kết hợp với trạm phát điện diesel có sẵn

Cù Lao Chàm đang phát triển tiềm năng du lịch và Viện Cơ học cho biết nếu

có thể, sẽ tiếp tục xây dựng một trạm điện sử dụng năng lượng gió có công suất 600

kW sẽ rất thuận lợi cho người dân phát triển kinh tế và phục vụ sinh hoạt Theo theo ước tính ban đầu, nếu có thể lắp đặt trạm điện như thế, người dân sẽ chỉ phải trả

2000 - 2500 đồng cho mỗi kW/h và có thể thấp hơn nếu có sự hỗ trợ của Nhà nước

Viện Khoa học năng lượng cũng đã chủ trì thực hiện: “Xây dựng mô hình khai thác sử dụng bền vững nguồn năng lượng tại chỗ phục vụ hoạt động của bộ đội đảo Mê, Tỉnh Thanh Hóa” do Sở Khoa học và Công nghệ Tỉnh Thanh Hóa quản lý [7] Kết quả thực hiện đề tài đã xây dựng thành công mô hình khai thác năng lượng hỗn hợp bao gồm gió, mặt trời và biogas cấp điện ổn định cho một cụm phụ tải ưu tiên của cụm quân đội trung tâm tại đảo Mê, Tỉnh Thanh Hóa

Sơ đồ nguyên lý hệ thống điện kết hợp gió, mặt trời và biogas được mô tả như Hình 1.14

Hình 1.14 Hệ thống điện kết hợp gió, mặt trời và biogas Các thông số chính của mô hình đã lắp đặt bao gồm:

+ Pin mặt trời: 13 x 130Wp = 1560kWp, 24V;

+ Tuabin gió: 1kW, trục đứng, cao 8m;

+ Hầm biogas + máy phát điện: 20m3, 2kW;

+ Ắc quy: 8 x 200Amh, GEL;

+ Các thiết bị phụ khác: Inverter, điều khiển nạp, hộp đấu nối,

- Ý nghĩa thực tiễn:

Mô hình khai thác hỗn hợp, tận dụng tối đa các nguồn năng lượng tại chỗ phù hợp với đặc điểm khu vực lắp đặt, điện năng nạp vào ắc-quy được cấp từ pin mặt trời vào ban ngày sau đó được thay thế bằng nguồn điện gió do đó có thể đảm bảo sự ổn định khi sử dụng, với các nhu cầu tức thời công suất lớn, thời gian ngắn được đáp ứng bằng máy phát điện biogas Do vậy, về cơ bản có thể đáp ứng nhu cầu các phụ tải ưu tiên tại khu vực sử dụng

+ Các thiết bị được tính toán, thiết kế tối ưu, đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật, vận hành, phù hợp với môi trường biển, hoạt động ổn định

+ Hệ thống đã vận hành được khoảng 4 năm, trải qua các điều kiện thời tiết khắc nghiệt (mưa, bão…) vẫn hoạt động an toàn, cấp điện cho cụm phụ tải lựa chọn tại đảo

- Ý nghĩa khoa học:

Hệ thống được thiết kế, xây dựng thích ứng, phù hợp tiềm năng các nguồn năng lượng tái tạo và điều kiện tự nhiên tại Đảo Mê, Tỉnh Thanh Hóa và là mô hình điển hình cho các hải đảo tại Việt Nam

- Ý nghĩa kinh tế - xã hội:

Sản phẩm của đề tài là hệ thống kết hợp các nguồn năng lượng tái tạo tại chỗ, chi phí hiện nay cho các thiết bị khai thác năng lượng gió, mặt trời tương đối đắt Đồng thời nhu cầu sử dụng trên đảo là không cao nên tính khả thi về tài chính

là không tính đến Tuy nhiên xét về lâu dài và điều kiện kinh tế - xã hội thì được rất nhiều như nâng cao chất lượng đời sống, bảo vệ môi trường,

- Triển vọng nhân rộng các kết quả/sản phẩm trong tương lai:

Sản phẩm của đề tài là hệ thống kết hợp các nguồn năng lượng tái tạo tại chỗ cung cấp cho nhu cầu năng lượng cho những khu vực chưa có lưới điện, khu vực đảo Sau khi triển khai đề tài thành công, mô hình không chỉ áp dụng cho đảo Mê

mà có thể áp dụng cho các đảo khác trên lãnh thổ Việt Nam có điều kiện tương tự

hoặc là mô hình cơ sở để điều chỉnh quy mô, đặc điểm kỹ thuật phù hợp theo đặc thù riêng

Hình 1.15 Hệ thống điện kết hợp gió, mặt trời và biogas được lắp đặt tại Đảo Mê,

Tỉnh Thanh Hóa Tương tự, tại Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng việc đưa Trạm phát điện hỗn hợp năng lượng gió và mặt trời vào ứng dụng đã phần nào hỗ trợ việc đào tạo và nghiên cứu khoa học về nguồn năng lượng mới [8]

a)

b) Hình 1.16 Trạm phát điện hỗn hợp năng lượng gió và mặt trời

Trạm phát điện hỗn hợp năng lượng gió và mặt trời có công suất 8,6 kW có thể thực hiện nhiệm vụ chuyển đổi đồng thời năng lượng gió và năng lượng mặt trời thành điện năng với điện áp 220V Để có thể kết hợp cả năng lượng gió và năng lượng mặt trời, trạm được trang bị một bộ nguồn thông minh Bộ nguồn này gồm 2 đầu vào, một đầu là điện gió, một đầu là điện mặt trời, đầu ra dùng nạp ắc-quy và qua bộ đổi điện để phục vụ tiêu dùng trong nhà trường Nhờ vậy, hệ thống phát điện luôn hoạt động 24/24 giờ, khắc phục được hiện tượng phát điện ngắt quãng tại khu vực

Theo TS Đoàn Anh Tuấn, Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa, năng lượng gió và năng lượng mặt trời là một trong những dạng năng lượng tái tạo được Trường Đại học Bách khoa đưa vào chương trình đào tạo và nghiên cứu từ những năm 2008 Đến năm 2012, trường xin được Trạm phát điện hỗn hợp năng lượng gió

và mặt trời của huyện Đăk Hà, tỉnh Kon Tum để đưa về làm mô hình đào tạo Hiện Trạm phát điện vừa được sử dụng để thực nghiệm, nghiên cứu, đào tạo các thế hệ

sinh viên, vừa tích trữ năng lượng để chiếu sáng cho hệ thống đèn của trường vào ban đêm

1.3 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan tình hình khai thác và sử dụng các nguồn năng lượng điện tái tạo

- Nghiên cứu nguồn năng lượng điện mặt trời

- Nghiên cứu nguồn năng lượng điện gió

- Nghiên cứu và xây dựng mô hình hệ thống điện kết hợp năng lượng gió và mặt trời

- Nghiên cứu và mô phỏng hệ thống điện kết hợp năng lượng gió và mặt trời

1.4 Phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan tình hình khai thác và sử dụng các nguồn năng lượng điện tái tạo

- Nghiên cứu nguồn năng lượng điện mặt trời công suất nhỏ

- Nghiên cứu nguồn năng lượng điện gió sử dụng máy phát điện nam châm vĩnh cửu công suất nhỏ

- Nghiên cứu và xây dựng mô hình hệ thống điện kết hợp năng lượng gió và mặt trời công suất nhỏ nối lưới

- Nghiên cứu và mô phỏng hệ thống điện kết hợp năng lượng gió và mặt trời công suất nhỏ nối lưới

1.5 Giá trị thực tiễn của luận văn

- Các kết quả của luận văn đóng góp một giải pháp quan trọng trong việc thay thế dần các nguồn năng lượng hóa thạch bằng các nguồn năng lượng tái tạo vô tận trong xu thế phát triển của ngành năng lượng điện thế giới

- Giải pháp kết hợp các nguồn năng lượng điện tái tạo là giải pháp rất khả thi để nâng cao nguồn cung cấp năng lượng điện với chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp được đảm bảo cho các khu vực vùng sâu, vùng xa hoặc xa trung tâm phụ tải

- Nâng cao được hiệu quả khai thác cho các nguồn phát điện công suất nhỏ

- Nội dung của luận văn chính là nguồn tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu có liên quan sau này

1.6 Nội dung của luận văn

Nội dung của luận văn bao gồm:

Chương 1: Giới thiệu chung

Giới thiệu tổng quan về vấn đề đang được đặt thông qua việc kết hợp các nguồn năng lượng điện tái tạo: năng lượng điện gió và mặt trời; tổng quan về tình hình nghiên cứu khai thác và sử dụng các phương án kết hợp các nguồn năng lượng điện tái tạo trên thế giới nói chung và tại Việt Nam nói riêng Trên sơ các tổng quan này, mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu được đặt ra, cũng như các kết quả, giá trị thực tiễn dự kiến đạt được của luận văn được trình bày

Chương 2: Cơ sở lý thuyết năng lượng mặt trời và gió

Nội dung này trình bày cơ sở lý thuyết liên quan đến các nguồn lượng mặt trời và năng lượng điện

Chương 3: Hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và gió

Nội dung này trình bày các cơ sở lý thuyết liên quan đến hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và gió

Chương 4: Mô phỏng hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và gió

Để khẳng định lại các cơ sở lý thuyết đã được trình bày trong các chương trước, chương này trình bày các mô phỏng và kết quả mô phỏng liên quan đến hệ thống điện lai năng lượng gió và mặt trời nhằm đảm bảo được độ tin cậy và hiệu quả khai thác các nguồn năng lượng tái tạo

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai

Các kết quả và hướng phát triển tương lai của luận văn được trình bày trong phần này

Chương 2

Cơ sở lý thuyết năng lượng mặt trời và gió

2.1 Năng lượng mặt trời

2.1.1 Giới thiệu

Năng lượng mặt trời (NLMT) là một trong những nguồn năng lượng sạch và

vô tận Con người đã biết tận hưởng nguồn năng lượng quí giá này từ rất lâu, tuy nhiên việc khai thác, sử dụng nguồn năng lượng này một cách hiệu quả nhất thì vẫn

là vấn đề mà chúng ta đang quan tâm

Hầu như tất cả các nguồn năng lượng mà con người hiện nay đang sử dụng xét cho cùng đều xuất phát hay có liên quan đến NLMT (chỉ trừ một số nguồn năng lượng như năng lượng nguyên tử, năng lượng địa nhiệt và các nhà máy điện hoạt động bằng năng lượng thủy triều) Người ta chia các nguồn năng lượng thành hai nhóm năng lượng chính:

- Năng lượng hóa thạch như dầu, than đá hay khí đốt

- Năng lượng tái tạo từ những nguồn năng lượng như mặt trời, gió, hợp chất hữu cơ,…

Các nguồn năng lượng được tạo ra từ quá trình hóa thạch chính là NLMT được biến đổi, lưu trữ trong các hợp chất hữu cơ Ngược lại, ở các nguồn năng lượng mới mang tính tái tạo thì NLMT được sử dụng dưới rất nhiều hình thức khác nhau NLMT là nguồn năng lượng mà con người biết sử dụng từ rất sớm, nhưng ứng dụng nguồn năng lượng này vào các công nghệ sản xuất và trên quy mô rộng thì mới chỉ thực sự vào cuối thế kỉ XVIII và cũng chủ yếu ở những nước nhiều NLMT, những vùng sa mạc 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:

- Sử dụng NLMT 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

- NLMT được biến đổi trực tiếp thành điện năng nhờ các tế bào quang điện bán dẫn, hay còn gọi là pin mặt trời

Thiết bị nhiệt mặt trời nhận bức xạ nhiệt mặt trời và tích trữ năng lượng dưới dạng nhiệt năng Thiết bị nhiệt mặt trời có rất nhiều loại khác nhau tùy thuộc vào mục đích sử dụng của chúng

Để sản xuất nhiệt từ NLMT người ta sử dụng các hệ thống gương cầu hay gương parabol để hội tụ các tia mặt trời vào các điểm hay trục hội tụ Tại các điểm hội tụ nhiệt độ có thể lên đến hàng trăm hay thậm trí hàng nghìn độ Nếu cho chất lỏng như nước, dầu,… qua vùng hội tụ thì chất lỏng bị bay hơi ngay cả dưới áp suất cao Cho hơi này qua các tuabin sẽ phát ra điện Công nghệ này được gọi là công nghệ nhiệt điện mặt trời

2.1.2 Các công nghệ sử dụng năng lượng mặt trời

Hiện nay, có hai công nghệ chính sử dụng nguồn NLMT Đó là công nghệ điện mặt trời dựa trên hiệu ứng quang điện; và công nghệ nhiệt mặt trời dựa trên hiệu ứng nhà kính (nhiệt độ thấp) và công nghệ nhiệt mặt trời hội tụ (nhiệt độ cao)

Công nghệ nhiệt năng từ mặt trời: Từ lâu nhiệt năng từ bức xạ mặt trời đã được dùng để phơi sấy, sưởi ấm, một cách tự nhiên Hiện nay nhờ các thiết bị mới nên nhiệt mặt trời được sử dụng một cách hiệu quả hơn Có 2 công nghệ thông dụng khai thác nhiệt mặt trời dựa trên hiệu ứng nhà kính và hiệu ứng hội tụ bức xạ mặt

trời

Công nghệ điện mặt trời quang điện: Khi chiếu sáng vào một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n thì năng lượng ánh sáng mặt trời có thể được bíến đổi thành năng lượng của dòng điện một chiều Hiện tượng đó được gọi là hiệu ứng quang - điện (photovoltaic) và hiệu ứng này được ứng dụng để chuyển đổi nguồn NLMT thành điện năng

2.1.3 Các ưu và nhược điểm của năng lượng mặt trời

2.1.3.1 Ưu điểm

Các ưu điểm của năng lượng mặt trời có thể được liệt kê như sau:

- NLMT là một nguồn năng lượng tái tạo, nguồn năng lượng sạch và việc

khai thác NLMT không làm ô nhiễm không khí, không tạo ra hiệu ứng nhà kính như các nguồn năng lượng truyền thống như than đá, dầu khí,…

- Không tạo ra phế thải rắn và khí như các nguồn năng lượng do than đá, khí đốt và năng lượng nguyên tử

- NLMT là nguồn năng lượng vô tận

- NLMT có thể được sản xuất tại bất kì phần nào của thế giới, ở bất cứ nơi nào có nhiều ánh sáng mặt trời có sẵn

2.1.3.2 Nhược điểm

Vấn đề sử dụng NLMT đã được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm Mặc dù tiềm năng của NLMT rất lớn nhưng t trọng năng lượng được sản xuất từ NLMT trong tổng năng lượng tiêu thụ của thế giới vẫn còn khiêm tốn là do còn tổn tại một số hạn chế như sau:

- NLMT có thể không hiệu quả làm việc ở các nước lạnh do sự khan hiếm của ánh nắng mặt trời

- NLMT phụ thuộc vào chu kỳ ngày đêm, do đó cần phải có thiết bị lưu trữ nếu muốn nguồn năng lượng liên tục

- Đối với các ứng dụng quy mô lớn, diện tích lớn hơn và đầu tư cao hơn là cần thiết, mà có thể không được đáp ứng một cách dễ dàng

- Hiện nay, có nhiều ứng dụng kỹ thuật công nghệ cao được áp dụng cho nguồn NLMT, nhưng giá thành đầu tư cho nguồn năng lượng này vẫn còn cao hơn

so với các nguồn năng lượng truyền thống

2.1.4 Pin mặt trời

2.1.4.1 Giới thiệu pin mặt trời

Pin mặt trời hay còn gọi là pin quang điện (PV) là phương pháp sản xuất điện trực tiếp từ năng lượng mặt trời thông qua thiết bị biến đổi quang điện Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên vào năm 1839 bởi Alexandre Edmond Becquerel, nhưng cho đến năm 1883 pin mặt trời mới được tạo thành bởi Charles Fritts Pin mặt trời có ưu điểm gọn nhẹ có thể lắp đặt bất kỳ nơi đâu có ánh sáng

mặt trời, pin mặt trời được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực Nguồn NLMT được ứng dụng dưới dạng pin mặt trời được phát triển rất nhanh, đặc biệt là ở các nước phát triển Ngày nay con người đã ứng dụng pin mặt trời trong nhiều lĩnh vực như hàng không vũ trụ, để chạy xe và trong sinh hoạt thay thế dần nguồn năng lượng truyền thống

Hình 2.1 Pin mặt trời

2.1.4.2 Cấu tạo của pin mặt trời

Cấu tạo của PV là một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng biến đổi trực tiếp NLMT thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện bên trong Hiện nay vật liệu chủ yếu cho PV là các silíc tinh thể, có hóa trị 4

Từ tinh thể silíc tinh khiết, để tạo ra vật liệu tinh thể bán dẫn Si loại n, người

ta pha tạp chất donor là photpho có hóa trị 5 Còn có thể có vật liệu bán dẫn tinh thể loại p thì tạp chất acceptor được dùng để pha vào Si là Bo có hóa trị 3

PV từ tinh thể silic chia ra thành ba loại:

Một tinh thể hay đơn tinh thể, đa tinh thể và dải silíc tạo từ các miếng phim mỏng từ silíc nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể

+ Một tinh thể hay đơn tinh thể môđun được sản xuất dựa trên quá trình Czochralski Đơn tinh thể loại này có hiệu suất tới 16% Chúng thường rất đắt tiền

do được cắt từ các thỏi ống, các tấm đơn tinh thể này có các mặt trống ở góc nối các môđun

+ Đa tinh thể được làm từ các thỏi đúc, được đúc từ silíc nung chảy cẩn thận được làm nguội và làm rắn Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn Tuy nhiên, chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề

mặt nhiều hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó

+ Dải silíc tạo từ các miếng phim mỏng từ silíc nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể, loại này thường có hiệu suất thấp nhất tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các loại vì không cần phải cắt từ thỏi silicon

a) Single-Crystalline

b) Poly-Crystalline

c) Non-Crystalline Hình 2.2 Các loại cấu trúc tinh thể của PV

Ngoài ra, PV được sản xuất không có silíc như họ hợp chất III-V và II-VI, GaAs và CdTe, cũng đã được sử dụng để tạo ra PV Hiệu suất của những thành phần này là cao hơn đơn tinh thể, nhưng chúng thường rất đắt tiền Do đó, những vật liệu này được sử dụng trong nghiên cứu đặc biệt như phòng thí nghiệm và vệ tinh