TIỀM NĂNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP KỸ THUẬT KHAI THÁC HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG ĐIỆN TỪ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Ở VIỆT NAM

Bài báo này nghiên cứu về tiềm năng năng l ợng m t trời và các giải pháp kỹ thuật - công nghệ ể khai thác hiệu quả năng l ợng iện từ năng l ợng m t trời ở Việt Nam.. Kết quả th[r]

TIỀM NĂNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP KỸ THUẬT KHAI THÁC HIỆU QUẢ NĂNG

LƯỢNG ĐIỆN TỪ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Ở VIỆT NAM

Trần Văn Hải, Bùi Văn Hiền

Khoa CN KT Điện – Điện Tử Trường ĐH Công nghiệp Thực phẩm TP.HCM

TÓMTẮT

Bài báo này nghiên cứu về tiềm năng năng l ợng m t trời và các giải pháp kỹ thuật - công nghệ ể khai thác hiệu quả năng l ợng iện từ năng l ợng m t trời ở Việt Nam Dự tr n á phân tí h u iểm và nh ợc iểm của các giải pháp kỹ thuật tr ây, giải thuật d tìm iểm công su t cự ại cải tiến (D_PO) ợ ề xu t

nh m thu ợc công su t của nguồn năng l ợng iện m t trời là l n nh t Kết quả thực nghiệm của mô hình thi ông hứng tỏ tính hiệu quả của giải thuật D_PO ề xu t

POTENTIALSANDENGINEERINGSOLUTIONS TO EXPLOIT EFFECTIVELY

ELECTRICAL ENERGY FROM SOLAR ENERGY IN VIETNAM

ABSTRACT

This paperstudiesthe potentialsolar energyandengineering-technologysolutions to exploit effectively electrical energy from solar energy in Vietnam Basedontheanalysis ofadvantagesanddisadvantages oftheprior engineeringsolutions, the algorithmimprovement max power point tracking (D_PO) is proposedto obtainthe power ofsolarenergy which ismaximum The experimental resultsof execution modelhave provedthe effectivity ofthe proposedalgorithmD_PO.

I GIỚI THIỆU

Trong các nguồn năng l ợng tái tạo, năng l ợng m t trời ng dần trở nên r t phổ biến bởi vì chúng có nhiều u iểm trong ph ơng pháp phát iện, chí phí bảo d ỡng th p, an toàn

ho ng ời s dụng và không gây ô nhiễm môi tr ờng Tuy nhiên, ở thời iểm hiện tại giá thành pin m t trời còn khá cao Công su t phát ra bởi pin m t trời lại phụ thu c trực tiếp vào bức xạ, nhiệt v iều kiện thời tiết Đ c tuyến công su t- iện áp (P-V) v d ng iện- iện

áp (I-V) của pin m t trời lại không tuyến tính, tr n ờng c tuyến tồn tại m t iểm làm việc cự ại (MPP) mà ở ông su t phát ra của pin m t trời là l n nh t Nh ng iểm này không phải là h ng số, h ng luôn th y ổi theo nhiệt và bức xạ Vì vậy, d tìm iểm làm việc cự ại của pin m t trời (MPPT) phải ợc s dụng ể pin m t trời luôn làm việc tại iểm này, nh m nâng cao hiệu su t của pin m t trời

Trên thế gi i nhiều nghiên cứu về MPPT: ph ơng pháp iện áp h ng số (k) [3],

ph ơng pháp P&O [4]

Ph ơng pháp iện áp h ng số (k) nh ợ iểm là phụ thu c vào giá tr tối u k v năng l ợng cung c p b gián oạn

Ph ơng pháp P&O nh ợ iểm là tố áp ứng không theo k p v i th y ổi t

ng t của nhiệt môi tr ờng và bức xạ m t trời, có sự d o ng iện áp gần iểm công su t

cự ại, gây tổn th t năng l ợng

Để khắc phụ á nh ợ iểm củ h i ph ơng pháp tr n, nh m nghi n ứu ề xu t

ph ơng pháp P&O cải tiến (D_P&O) pin m t trời luôn làm việc tại iểm cự ại

II PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN

1 Tiềm năng năng lượng mặt trời ở Việt Nam

Nguồn năng l ợng m t trời ợ ánh giá l nguồn năng l ợng dồi d o v ợc thiên nhiên ban t ng r ng khắp toàn thế gi i (Hình 1.1)

Hình 1 Bản đồ cường độ bức xạ năng lượng mặt trời trung bình trên toàn thế giới

(Nguồn: national renewable energy laboratory (NREL); Illustration: Bryan Christie Design)

Việt N m ũng l quốc gia n m trong vùng ờng bức xạ năng l ợng m t trời

t ơng ối l n c biệt là các tỉnh phía nam (Hình 1.2)

Hình 1.2 Phân bố tổng số giờ nắng 3 tháng 1,2,3 năm 2011

Theo số liệu thống kê về ờng bức xạ m t trời (kWh/m2/ngày) và số giờ nắng (giờ/ngày) của các khu vực chính trong cả n c trong bảng 1.1 và 1.2 cho th y: khu vực từ Đ Nẵng trở v o phí n m ờng bức xạ và số giờ nắng trung bình m t ng y t ơng ối cao

r t phù hợp ể kh i thá năng l ợng iện từ m t trời

Bảng 1.1 Số liệu cường độ bức xạ mặt trời trung bình cho các khu vực

TB năm

Quảng Ninh 2,1 2,2 2,5 2,5 4,6 4,0 3,9 4,2 4,4 3,8 3,6 3,0 3,4

H N i 2,1 2,2 2,3 3,3 5,3 5,5 5,7 5,2 4,8 4,1 3,4 3,0 3,8 Nghệ An 1,8 2,2 2,3 3,3 5,1 5,3 5,7 4,7 4,0 3,1 2,0 2,0 3,4

Đ Nẵng 3,5 4,3 5,2 5,8 6,4 5,9 6,5 5,7 5,2 4,2 3,0 2,5 4,8 TP.HCM 5,1 6,3 6,6 5,7 5,0 4,9 5,1 5,0 4,8 4,5 4,3 4,6 5,2

C M u 5,3 5,5 6,2 5,3 4,1 4,2 4,3 4,2 4,2 4,2 4,3 4,4 4,6

Ph Quố 5,0 5,5 5,7 5,7 4,9 4,3 4,4 4,1 4,3 4,6 4,8 4,9 4,8

Bảng 1.2 Số giờ nắng trung bình trong ngày theo từng tháng cho các khu vực

Quảng Ninh 1,9 2,0 2,4 3,7 5,3 4,5 5,4 5,6 5,5 4,2 3,6 2,9 3,9

Hà N i 2,2 1,6 1,4 2,7 5,3 5,2 5,9 5,3 5,4 5,3 4,2 3,5 4,0 Nghệ An 2,6 1,7 2,3 4,6 7,3 6,7 7,6 5,8 5,2 4,6 3,2 2,8 4,5

Đ Nẵng 4,4 5,1 3,4 6,9 8,3 7,9 8,3 6,7 5,8 4,7 4,0 3,6 5,8 TP.HCM 7,9 8,8 8,8 7,7 6,3 5,7 5,8 5,6 5,4 5,9 6,7 7,2 6,8

Cà Mau 8,3 8,9 9,3 8,8 6,9 5,9 6,0 5,8 5,6 5,7 6,3 6,7 7,0 Phú Quốc 7,7 8,8 8,8 7,7 6,9 6,3 6,0 5,8 5,7 6,3 6,7 5,7 6,4

2 Các giải pháp kỹ thuật khai thác hiệu quả năng lƣợng điện từ mặt trời ở Việt Nam

Các giải pháp ợ ề xu t nh m h ng t i hai mục tiêu trọng iểm sau:

Giảm giá th nh phát iện trong phạm vi ch p nhận ợc phù hợp iều kiện kinh tế xã

h i của Việt N m trong t ơng l i

Giải quyết á nh ợ iểm l n củ năng l ợng m t trời ũng nh năng l ợng tái tạo nói chung về các m t công su t, giá th nh ầu t , phân tán và sự phụ thu c vào thiên nhiên

2.1 Cấu trúc lại hệ thống điện

Hệ thống truyền tải quốc gia v i mô hình liên kết cứng (Hình 1.3) có nhiều u iểm hiện tại, nh ng sẽ b t cập ối v i những nhà máy công su t nhỏ, phân tán l n nh iện m t trời

V i những n t c thù củ iện m t trời ( phân tán, cục b ) r t phù hợp v i l i phân tán ho c kết nối l i trong phạm vi hẹp, iều này sẽ giảm thiểu tổn th t ũng nh giảm th p

hi phí h l i, chi phí vận h nh v giá th nh án iện chắc chắc sẽ giảm theo

Hình 1.3 Mô hình hệ thống điện truyền thống

V i hệ thống iện thông minh (Hình 1.4), trong hệ thống iện á nh máy phát iện

ợc bố trí phân tán xen kẽ các trung tâm phụ tải v c biệt sẽ có thêm các nhà máy phát iện năng l ợng tái tạo tham gia vào hệ thống

Hình 1.4 Mô hình hệ thống điện thông minh

2.3.Bộ chuyển đổi DC/DC (Converter)

B biến ổi DC DC ợc s dụng r ng rãi trong nguồn iện m t chiều (DC) ể chuyển

ổi nguồn DC không ổn nh thành nguồn iện DC có thể iều khiển ợc Trong hệ thống pin m t trời, b biến ổi DC DC ợc kết hợp ch t chẽ v i ph ơng pháp d tìm ông su t cực

ại (MPPT-Max Power Point Tracking) MPPT s dụng b biến ổi DC DC ể iều chỉnh nguồn iện áp vào l y từ nguồn pin m t trời, chuyển ổi và cung c p iện áp l n nh t phù hợp

v i tải B biến ổi DC/DC gồm m t khoá iện t , m t cu n cảm ể giữ năng l ợng, và m t iôt d n dòng

Việc chọn loại DC/DC nào dùng trong hệ PV còn tu thu c vào yêu cầu của ắc quy và tải ối v i iện áp ra của dãy panel m t trời

B giảm áp buck có thể nh ợ iểm làm việc có công su t tối u mỗi khi iện áp

v o v ợt quá iện áp ra của b biến ổi, tr ờng hợp này ít thực hiện ợ khi ờng bức

xạ của ánh sáng xuống th p

B tăng áp oost [1] thể nh iểm làm việc tối u ng y ả v i ờng ánh sáng yếu Hệ thống làm việc v i l i dùng b oost ể tăng iện áp ra c p cho tải tr khi vào b biến ổi DC/AC

Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý mạch boost

Nguyên lý hoạt ng của b tăng áp oost dự v o tính l u trữ v tí h ph ng năng

l ợng của cu n dây

Khi S ng ho d ng qua (TON) d ng iện từ nguồn chạy qua cu n dây, năng l ợng từ

tr ờng ợ tí h lũy trong u n dây Không d ng iện chạy qu iốt D và dòng tải ợc cung c p bởi tụ iện C

Hình 1.6 Dạng sóng điện áp và dòng điện trên cuộn dây L khi S đóng

Khi :

dt

di L V

d

L

V dt

L

DT V )

i

closed

Khi S mở (TOFF), d ng iện cảm ứng chạy vào tải qu iốt ũng nh nạp lại cho tụ iện

C

Hình 1.7 Dạng sóng điện áp và dòng điện trên L khi S mở

dt

di L V V

0 d

L

V V dt

T ) D 1 (

i t

i

dt













L

T ) D 1 )(

V V ( )

i

opened

L







Năng l ợng l u trữ trong cu n dây b ng 0 khi kết thúc chu k :

0 )

i ( )

i

( L closed   L opened 

0 L

T ) D 1 )(

V V ( L

DT

Từ (1.3), ta có:

D

1

V

2.4 Điểm làm việc cực đại của Pin mặt trời

M t l p tiếp xúc bán d n p-n có khả năng iến ổi trực tiếp năng l ợng bức xạ m t trời

th nh iện nhờ hiệu ứng qu ng iện ợc gọi là pin m t trời

Về ơ ản, tr n ờng c tuyến P-V của pin m t trời tồn tại m t iểm công su t cực

ại ứng v i d ng iện v iện áp t ơng ứng [2]:

Hình 1.8 Đặc tính I-V, P-V của pin mặt trời

Tuy nhi n, iểm cự ại này lại không cố nh, h ng luôn th y ổi theo á iều kiện môi tr ờng Vì vậy, chúng ta cần iều khiển iện áp ho d ng iện ể thu ợc công su t

cự ại từ pin m t trời khi nhiệt và bức xạ th y ổi s dụng b d tìm iểm công su t cực

ại

Khi pin m t trời ợc nối trực tiếp v i tải, iểm vận hành của pin m t trời ợ iều khiển bởi tải

Hình 1.9 Điểm làm việc phụ thuộc vào thông số của R

Tổng trở của tải ợc miêu tả nh s u:

0

0 LOAD

I

V

Trong : Vo, Io l iện áp v d ng iện phát ra của pin m t trời

Tổng trở tối u ủa tải cho pin m t trời ợc miêu tả nh s u:

MPP

MPP OPT

I

V

Trong : VMPP, IMPP l iện áp v d ng iện phát ra của pin m t trời tại iểm tối u Khi giá tr RLOAD b ng v i ROPT, công su t cự ại sẽ ợc truyền từ pin m t trời ến tải Tuy nhiên, trong thực tế hai tổng trở này lại không b ng nhau Mụ í h ủa b MPPT là iều chỉnh tổng trở tải nhìn từ phía nguồn b ng v i tổng trở tối u ủa pin m t trời

Thông th ờng b biến ổi DC DC (tăng áp, giảm áp) ợc phục vụ cho việc truyền công su t từ pin m t trời t i tải B DC/DC hoạt ng nh thiết b giao tiếp giữa tải và pin

m t trời B ng việ th y ổi r ng xung, tổng trở tải nhìn từ phía nguồn sẽ ợ th y ổi

b ng v i tổng trở nguồn tại iểm cự ại, vì vậy công su t cự ại ợc cung c p cho tải Đối v i mạ h tăng áp Boost onverter, từ biểu thức (1.4), mối quan hệ giữ iện áp ầu

v o v ầu r ợc miêu tả nh s u [5]:

OUT

IN ( 1 D ) V

Hình 1.10 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển pin mặt trời

Giả s , không có công su t tổn hao, ta có:

OUT

IN P

IN OUT OUT

IN

V

V I

I



) D 1 (

1 I







Tổng trở ầu vào của b biến ổi DC/DC là: RIN (1D)2ROUT

Trong : D l hệ số làm việc của b biến ổi Boost

Vì vậy, tổng trở ROUT ợc duy trì h ng số b ng việ th y ổi r ng xung, khi RIN

nhìn từ phía nguồn sẽ ợ th y ổi

Hình 1.11 Mối quan hệ giữa tổng trở vào của mạch Boost và D

Hình vẽ 1.11 cho th y việ tăng D sẽ làm giảm tổng trở vào Rin, từ iện áp làm việc

sẽ d ch sang bên trái (giảm i) T ơng tự khi giảm D sẽ l m tăng Rin khi iện áp làm việc

sẽ d ch sang phải (tăng l n) Thuật toán MPPT ( iện áp h ng số, P&O, D-P&O, …) sẽ quyết

nh việc d ch chuyển iện áp nh thế n o ể hệ thống pin m t trời (PV) làm việc tại iểm

cự ại, phát công su t cự ại cung c p cho tải

2.5 Các phương pháp tìm điểm cực đại của pin mặt trời

2.5.1 Phương pháp điện áp hằng số (k)

Cơ sởchocácthuật toán iện áp không ổilà quan sáttừ ờng congI-V giốngnh hình 1.8, tỷsố giữa iện áp tối ủa pin m t trời(VMPP) và iện áphở mạchcủa nó (VOC) là h ng số, nói cách khác:

1 K V

V

OC

Các thuật toán iện áp không ổi có thể ợc thực hiện b ng cách s dụng sơ ồ thể hiện trong hình 1.12 B pin m t trời tạm thời b cô lập từ MPPT, v ợc thực hiện m t phép

o VOC Tiếp theo, MPPT tính toán iểm hoạt ng chính xác b ng cách s dụng ph ơng trình (1.5) và giá tr cho những thiết lập củ K, v iều chỉnh iện áp củ pin ho ến khi

ợc tính VMPP ạt Hoạt ng n y ợc l p i l p lại theo nh k ể theo dõi v trí của MPP

Kh khăn l n nh t củ ph ơng pháp n y l họn giá tr tối u ủa K Các nghiên cứu thực nghiệm gần ây họn h ng số k có giá tr từ 0,75 ến 0,85 b t kể nhiệt môi trời, bức

xạ m t trời và thông số của pin Vì vậy, ph ơng pháp n y u iểm l ơn giản, chi phí chế tạo th p

Hình 1.12 Lưu đồ thuật toánđiện ápkhông đổi

Ph ơng pháp iện áp h ng số ạt ợc mụ í h hiệu chỉnh giá tr iện áp vận hành

ến giá tr iện áp cự ại Giá tr iện áp tham chiếu phụ thu c vào h ng số k v iện áp hở mạch VOC Tuy nhiên, thực tế hệ số k không phải là h ng số, n th y ổi theo nhiệt môi

tr ờng và bức xạ m t trời, tại nơi ạt pin Vì vậy, việc chọn giá tr k trong khoảng từ 0,73 ến 0,8 là thiếu chính xác v i á iều kiện môi tr ờng Điều này l m ho ph ơng pháp h d

ợ iểm công su t cự ại thực sự Hơn nữ , ể o ợc VOC, phải ngắt kết nối pin m t trời khỏi mạ h phí s u n Năng l ợng cung c p b gián oạn, ơ u ng ắt phức tạp

2.5.2 Phương pháp P&O

Trong số t t cả các kỹ thuật MPPT, ph ơng pháp P&O l phổ biến v ợc áp dụng

r ng rãi nh t Nguyên tắ ơ ản củ ph ơng pháp n y ợc minh họa trong hình 1.13

Ưu iểm củ ph ơng pháp n y l ơn giản, dễ thực hiện và chi phí th p Tuy nhiên, tốc

áp ứng không theo k p v i th y ổi t ng t của nhiệt môi tr ờng và bức xạ m t trời Hơn nữa, có sự d o ng iện áp gần iểm công su t cự ại, gây tổn th t năng l ợng

Hình 1.13 Lưu đồ giải thuật P&O

2.5.3 Phương pháp P&O cải tiến (D_P&O)

Từ nh ợ iểm củ ph ơng pháp iện áp h ng số v ph ơng pháp P&O, tá giả ề xu t

m t ph ơng pháp D_P&O, khắc phụ ợ á nh ợ iểm l n củ 2 ph ơng pháp tr n

Theo ph ơng pháp iện áp h ng số, VMPP ≈ (0 75÷0 85)VOC Nh ng ể o ợc VOC, ta phải ngắt pin m t trời ra khỏi hệ thống, iều này sẽ d n ến th t thoát công su t hay dùng pin

m u ể o iện áp VOC nh ng sẽ làm giá thành hệ thống tăng o v ôi khi ảnh h ởng bởi

á iều kiện bóng mờ Nh vậy ta có thể chọn gi i hạn d i VLOW ≤ (0 75VOC.REF) và VHIGH

≥ (0 85VOC.REF) Trong VOC.REF l iện áp hở mạch tại nhiệt chuẩn củ PV ợc cho bởi nhà sản xu t

Hình 1.14 Phân chia các vùng tìm điểm MPP của PV

Start

Sense V(k), I(k) Set V HIGH , V LOW

V(k) < V LOW

Decrease Vref with big error

Increase Vref with big error

Return

Delay P(k)&I(k) by k-1 instant P(k-1), V(k-1) P(k) = V(k)xI(k)

ΔP=P(k) - P(k-1) ΔV=V(k) - V(k-1)

V(k) > V HIGH

ΔP = 0 NO

ΔP > 0

ΔV > 0

YES

Increase Vref with small error

Decrease Vref with small error

ΔV > 0

Decrease Vref with small error

Increase Vref with small error

Hình 1.15 Giải thuật D-P&O đề xuất

Nh vậy, chỉ khi pin m t trời ng hoạt ng ở vùng cự ại, nếu số gia công su t b ng

0 (ΔP = 0) khi t m i duy trì iện áp VREF, h y r ng xung ở c (k-1) Ng ợc lại nếu ở ngoài vùng này ta v n sẽ cho hệ thống tăng h y giảm giá tr VREF tùy thu v o iểm làm việc

ng ở v trí n o tr n c tuyến Điều này sẽ tránh cho pin m t trời làm việ s i iểm MPP Hơn nữa khi pin m t trời ng l m việc ở vùng cự ại, nếu có sự th y ổi trong số gia công su t, giải thuật sẽ iều chỉnh giá tr VREF h y r ng xung v i gia số nhỏ, iều này giúp cho hệ thống làm việc ổn nh, h y d o ng công su t v iện áp nhỏ Chẳng hạn nếu nh

ΔP > 0 v ΔV > 0 hứng tỏ r ng công su t pin m t trời có thể cung c p hơn nữ , nh vậy giải thuật sẽ tăng giá tr VREF hay giảm r ng xung ể ẩy công su t pin m t trời l n iểm làm việc m i o hơn iểm làm việ ũ

III KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

Các kết quả thực nghiệm trình y d i ây ợc thực hiện v i panel pin m t trời có các thông số kỹ thuật nh s u: Ec = 1000W/m2; Tc = 250C; Pmax = 40W; U m = 17,64V; I m = 2,27A; VOC = 21,6V; ISC = 2,56A

Khi không s dụng b iều khiển MPPT trong mô hình:

(a) Đo điện áp (b) Đo dòng điện Hình 1.16 Kết quả thực nghiệm đo điện áp, dòng điện nguồn pin mặt trời khi không sử

dụng bộ điều khiển MPPT

U = 18,21 (V); I = 1,63 (mA)  P = U.I = 18,21.0,00163 = 0,03 (W)

Khi s dụng b iều khiển MPPT trong mô hình v i giải thuật D-PO:

Hình 1.17 Kết quả thực nghiệm mô hình khi sử dụng bộ điều khiển MPPT với giải thuật

D-PO

U = 13,1 (V); I = 2,75 (A); P = 36,0 (W)