Nghiên cứu khảo sát tiềm năng và thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới cho một số cơ quan cấp sở tại tỉnh bắc kạn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊNTRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP TRẦN HÙNG NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT TIỀM NĂNG VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI NỐI LƯỚI CHO MỘT SỐ CƠ QUAN CẤP SỞ TẠI TỈNH BẮC KẠ

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

TRẦN HÙNG

NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT TIỀM NĂNG VÀ THIẾT KẾ

HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI NỐI LƯỚI CHO MỘT SỐ CƠ QUAN CẤP SỞ TẠI TỈNH BẮC KẠN

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Trần Hùng

Sinh ngày: 14 tháng 10 năm 1977

Học viên lớp cao học khoá 20 – Kỹ thuật điện - Trường Đại học KỹThuật Công Nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên

Hiện đang công tác tại: Công ty Điện lực Bắc Kạn

Tôi cam đoan toàn bộ nội dung trong luận văn do tôi làm theo địnhhướng của giáo viên hướng dẫn, không sao chép của người khác

Các phần trích lục các tài liệu tham khảo đã được chỉ ra trong luận văn.Nếu có gì sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm

Tác giả luận văn

Trần Hùng

Do thời gian, kiến thức, kinh nghiệm và tài liệu tham khảo còn hạn chếnên đề tài khó tránh khỏi những thiếu sót Rất mong nhận được sự đóng góp ýkiến của các thầy, cô giáo và các bạn đồng nghiệp để tôi tiếp tục nghiên cứu,hoàn thiện hơn nữa trong quá trình công tác sau này.

Học viên

Trần Hùng

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC BẢNG ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ x

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Nội dung của luận văn 3

CHƯƠNG 1: KHẢO SÁT TIỀM NĂNG PHÁT TRIỂN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 4

1.1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 4

1.1.1 Khái niệm chung 4

1.1.2 Mô hình sử dụng năng lượng mặt trời trong hệ thống cung cấp điện 6

1.1.3 Phương pháp khai thác nguồn năng lượng pin mặt trời 7

1.1.4 Cấu trúc chung của hệ thống khai thác nguồn pin mặt trời 10

1.2 TIỀM NĂNG KHAI THÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TAI TỈNH BẮC KẠN 13

1.2.1 Tiềm năng nguồn năng lượng mặt trời của tỉnh Bắc Kạn 13

1.2.2 Đánh giá tiềm năng 14

1.2.2.1 Thuận lợi 14

1.2.2.2 Khó khăn 15

1.3 ĐÁNH GIÁ THỰC TRẠNG VIỆC SỬ DỤNG ĐIỆN TẠI ĐƠN VỊ CẤP SỞ CỦA TỈNH 16

1.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 16

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI CHO CƠ QUAN CẤP SỞ CỦA TỈNH BẮC KẠN 18

2.1 MỞ ĐẦU 18

2.2 CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI 18

2.3 PIN MẶT TRỜI (PV - Photovoltaic) 19

2.3.1 Khái niệm 19

2.3.2 Mô hình toán và đặc tính làm việc của pin mặt trời 20

2.4 BỘ BIẾN ĐỔI MỘT CHIỀU - MỘT CHIỀU (DC/DC) 23

2.4.1 Chức năng 23

2.4.2 Các bộ biến đổi DC-DC không cách li 24

2.4.3 Bộ biến đổi DC/DC có cách ly 30

2.5 NGHỊCH LƯU NỐI LƯỚI (Grid Tie Inverter) 30

2.5.1 Mở đầu 30

2.5.2 Chuyển đổi khung tham chiếu 31

2.5.3 Khung tham chiếu trong hệ thống 1 pha 34

2.5.4 Điều chế độ rộng xung (PWM - Pulse Width Modulation) 35

2.5.5 Bù sóng hài 38

2.6 ĐỒNG BỘ HÓA LƯỚI 39

2.6.1 Lọc phát hiện điểm qua zero (ZCD - Zero Cross Detection) 39

2.6.2 Lọc điện áp lưới 40

2.6.3 Vòng lặp khóa pha (PLL - Phase Lock Loop) 40

2.6.4 PLL thích nghi 42

2.7 CHỐNG CÔ LẬP HÓA (Anti Islanding) 42

2.7.1 Phương pháp thụ động 43

2.7.2 Phương pháp tích cực 44

2.8 Kết luận chương 2 44

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI NỐI LƯỚI MỘT PHA 45

3.1 ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI 1 PHA 45

3.2 ĐIỀU KHIỂN DUY TRÌ ĐIỂM LÀM VIỆC CÓ CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI .45

3.2.1 Khái niệm 45

3.2.2 Thuật toán điện áp không đổi (CV - Constant Voltage) 47

3.2.3 Thuật toán xáo trộn và quan sát (P&O - Perturb and Observe) 47

3.2.4 Kết quả mô phỏng 49

3.3 ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU 52

3.4 ĐIỀU KHIỂN BỘ CHUYỂN ĐỔI DC-AC 52

3.4.1 Khái niệm 52

3.4.2 Bộ điều khiển tỉ lệ tích phân (PI) 53

3.4.3 Bộ điều khiển cộng hưởng tỉ lệ (PR - Proportional Resonant) 54

3.4.4 Bộ điều khiển phản hồi trạng thái 55

3.5 ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TÁC DỤNG VÀ PHẢN KHÁNG CHO BIẾN TẦN MỘT PHA NỐI LƯỚI 56

3.5.1 Giới thiệu 56

3.5.2 Công suất tác dụng và công suất phản kháng một pha trên hệ qui chiếu ảo 2 trục 57

3.5.3 Cấu trúc mạch điều khiển công suất 60

3.5.4 Kết quả mô phỏng 63

3.5.5 Đánh giá kết quả 66

3.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 66

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 67

1 Kết luận 67

2 Kiến nghị 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Các ký hiệu:

STT Ký hiệu Diễn giải nội dung đầy đủ

1 f Tần số lưới điện

2 f (t) Hàm chu kỳ không sin

3 U1 Biên độ thành phần điện áp điều hoà cơ bản

4 Un Biên độ thành phần điện áp điều hoà bậc n

5 I1 Biên độ thành phần dòng điện điều hoà cơ bản

6 In Biên độ thành phần dòng điện điều hoà bậc n

7 PF Hệ số công suất

8 p Công suất tác dụng tức thời

9 q Công suất phản kháng tức thời

16 iL Dòng điện lưới phía tải (dòng tải)

17 iF Dòng điện chạy qua bộ lọc

18 Us Điện áp nguồn

19 Uh Điện áp thành phần điều hoà bậc cao

20 UF Điện áp thành phần cơ bản

21 u 0 , u, u Điện áp biểu diễn trên hệ trục 

22 u a , u b , u c Điện áp biểu diễn trên hệ trục abc

23 i a , i b , i c Dòng điện biểu diễn trên hệ trục abc

24 i 0 , i, i Dòng điện biểu diễn trên hệ trục 

25 u d , u q Điện áp biểu diễn trên hệ trục dq

26 i d , i q Dòng điện biểu diễn trên hệ trục dq

27  Tần số góc nguồn điện

28 U dc Điện áp 1 chiều

29 S Công suất biểu kiến

Công suất tác dụng, phản kháng tương ứng với thành

30 ,

31

phần dòng 1 chiềuCông suất tác dụng, phản kháng tương ứng với thànhphần dòng xoay chiều

43 TCSC Thyristor Controlled Series Compensation

44 TSC Thyristor Switched Capacitor):

45 TSR Thyristor Switched Reactor

46 TCR Thyristor controller Reactor

47 DFT Discrete Fourier Transform

48 FFT Fast Fourier Transform

49 PLL Phase locked loop

50 SVM Space vector modulation method

51 ĐCVTKG Điều chế véc tơ không gian

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bang 1 Tiềm năng về năng lượng mặt trời ở việt Nam 1

Bảng 1.1 Bảng tổng hợp tiềm năng của năng lượng Mặt trời 5

Bảng 1.2 Số liệu về bức xạ năng lượng Mặt trời của các vùng ở Việt Nam 6

Bảng 3.1 Thông số tấm pin mặt trời 50

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1 1 Mô hình điện mặt trời cho cơ quan, hộ gia đình 7

Hình 1 2 Cánh đồng pin năng lượng mặt trời (ven biển) 8

Hình 1 3 Lắp đặt pin năng lượng mặt trời trên mái nhà 8

Hình 1 4 Lắp đặt pin năng lượng mặt trời trên đồi núi 9

Hình 1 5 Phương pháp tổ hợp pin mặt trời 10

Hình 1 6 Cấu trúc chung của hệ thống khai thác pin mặt trời 11

Hình 1 7 Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2010 khu vực Đông Bắc 13

Hình 1 8 Phân bố nắng tại thị xã Bắc Kạn theo Global Solaratlas 14

Hình 2 1 Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời nối lưới 18

Hình 2 2 Mô hình tương đương của module PV 20

Hình 2 3 Quan hệ I(U) và P(U) của PV 21

Hình 2 4 Họ đặc tính của PV 22

Hình 2 5 Sơ đồ nguyên lý bộ giảm áp Buck 24

Hình 2 6 Sơ đồ nguyên lý mạch tăng áp 25

Hình 2 7 Sơ đồ nguyên lý mạch Buck-Boost 26

Hình 2 8 Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi Cuk 27

Hình 2 9 Sơ đồ mạch Cuk khi khóa SW mở thông dòng 28

Hình 2 10 Sơ dồ mạch Cuk khi khóa SW đóng 28

Hình 2 11 Bộ chuyển đổi DC/DC có cách ly 30

Hình 2 12 Chuyển đổi từ hệ tọa độ abc sang hệ tọa độ αβ 31

Hình 2 13 Chuyển đổi từ hệ qui chiếu αβ sang hệ qui chiếu dq 33

Hình 2 14 Cấu trúc của SOGI 34

Hình 2 15 Điều chế độ rộng xung dựa trên sóng mang hình sin 36

Hình 2 16 Biểu diễn véc tơ không gian của điện áp ra 37

Hình 2 17 Vòng lặp khóa pha cơ bản 40

Hình 2 18 Sơ đồ vòng khóa pha cùng với các chuyển đổi 42

Hình 3.1 Quan hệ I(U) và P(U) của PV 46

Hình 3 2 Đặc tính V-A của tải và của pin mặt trời 47

Hình 3.3 Lưu đồ thuật toán P&Q 48

Hình 3 4 Lưu đồ thuật toán INC 49

Hình 3 5 Sơ đồ mô phỏng thuật toán MPPT trên Psim 50

Hình 3 6 Đáp ứng hệ thống khi sử dụng thuật toán xáo trộn và quan sát 51

Hình 3 7 Đáp ứng hệ thống khi sử dụng thuật toán điện dẫn gia tăng 51

Hình 3 8 Cấu trúc điều khiển điện áp một chiều sử dụng bộ điều khiển PI 52

Hình 3 9 Sơ đồ khối của nghịch lưu nối lưới 56

Hình 3 10 Đồ thị véc tơ điện áp và dòng điện của biến tần 57

Hình 3.11 Sơ đồ nguyên lý SOGI 58

Hình 3 12 Vòng điều khiển dòng điện 61

Hình 3 13 Bộ điều khiển công suất 62

Hình 3.14 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển công suất 62

Hình 3.15 Đáp ứng công suất của pin theo bức xạ mặt trời 63

Hình 3 16 Đáp ứng điện áp một chiều 64

Hình 3 17 Đáp ứng công suất tác dụng của hệ thống 64

Hình 3.18 Đáp ứng công suất phản kháng của hệ thống 65

Hình 3.19 Đáp ứng điện áp, dòng điện nối lưới 65

1 Tính cấp thiết của đề tài

MỞ ĐẦU

Với sự phát triển không ngừng của nền công nghiệp trong đất nước Nhucầu về tiêu thụ năng lượng điện ngày càng tăng, vì vậy xu thế phát triển đadạng các nguồn năng lượng là một đòi hỏi tất yếu Hiện nay, các nguồn nănglượng tái tạo ở nước ta đã có một bước phát triển đó là đã xuất hiện một sốnhà máy phát điện sức gió nhưng mới dừng ở công suất 800KW, còn các nhàmáy có công suất lớn hơn thì vẫn đang được xây dựng hoặc mới chỉ là dự án.Việc khai thác nguồn năng lượng mặt trời và các dạng năng lượng tái tạo kháccòn rất nhiều hạn chế, mới chỉ dừng lại ở công suất nhỏ, việc khai thác nguồnnăng lượng mặt trời ở nước ta còn nhiều hạn chế, với qui mô nhỏ lẻ và tậptrung chủ yếu vào việc nghiên cứu, sử dụng trực tiếp năng lượng mặt trời (hệthống đun nước nóng, sấy hoa quả ).

Bang 1 Tiềm năng về năng lượng mặt trời ở việt Nam

Từ bảng số liệu trên cho thấy chúng ta có thể phát triển khai thác nguồnnăng lượng tái tạo này trên khắp cả nước Tuy nhiên tính đến thời điểm hiệntại vẫn chưa đạt được kỳ vọng

Đề tài nghiên cứu khảo sát tiềm năng phát triển khai thác nguồn nănglượng mặt trời tại tỉnh Bắc Kạn bằng việc thiết kế hệ thống điều khiển nhằmkhai thác được nguồn năng lượng mặt trời đưa vào phục vụ sản xuất và đời

sống, nhất là áp dụng cho các cơ quan cấp sở của tỉnh Bắc Kạn nhằm gópphần giảm tiêu hao năng lượng hóa thạch, đồng thời giảm phát thải khí gâyhiệu ứng nhà kính Nguồn năng lượng mặt trời phong phú với bức xạ nắngtrung bình là 4kWh/m2 /ngày Bên cạnh đó việc sử dụng năng lượng mặt trờinhư là một nguồn năng lượng tại chỗ để thay thế cho các dạng năng lượngtruyền thống đáp ứng nhu cầu năng lượng của các vùng dân cư không tậptrung là một kế sách có ý nghĩa về mặt kinh tế, an ninh quốc phòng và pháttriển văn hoá giáo dục…

Từ những đánh giá quan trọng trên chúng ta cần phải tiến hành nghiêncứu tiềm năng khai thác nguồn năng lượng mặt trời tại tỉnh Bắc Kạn cũng nhưnghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển nối lưới hệ thống này để cung cấp cho

một số cơ quan cấp sở của tỉnh Bắc Kạn Vì vậy tôi chọn đề tài: "Nghiên cứu khảo sát tiềm năng và thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới cho một số cơ quan cấp sở tại tỉnh bắc kạn".

2 Mục tiêu nghiên cứu

+ Xây dựng mô tả toán học của hệ thống phát điện nguồn áp xoay chiều(AC) được biến đổi từ năng lượng mặt trời (DC)

+ Thiết kế bộ điều khiển nối lưới hệ thống khai thác pin mặt trời nối lưới

- Mô phỏng:

Sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để mô phỏng kiểm chứng kết quả

3 Nội dung của luận văn

Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm các chương sau:

Chương 1: Khảo sát tiềm năng phát triển năng lượng mặt trời

Chương 2: Xây dựng cấu trúc điều khiển hệ thống năng lượng mặt trờinối lưới cho một số cơ quan cấp sở của tỉnh Bắc Kạn

Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển hệ thống năng lượng mặt trời nối lướimột pha

Kết luận và kiến nghị

Chương 1 KHẢO SÁT TIỀM NĂNG PHÁT TRIỂN NĂNG LƯỢNG

MẶT TRỜI1.1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

1.1.1 Khái niệm chung

Năng lượng mặt trời thu được trên trái đất là năng lượng của dòng bức xạđiện từ xuất phát từ mặt trời đến Trái đất Mặt trời là quả cầu lửa khổng lồ,trong lòng nó diễn ra phản ứng nhiệt hạch với nhiệt độ rất cao lên tới hàngtriệu 0C Trái đất sẽ tiếp tục nhận được dòng năng lượng này cho đến khi phảnứng hạt nhân trên mặt trời cạn kiệt, ước chừng của các Nhà khoa học làkhoảng 5 tỷ năm nữa Như vậy năng lượng mặt trời được coi là như vô tận sovới chuẩn mực của đời sống con người Mặt trời liên tục bức xạ ra không gianxung quanh với mật độ công suất khoảng 1353 W/m2 , đó chính là nguồn gốccủa mọi sự sống trên trái đất Khi xuyên qua khí quyển của trái đất một phầnnăng lượng mặt trời bị hấp thụ Kết quả tính toán cho thấy năng lượng mặttrời phân bố trên bề mặt trái đất với mật độ năng lượng trung bình, cứ mỗimét vuông hàng năm nhận được năng lượng từ mặt trời tương đương vớikhoảng 1,5 thùng dầu

Các nghiên cứu của con người đem lại có thể trực tiếp thu lấy năng lượngnày thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển năng lượng của bức xạ mặt trời(BXMT) thành điện năng (pin mặt trời) Năng lượng của các photon cũng cóthể được hấp thụ để làm nóng các vật thể, tức là chuyển thành nhiệt năng, ứngdụng cho bình đun nước mặt trời, các nhà máy nhiệt điện Mặt trời, các hệthống máy điều hòa mặt trời, v.v Trường hợp khác, năng lượng của cácphoton có thể được hấp thụ và chuyển hóa thành năng lượng trong các liên kếthóa học của các phản ứng quang hóa, v.v

Tiềm năng của năng lượng mặt trời trên thế giới:

Tiềm năng về năng lượng mặt trời của các nước trên thế giới là rất lớn.Tuy nhiên, phân bố không đều, mạnh nhất ở vùng xích đạo và những khu vựckhô hạn, giảm dần về phía hai địa cực Tiềm năng kinh tế của việc sử dụngnăng lượng Mặt trời phụ thuộc vào vị trí địa điểm trên Trái đất, phụ thuộc vàođặc điểm khí hậu, thời tiết cụ thể của vùng miền

Theo số liệu thống kê bức xạ trung bình của một địa điểm trên thế giớivào khoảng 2000 kWh/m2/năm, bảng 1 2

Bảng 1.1 Bảng tổng hợp tiềm năng của năng lượng Mặt trời

Tiềm năng của năng lượng mặt trời ở Việt Nam:

Về mặt vị trí địa lý, Việt Nam được hưởng một nguồn năng lượng mặt trời

vô cùng lớn Trải dài từ vĩ độ 23023’ Bắc đến 8027’ Bắc, Việt Nam nằm trongkhu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao Trong đó, nhiều nhấtphải kể đến thành phố Hồ Chí Minh, tiếp đến là các vùng Tây Bắc (Lai Châu,Sơn La, Lào Cai) và vùng Bắc Trung Bộ (Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh),bảng 1 3

Bảng 1 2 Số liệu về bức xạ năng lượng Mặt trời của các vùng ở Việt Nam

V G

i

ờ

KhảĐ

1.1.2 Mô hình sử dụng năng lượng mặt trời trong hệ thống cung cấp điện

Như đã phân tích, đặc điểm chung của các nguồn điện sử dụng nănglượng tái tạo đó là phân tán, công suất nhỏ và đang được hoàn thiện dần

về chất lượng điện năng cung cấp Hiện tại, các nguồn điện điện thuộcdạng này chủ yếu được khai thác dưới các hình thức sau: Mạng điện độclập, mạng điện có kế nối lưới và dần dần tiến đến trong tương lai gần làmạng điện thông minh

Đối với những vùng sâu vùng xa, nơi mà điện lưới quốc gia không có điềukiện vươn tới, như những khu vực biên giới hải đảo thì việc thiết lập mộtmạng điện độc lập là giải pháp duy nhất Trước đây, nguồn cung cấp chomạng điện độc lập chủ yếu là máy phát điện diesel với công suất từ vài chụcđên một vài trăm kW Ngày nay, việc sử dụng các nguồn năng lượng tái tạocho mạng điện độc lập đang được phổ cập Ví dụ như: hệ pin mặt trời, điệnsức gió, điện đại dương, V.V Mô hình mạng điện độc lập nguồn năng lượngtái tạo được phát triển đa dạng cả về loại nguồn và cấu trúc sơ đồ, đa dạng vềcông suất từ nhỏ đến vừa phù hợp cho cắc đối tượng ứng dụng khác nhau,

thậm chí dùng riêng cho một phụ tải hay một hộ gia đình Ví dụ như trên cáchình vẽ sau;

Sơ đồ trên hình 1.1 mô tả một mạng điện với nguồn được sử dụng ở đây làdạng pin mặt trời gồm các module kết nối thành hệ nguồn PV Array có điện

áp và công suất phù hợp Pin sản sinh ra điện một chiều qua bộ điều khiển nạpcho ắc quy có dung lượng 3116 Wh/ ngày Từ ắc quy, một nhánh cấp trực tiếpcho tủ lạnh chạy điện dc, một nhánh khác thông qua biến tần DC/AC cấp chocác tải xoay chiều trong cơ quan, hộ gia đình

Hình 1.1 Mô hình điện mặt trời cho cơ quan, hộ gia đình

1.1.3 Phương pháp khai thác nguồn năng lượng pin mặt trời

Hệ thống điện sử dụng năng lượng tái tạo nối lưới là một hệ thống chophép tích hợp điện năng của năng lượng điện của nhiều loại năng lượng táitạo nói chung và của năng lượng mặt trời nói riêng trong một bộ biến đổi điện

tử công suất để biến đổi thành điện xoay chiều 1 pha hoặc 3 pha có tần số50Hz (hoặc 60Hz) cung cấp trực tiếp cho tải hoặc nối với lưới điện quốc giahoặc lưới điện khu vực Hệ thống này rất linh hoạt trong lắp đặt và sử dụng và

là một bộ phận không thể thiếu được của lưới điện thông minh

Việc khai thác nguồn năng lượng mặt trời hiện nay đang phát triển rấtmạnh mẽ, nhất là ở các nước có nền kinh tế phát triển như Mỹ, TrungQuốc,… Có nhiều phương thức lắp đặt các tấm pin mặt trời để khai thácnguồn năng lượng này như: Lắp đặt ở ven biển thành dạng cánh đồng pin mặttrời (hình 1.2), lắp trên các mái nhà (hình 1.3), lắp đặt trên đồi núi (hình 1.4),v.v…

Hình 1.2 Cánh đồng pin năng lượng mặt trời (ven biển)

Hình 1.3 Lắp đặt pin năng lượng mặt trời trên mái nhà

Hình 1.4 Lắp đặt pin năng lượng mặt trời trên đồi núi

Nguồn pin mặt trời phổ biến hiện nay được cấu thành từ các chất bándẫn cấu trúc tinh thể (các nguyên tố thuộc phân nhóm chính nhóm IV trongbảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học) như Silicon, Germanium và hìnhthành một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượngbức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện bên trong Cácnguyên tố như Boron, Photpho, Gallium, Cadmium và Tellurium cũng được

sử dụng như các chất phụ gia để gia tăng khả năng dẫn điện cho PVg Khichiếu sáng lớp tiếp xúc p-n, các cặp điện tử - lỗ trống được tạo thành, do tácdụng của điện trường tiếp xúc nên các cặp bị tách ra, bị gia tốc về các phía đốidiện và tạo nên một sức điện động quang điện

Một đặc điểm cơ bản của pin mặt trời là luôn phát dòng điện một chiều

ra mạch ngoài khi có tải và bức xạ mặt trời chiếu vào Mối quan hệ giữa dòngđiện ipv và điện áp vpv phát ra từ PVg là một mối quan hệ phi tuyến phức tạp,trong đó công suất phát ra tại mỗi thời điểm phụ thuộc vào nhiệt độ T của lớptiếp giáp p-n, công suất của bức xạ mặt trời G và mức tiêu thụ của phụ tải.Đồng thời, quá trình chuyển từ trạng thái vận hành này sang trạng thái vận

hành khác là tức thời và không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố liên quan đếnquán tính.

Mặt khác, pin mặt trời luôn tồn tại một trạng thái vận hành mà công suấtphát ra là lớn nhất tương ứng với mỗi cặp giá trị (G, T) Khai thác được trạngthái vận hành này sẽ giúp khắc phục được nhược điểm hiệu suất thấp, giáthành cao của dạng nguồn này Điều này có thể đạt được nhờ điều chỉnhlượng tải hấp thụ tương ứng với công suất tại MPP

Hình 1.5 Phương pháp tổ hợp pin mặt trời

Xuất phát từ các cell đơn lẻ với công suất và điện áp nhỏ, PVg thườngđược sử dụng dưới dạng tổ hợp các cell thành module, tổ hợp các modulethành panel, tổ hợp các panel thành array như mô tả trên hình 1.1 Trong đó,các nhà sản xuất cung cấp ra thị trường các sản phẩm được đóng gói dướidạng các panel

1.1.4 Cấu trúc chung của hệ thống khai thác nguồn pin mặt trời

Năng lượng pin mặt trời được khai thác trong mạng điện cô lập hoặc kếtnối với lưới điện (1 pha hoặc 3 pha) qua các bộ biến đổi, máy biến áp (MBA).Cấu trúc chung của hệ thống này được mô tả trên hình 1.6

Các thông tin cần phải thu thập để thực hiện điều khiển, phân phối điệnnăng là vpv, ipv, G, T, điện áp Vdc trên DCbus, điện áp ug và dòng điện ig tạiđiểm kết nối lưới Các bộ điều khiển sử dụng các thông tin thu thập được đểtính toán, đưa ra các quyết định về xung điều khiển CS1, CS2, CS3 nhờ các kỹ

thuật điều khiển nhằm thực hiện các chức năng cơ bản hoặc nâng cao được

mô tả trên hình 1.6

Hình 1.6 Cấu trúc chung của hệ thống khai thác pin mặt trời

Để thực hiện được vai trò điều khiển dòng năng lượng từ PVg cung cấpcho phụ tải hoặc kết nối với lưới điện, các BBĐ đều sử dụng phần tử bán dẫnkhông điều khiển như diode hoặc khóa chuyển mạch SW có điều khiển nhưthyristor, GTO, BJT, MOSFET, IGBT kết hợp với các phần tử có khả năngtích, phóng năng lượng như tụ điện C, cuộn cảm L Với bộ biến đổi một chiều– một chiều DC/DC, sự thay đổi vị trí của SW có thể thực hiện vai trò tăng áp(boost), giảm áp (buck) hoặc vừa boost vừa buck Với bộ biến đổi một chiều –xoay chiều DC/AC, các SW được điều khiển phối hợp để điều tiết dòng nănglượng trong mỗi chu kỳ, qua đó thực hiện vai trò giữ Vdc ở giá trị không đổi,

Một số biện pháp nâng cao chất lượng và hiệu suất cho hệ thống khaithác PVg như vận hành tại MPP, sử dụng các BBĐ hiệu suất cao, kết hợp vớiđiện gió, cải tiến cell Trong đó có phân biệt các kỹ thuật tìm MPP thành hainhóm là nhóm kỹ thuật tìm kiếm và nhóm kỹ thuật dựa trên mô hình toán học.Nhóm kỹ thuật tìm kiếm dễ thực hiện với chi phí thấp nhưng mất nhiều thờigian mới hội tụ về MPP trong khi nhóm kỹ thuật dựa trên mô hình toán hội tụnhanh hơn nhưng đòi hỏi phải biết chính xác thông số của PVg, phải trang bịcác thiết bị đo G, T và phải sử dụng máy tính tốc độ cao.

Các nghiên cứu trong nước về vấn đề tìm MPP đều tập trung vào nhóm

kỹ thuật tìm kiếm như INC, P&O hay SC Việc quan sát dao động dựa trên kỹthuật FL thông qua việc so sánh công suất hiện thời với công suất lần lấy mẫutrước: nếu nhỏ hơn (hoặc lớn hơn) thì điều khiển điện áp đầu ra theo hướngngược lại, nếu không thì duy trì điện áp đầu ra không đổi Một số nghiên cứu

đã kết hợp kỹ thuật P&O và kỹ thuật FL để chia vùng đường cong vpv-ppv, nhờ

đó bộ điều khiển tự động giảm độ lớn bước nhảy khi điểm vận hành tiến dầnđến đỉnh Đồng thời các nghiên cứu cũng thực hiện xây dựng cấu trúc điềukhiển cho hệ ghép giữa PVg với điện gió hoặc pin nhiên liệu Một số nghiêncứu khác tập trung vào vấn đề điều khiển BBĐ, cải thiện các bộ biến đổi đểmang lại khả năng điều khiển dạng nguồn năng lượng tái tạo tốt hơn nhưBBĐ nguồn Z, BBĐ đa mức

Từ những vấn đề nghiên cứu chỉ ra ở trên cho thấy việc nghiên cứukhai thác hiệu quả nguồn năng lượng mặt trời cần được nghiên cứu phát triểnsâu rộng hơn nữa vì đây là một nguồn năng lượng sạch không gây ô nhiễm vàmất cân bằng sinh thái môi trường Với việc phát triển ngày càng cao về côngnghệ vật liệu nên việc khai thác nguồn năng lượng mặt trời ngày càng pháttriển rộng khắp trên thế giới không chỉ ở các nước phát triển mà còn có cả ởnhững nước đang phát triển như Việt Nam

1.2 TIỀM NĂNG KHAI THÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TAITỈNH BẮC KẠN

1.2.1 Tiềm năng nguồn năng lượng mặt trời của tỉnh Bắc Kạn

Các tỉnh thuộc khu vực Đông Bắc có số ngày năng trong năm so với cảnước ở mức trung bình Trung bình số ngày nắng trong năm của tỉnh Bắc Kạn

là 274,7 ngày/năm chiếm 75,3% số ngày trong năm có nắng, cũng giống nhưhầu hết các tỉnh thuộc khu vực Đông Bắc (phân bố giờ nắng các tỉnh thuộckhu vực Đông Bắc như hình 1.7), tỉnh Bắc Kạn có tổng số giờ nắng trongnăm là 1474,2 giờ tức là trung bình một ngày có từ 4 đến 5 giờ nắng như vậy

có thể cung cấp năng lượng cho các nhu cầu thiết yếu trong sinh hoạt như bếpđun năng lượng mặt trời, bình nước nóng hay các thiết bị sử dụng năng lượngđiện mặt trời Mặc dù theo bảng 1.2 mức độ bức xạ mặt trời của các tỉnh khuvực Đông Bắc ở mức thấp, tuy nhiên do tỉnh Bắc Kạn là một tỉnh miền núi vàcách xa nguồn điện quốc gia nên việc phát triển các hệ thống cung cấp điện sửdụng pin mặt trời giới hạn ở việc cung cấp cho các đơn vị cấp sở, hộ gia đìnhcủa tỉnh Bắc Kạn là có tính khả thi cao

Để thấy rõ hơn ta đi xem xét phân bố số giờ nắng giữa các tháng trongnăm tại khu vực Đông Bắc:

Hình 1.7 Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2010 khu vực Đông Bắc

Theo đánh giá về bản đồ năng lượng mặt trời toàn cầu của tổ chứcWORLD BANK GROUP thông qua trang web đánh giá trực tuyến www.

h t t p: / / g lo b a l s o l ar a tl a s i n f o / Kết quả đánh giá tiềm năng sử dụng năng lượngmặt trời tại thị xã Bắc Kạn – tỉnh Bắc Kạn – Việt Nam được thể hiện như trênhình 1.8:

Hình 1 8 Phân bố nắng tại thị xã Bắc Kạn theo Global Solaratlas

Từ hình trên cho thấy:

- Tổng bức xạ mặt trời: 1313 [kWh/m2]/năm, hay 3,597 [kWh/m2]/ngày

- Số năng lượng được chuyển đổi bởi hệ thống pin mặt trời: 1026[kWh/kWp] /năm hay 2,81[kWh/kWp]/ngày

1.2.2 Đánh giá tiềm năng

Đặc tính là khu vực miền núi, các hộ gia đình sống rải rác, việc tự cungcấp điện đối với từng hộ gia đình, nơi mà điện lưới khó đến được, đặc biệt là

1.2.2.2 Khó khăn

- Khó khăn hàng đầu phải kể đến là chi phí ban đầu lớn, khi mà giá thànhcho những tấm pin mặt trời hay các thiết bị thu năng lượng mặt trời còn quálớn so với thu nhập của người dân, thì việc có ứng dụng được các thiết bị sửdụng năng lượng mặt trời ở Bắc Kạn được hay không còn phụ thuộc rất lớnvào các chính sách hỗ trợ cho vùng núi của nhà nước cũng như các tổ chứcnước ngoài khác

- Khi đời sống của người dân được nâng cao, nhu cầu sử dụng điện cũngnhư các thiết bị năng lượng mặt trời lớn hơn, với các thiết bị điện năng lượngmặt trời phụ thuộc vào thiết bị công nghệ của nước ngoài, giá thành cao, trong

nước chưa làm chủ được công nghệ thiết bị nên gặp khó khăn trong quá trìnhtriển khai ứng dụng và sửa chữa, bảo dưỡng thiết bị;

1.3 ĐÁNH GIÁ THỰC TRẠNG VIỆC SỬ DỤNG ĐIỆN TẠI ĐƠN VỊ CẤP

SỞ CỦA TỈNH

Tỉnh Bắc Kạn hiện nay có 15 Sở, 9 cơ quan ngang Sở, và 8 UBND cáchuyện thị, hiện nay đang sử dụng trực tiếp điện lưới quốc gia thông qua cáctrạm biến áp phân phối do ngành Điện quản lý, do đó nhu cầu tích trữ điệnnăng bằng acquy đối với khối cơ quan này không thực sự cần thiết Khối cơquan công sở của tỉnh Bắc Kạn có chung đặc điểm về việc sử dụng điện chủyếu vào ban ngày, trong khung giờ từ 7h đến 18h hàng ngày Thiết bị điện sửdụng chủ yếu 1 pha bao gồm các máy tính, máy in, máy văn phòng, điều hoà,chiếu sáng các thiết bị này luôn có nhu cầu cấp nguồn điện liên tục và cần

có các nguồn điện dự phòng cho thời điểm mất điện lưới, có thể là bộ lưu điện(UPS) hay máy phát điện dự phòng Thiết bị nguồn dự phòng UPS thường chỉcấp nguồn dự phòng trong thời gian ngắn vài chục phút, nếu tăng thời giancấp nguồn cần chi phí đầu tư lớn cho ăcquy; Còn đối với máy phát khi sửdụng sẽ ô nhiễm tiếng ồn lớn và chi phí nhiên liệu cao; Trong trường hợp này,điện mặt trời là sự lựa chọn phù hợp

Từ đánh giá trên có thấy việc triển khai ứng dụng khai thác nguồn năng lượng mặt trời nối lưới phục vụ cho một số đơn vị cấp sở của tỉnh Bắc Kạn là phù hợp với tiềm năng của nguồn năng lượng mặt trời phân

bố có mức độ lớn tại Thành phố Bắc Kạn của tỉnh Bắc Kạn và nhu cầu của các đơn vị cấp sở của tỉnh hiện nay.

1.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Chương 1 đã giải quyết được những vấn đề sau:

- Tổng quan về nguồn năng lượng pin mặt trời

- Tiềm năng nguồn năng lượng mặt trời trên thế giới và ở Việt Nam

- Đánh giá tiềm năng phát triển khai thác nguồn năng lượng mặt trời củatỉnh Bắc Kạn và tính khả thi trong việc ứng dụng thiết kế hệ thống cung cấpđiện sử dụng nguồn năng lượng mặt trời cho một số đơn vị cấp sở của tỉnhBắc Kạn.

Trong các phần tiếp theo của luận văn, cần xây dựng được cấu trúc điềukhiển hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới cho một số cơ quan cấp sở củatỉnh Bắc Kạn

Chương 2 XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI CHO

CƠ QUAN CẤP SỞ CỦA TỈNH BẮC KẠN

2.1 MỞ ĐẦU

Để cung cấp điện pin mặt trời cho một số cơ quan cấp sở của tỉnh BắcKạn, luận văn đề xuất giải pháp xây dựng cấu trúc điều khiển hệ thống nănglượng mặt trời nối lưới một pha (không sử dụng Ắc quy)

2.2 CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI

Sơ đồ khối của hệ thống điện mặt trời nối lưới được biểu diễn trên Hình2.1, gồm các khối chức năng chính sau:

Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời nối lưới

- Khối Modul quang điện (PV)

- Khối biến đổi một chiều - một chiều (DC/DC)

- Khối biến đổi Một chiều - Xoay chiều

- Khối lọc có nhiệm vụ lọc các sóng hài của điện áp và dòng điện do bộ

- Khối điều khiển

- Lưới

2.3 PIN MẶT TRỜI (PV - Photovoltaic)

2.3.1 Khái niệm

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

bị b á n d ẫ n c hứa lượng lớn các đ iô t p- n , duới sự tác động của á n h s á n g m ặt

t r ờ i có khả năng tạo ra dòng ệ n sđi ử dụng được Sự chuyển đổi này gọi là ệ u hi

ứ n g qu a n g đ i ệ n

Pin n ă n g l ư ợ n g m ặt trời bao gồm nhiều tế bào quang điện được kết nốithành các odm u l h ay các m ả n g n ă n g lư ợ n g m ặt t rờ i Số tế bào quang điệnđược sử dụng trong tấm pin tùy theo công suất và điện áp yêu cầu

Hiệu suất pin mặt trời là tỉ số giữa năng lượng điện pin mặt trời có thể phát ra và năng lượng từ ánh sáng mặt trời tỏa nhiệt trong 1m² hiệu suất của pin mặt trời thay đổi từ 6% - 30% tùy theo loại vật liệu và hình dạng tấm pin.Pin mặt trời được sản xuất và ứng dụng phổ biến hiện nay là các pin mặttrời được chế tạo từ vật liệu tinh thể bán dẫn Silicon (Si) có hoá trị 4 Từ tinhthể Si tinh khiết, để có vật liệu tinh thể bán dẫn Si loại n, người ta pha tạp chấtDonor là Photpho (P) có hoá trị 5 Còn để có vật liệu bán dẫn tinh thể loại p thìtạp chất Acceptor được dùng để pha vào Si là Bo có hoá trị 3 Đối với pin mặttrời từ vật liệu tinh thể Si khi được chiếu sáng thì hiệu điện thế hở mạch giữahai cực vào khoảng 0,55V, còn dòng ngắn mạch của nó dưới bức xạ mặttrời

1000W/m2 vào khoảng (2530) mA/cm3 Hiện nay cũng đã có các pin mặttrời bằng vật liệu Si vô định hình (a-Si) Pin mặt trời a-Si có ưu điểm là tiếtkiệm được vật liệu trong sản xuất do đó có thể có giá thành rẻ hơn Tuy nhiên,

so với

pin mặt trời tinh thể thì hiệu suất biến đổi quang điện của nó thấp và kém ổnđịnh khi làm việc ngoài trời

Năng lượng mặt trời được tạo ra từ các tế bào quang điện (PV) là mộttrong những nguồn năng lượng tái tạo quan trọng do lợi thế như không cầnchi phí nhiên liệu, bảo trì ít và không có tiếng ồn và mòn do sự vắng mặt của

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

2.3.2 Mô hình toán và đặc tính làm việc của pin mặt trời

Mô hình toán học của tế bào quang điện đã được nghiên cứu trong nhiềuthập kỷ qua [9] Mạch điện tương đương của mô hình tế bào quang điện baogồm: Dòng quang điện, Điôt, điện trở song song (dòng điện dò), điện trở nốitiếp được chỉ ra trên hình 2.2 Ta có:

 qU d

là nhiệt độ tuyệt đối của tế bào (0K); Vd là điện áp trên điôt (V); Rp là điện trởsong song.

Hình 2 2 Mô hình tương đương của module PV

Dòng quang điện Igc phụ thuộc trực tiếp vào bức xạ mặt trời và nhiệt độpin, được tính theo công thức (2.2)

G

(2 2)

Với: µsc là hệ số phụ thuộc nhiệt độ của dòng ngắn mạch (A/0C); Tref lànhiệt độ tham chiếu của tế bào quang điện (0K); Tc là nhiệt độ làm việc của tếbào quang điện (0K); Isc là dòng điện ngắn mạch trong điều kiện chuẩn (nhiệt

dữ liệu do nhà sản xuất cung cấp.

I SC

P, I

I(U) MPP P(U)

Đặc tính làm việc của pin mặt trời thể hiện qua đường đặc tính I(U) haithông số là điện áp hở mạch UOC (khi dòng điện ra bằng 0) và Dòng điện ngắnmạch ISC (khi điện áp ra bằng 0).

Công suất của pin được tính theo công thức:

P = U.I (2 5)Tiến hành mô phỏng ta thu được họ đặc tính I(U) và đặc tính P(U) củapin mặt trời như hình 2.4a,b,c,d:

Hình 2.4 Họ đặc tính của PV

Trong đó hình 2.4a,b là đặc tính P(U) và đặc tính I(U) của PV với cácmức bức xạ khác nhau; hình 2.4c,d là đặc tính P(U) và đặc tính I(U) của PVvới nhiệt độ khác nhau Từ đó ta có nhận xét sau:

- Dòng ngắn mạch Isc tỉ lệ thuận với cường độ bức xạ mặt trời và ít thay

- Điện áp hở mạch tỉ lệ nghịch với nhiệt độ và ít thay đổi theo bức xạmặt trời

- Công suất modul PV thay đổi nhiều theo cả bức xạ mặt trời và nhiệt độtấm PV Mỗi đường đặc tính P(U) có một điểm ứng với công suất lớn nhất,gọi là điểm công suất cực đại (MPP - Max Power Point)

2.4 BỘ BIẾN ĐỔI MỘT CHIỀU - MỘT CHIỀU (DC/DC)

2.4.1 Chức năng

Bộ biến đổi 1 chiều 1 chiều có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều vềtrị số phù hợp với điện áp một chiều đặt vào bộ nghịch lưu (thường 300 -600V) và duy trì ổn định điện áp đó để hòa vào thanh cái một chiều (DC-Bus) cùng với điện áp của các nguồn năng lượng tái tạo khác (nếu có) Đồngthời thông qua bộ biến đổi DC/DC này để thực hiện điều khiển bám điểmcông suất cực đại cho hệ thống

Các bộ biến đổi DC/DC được chia làm 2 loại: Có cách ly và loại khôngcách ly Loại cách ly sử dụng máy biến áp cao tần, chúng cách ly nguồn điệnmột chiều đầu vào với nguồn một chiều ra và tăng hay giảm áp bằng cáchđiều chỉnh hệ số biến áp Loại này thường được sử dụng cho các nguồn cấpmột chiều sử dụng khoá điện tử và cho hệ thống lai Loại DC/DC không cách

ly không sử dụng máy biến áp cách ly Chúng luôn được dùng trong các bộđiều khiển động cơ một chiều Các loại bộ biến đổi DC/DC thường dùngtrong hệ PV gồm:

- Bộ giảm áp (buck)

- Bộ tăng áp (boost)

- Bộ biến đổi tăng - giảm áp (Cuk)