Áp dụng thuật toán stochastic fractal search tính toán tối ưu dung lượng các thành phần trong hệ thống microgrid vận hành độc lập

Với sự đa dạng của nguồn năng lượng đầu vào, hệ thống microgrid là nguồn cung cấp đa dạng các bài toán về tối ứu hóa và tối ưu dung lượng là một trong những vấn đề được nghiên cứu khá nh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

HỒ TRƯỜNG GIANG

ÁP DỤNG THUẬT TOÁN STOCHASTIC FRACTAL SEARCH TÍNH TOÁN TỐI ƯU DUNG LƯỢNG CÁC THÀNH PHẦN TRONG HỆ THỐNG MICROGRID

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học :

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

Cán bộ chấm nhận xét 2 :

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1

2

3

4

5

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý

chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên:…HỒ TRƯỜNG GIANG MSHV:…7140405

Ngày, tháng, năm sinh:…06/12/1984 Nơi sinh:…Bà Rịa – Vũng Tàu

Chuyên ngành: …Kỹ Thuật Điện Mã số: …60520202

TÊN ĐỀ TÀI: Áp dụng thuật toán Stochastic Fractal Search tính toán tối ưu dung

lượng các thành phần trong hệ thống Microgrid vận hành độc lập

I NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Tìm hiểu về hệ thống Microgrid vận hành độc lập

- Nghiên cứu thuật toán Stochastic Fractal Search

- Nghiên cứu bài toán tối ưu dung lượng các thành phần trong hệ thống

Microgrid

- Áp dụng thuật toán Stochastic Fractal Search tính toán tối ưu dung lượng các

thành phần trong hệ thống Microgrid vận hành độc lập với các kịch bản khác

nhau

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:…10/07/2017

III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: …17/06/2018

IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: …TS Nguyễn Ngọc Phúc Diễm

Tp HCM, ngày… tháng… năm…

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cô, TS Nguyễn Ngọc Phúc Diễm, người đã trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt thời gian nghiên cứu

và hoàn thành luận văn

Em cũng đặc biệt cảm ơn Thầy Võ Ngọc Điều và Thầy Trần Thế Tùng, hai thầy đã hỗ trợ nhiệt tình, cung cấp cho em những tài liệu, phương pháp nghiên cứu

và những kinh nghiệm quý báu để em có thể hoàn thành tốt nhiệm vụ của mình Đồng thời, em cũng xin chân thành cảm ơn Quý Thầy Cô Khoa Điện – Điện

Tử, Phòng Đào Tạo Sau Đại Học, Trường Đại Học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia TP.HCM đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong quá trình học tập và nghiên cứu

Cuối cùng, em xin được gửi lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình, người thân và bạn bè, những người luôn quan tâm động viên, tạo mọi điều kiện tốt nhất để em có động lực học tập, phấn đấu trong suốt thời gian qua

Xin chân thành cảm ơn!

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Microgrid là một hệ thống tích hợp năng lượng bao gồm nhiều nguồn phát phân tán khác nhau (DER), các tải tiêu thụ và hệ thống đo đạc giám sát Nó có thể được vận hành theo chế độ độc lập hoặc nối lưới

Với sự đa dạng của nguồn năng lượng đầu vào, hệ thống microgrid là nguồn cung cấp đa dạng các bài toán về tối ứu hóa và tối ưu dung lượng là một trong những vấn đề được nghiên cứu khá nhiều Tối ưu dung lượng các thành phần trong

hệ thống microgrid vận hành độc lập là tính toán, phối hợp công suất giữa các nguồn phát phân tán sao cho hệ thống đảm bảo cung cấp đầy đủ nhu cầu phụ tải với chi phí nhiên liệu và vận hành các nguồn phát là thấp nhất

Bài toán tối ưu dung lượng được khảo sát trong luận văn bao gồm:

- Tối ưu dung lượng cho hệ microgrid gồm 2 máy phát diesel, 1 bộ năng lượng mặt trời và 1 bộ năng lượng gió

- Tối ưu dung lượng cho hệ microgrid gồm 52 máy phát diesel và 1 bộ năng lượng gió

- Tối ưu dung lượng cho hệ microgrid gồm 10 máy phát diesel, 1 bộ năng lượng mặt trời và 1 bộ năng lượng gió

Kết quả bài toán được so sánh với các thuật toán Hybrid Differential

Evolution and Harmony Search (DE-HS), Direct Search Method (DSM), thuật toán Fuzzy-Optimization (FO)

Từ kết quả đó, so sánh mức độ hiệu quả của thuật toán SFS trong việc giải các bài toán tối ưu dung lượng

The optimization problem studied in the thesis includes:

- Optimized for microgrid systems including 2 diesel generators, 1 set of solar power and 1 set of wind power

- Optimized for microgrid systems including 52 diesel generators and 1 set of wind power

- Optimized for microgrid systems including 10 diesel generators, 1 set of solar power and 1 set of wind power

The results were compared with the Hybrid Differential Evolution and

Harmony Search (DE-HS) algorithms, the Direct Search Method (DSM), the Optimization (FO) algorithm

Fuzzy-From that result, compare the efficiency of the SFS algorithm in solving the optimization problems

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và kết luận nêu trong luận văn là trung thực và không sao chép

từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng theo yêu cầu

TP.HCM, ngày 17 tháng 06 năm 2018

Hồ Trường Giang

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN II TÓM TẮT LUẬN VĂN III ABSTRACT IV LỜI CAM ĐOAN V DANH MỤC CÁC HÌNH IX DANH MỤC BẢNG BIỂU X

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1

1.1.LỜI MỞ ĐẦU 1

1.2.MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN 2

1.3.ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 2

1.4.PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3

1.5.BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN 3

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 4

2.1.KHÁI NIỆM MICRO GRID 4

2.2.CÁC THÀNH PHẦN TRONG HỆ THỐNG MICROGRID 4

Hệ thống máy phát phân tán (DG) 4

2.2.1. Máy phát dùng động cơ đốt trong 5

2.2.1.1 Hệ thống điện mặt trời 6

2.2.1.2 Hệ thống điện gió 17

2.2.1.3 Năng lượng sinh khối 21

2.2.1.4 Turbine khí, Microturbine 21

2.2.1.5 Pin nhiên liệu – Fuel cell 22

2.2.1.6 Hệ thống lưu trữ năng lượng (DS): 24

2.2.2. Pin, ắc-quy : 24

2.2.2.1 Hệ thống điện phân và lưu trữ hydrogen : 25

2.2.2.2 Hệ thống bánh đà (flywheel): 26

2.2.2.3 Siêu tụ điện (super capacitor): 26

2.2.2.4 Hệ thống giám sát, điều khiển (MCS): 27 2.2.3.

Cấp quản lí nối lưới: 28

2.2.3.1 Cấp kiểm soát hệ thống : 28

2.2.3.2 Cấp kiểm soát bộ phận : 29

2.2.3.3 2.3.GIỚI THIỆU MỘT SỐ THUẬT TOÁN ÁP DỤNG CHO BÀI TOÁN TỐI ƯU TRONG HỆ THỐNG MICROGRID : 30

Thuật toán Particle Swarm Optimization (PSO) 30

2.3.1 Thuật toán Artificial Bee Colony (ABC) 31

2.3.2 Thuật toán Ant Lion Optimizer (ALO) 33

2.3.3. CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH BÀI TOÁN TỐI ƯU DUNG LƯỢNG CÁC THÀNH PHẦN TRONG HỆ THỐNG MICRO GRID 34

3.1.MÔ HÌNH TỐI ƯU HÓA TRONG HỆ THỐNG MICROGRID 34

Giới thiệu: 34

3.1.1 Mô hình tối ưu hóa 34

3.1.2. 3.2.CÁC THÀNH PHẦN TRONG MÔ HÌNH TỐI ƯU HÓA 35

Turbine gió 35

3.2.1 Năng lượng mặt trời : 36

3.2.2 Mức tiêu hao nhiên liệu của máy phát Diesel 36

3.2.3. 3.3.HÀM MỤC TIÊU VÀ RÀNG BUỘC 37

Hàm mục tiêu 37

3.3.1 Hàm ràng buộc 37

3.3.2. CHƯƠNG 4: THUẬT TOÁN STOCHASTIC FRACTAL SEARCH VÀ ÁP DỤNG ĐỂ GIẢI BÀI TOÁN TỐI ƯU DUNG LƯỢNG 39

4.1.GIỚI THIỆU THUẬT TOÁN STOCHASTIC FRACTAL SEARCH (SFS) 39

4.2.QUÁ TRÌNH KHUẾCH TÁN (DIFFUSION PROCESS –DP) 40

4.3.QUÁ TRÌNH CẬP NHẬT 41

Phương pháp thống kê đầu tiên 41

4.3.1 Phương pháp thống kê thứ hai 42

4.3.2. 4.4.THUẬT TOÁN TÌM KIẾM NGẪU NHIÊN FRACTAL 42

Thuật toán SFS cho bài toán tối ưu dung lượng 42

4.4.1 Thuật toán cho hàm quá trình cập nhật 43 4.4.2.

4.5.XÂY DỰNG THUẬT TOÁN 44

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN 45

5.1.BÀI TOÁN TỐI ƯU -HỆ THỐNG MICROGRID GỒM 2 MÁY PHÁT DIESEL,1 BỘ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ 1 BỘ NĂNG LƯỢNG GIÓ 45

Mô tả bài toán: 45

5.1.1 Thực hiện tính toán với SFS: 46

5.1.2. 5.2.BÀI TOÁN TỐI ƯU -HỆ THỐNG MICROGRID GỒM 52 MÁY PHÁT DIESEL, VÀ 1 BỘ NĂNG LƯỢNG GIÓ 49

Mô tả bài toán: 49

5.2.1 Thực hiện tính toán với SFS: 50

5.2.2. 5.3.BÀI TOÁN TỐI ƯU -HỆ THỐNG MICROGRID GỒM 10 MÁY PHÁT DIESEL,1 BỘ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ 1 BỘ NĂNG LƯỢNG GIÓ 51

Mô tả bài toán: 51

5.3.1 Thực hiện tính toán với SFS: 52

5.3.2. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 58

6.1.KẾT LUẬN 58

6.2.HƯỚNG PHÁT TRIỂN TRONG TƯƠNG LAI 58

6.3.LỜI KẾT 59

TÀI LIỆU THAM KHẢO 60

PHỤ LỤC 63

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 2.1 Các thành phần trong hệ thống Micro grid 4

Hình 2.2 Các thành phần chính của máy phát điện dùng động cơ diesel 5

Hình 2.3 Cấu trúc 1 nhà máy điện mặt trời 7

Hình 2.4 Các loại tấm năng lượng mặt trời 8

Hình 2.5 Tấm PV 9

Hình 2.6 Hiệu suất của một số loại tấm PV được cải thiện theo công nghệ chế tạo đến năm 2015 10

Hình 2.7 Công nghệ lắp cố định các tấm PV 11

Hình 2.8 Công nghệ lắp đặt hệ thống các tấm PV xoay theo một trục 12

Hình 2.9 Công nghệ lắp đặt hệ thống PV định hướng theo 2 trục 12

Hình 2.10 Điện PV lắp trên trang trại 13

Hình 2.11 Điện PV lắp trên bãi đỗ xe 13

Hình 2.12 Điện mặt trời PV lắp trên kênh mương 14

Hình 2.13 Điện mặt trời PV lắp ngoài biển ( nhà máy lấn biển ) 14

Hình 2.14 Điện mặt trời PV lắp ngoài biển ( nhà máy trên dàn nổi ) 14

Hình 2.15 Điện mặt trời PV nổi (floating) 15

Hình 2.16 Inverter trung tâm và inverter chuỗi 17

Hình 2.17 Turbine gió có hộp số (Gearbox) 18

Hình 2.18 Turbine gió không có hộp số 18

Hình 2.19 Bộ Pin/Ắc-quy trong Microgrid 25

Hình 2.20 Hệ thống điện phân và lưu trữ hydrogen 25

Hình 2.21 Hệ thống bánh đà (flywheel) 26

Hình 3.1 Các yếu tố đầu vào của Microgrid 35

Hình 4.1 Quá trình khuếch tán 39

Hình 5.1 Tốc độ hội tụ của hàm mục tiêu theo từng giờ 46

Hình 5.2 Đồ thị nhu cầu phụ tải 52

Hình 5.3 Tốc độ hội tụ của hàm mục tiêu theo từng giờ 53

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 5.1 Nhu cầu công suất trong theo giờ trong 1 ngày 45

Bảng 5.2 Bảng phân bố công suất theo từng giờ 47

Bảng 5.3 Bảng chi phí nhiên liệu theo từng giờ 48

Bảng 5.4 Bảng tổng hợp chi phí nhiên liệu trong 1 ngày 49

Bảng 5.5 So sánh kết quả giữa các thuật toán 49

Bảng 5.6 Bảng phân bố công suất theo từng giờ 50

Bảng 5.7 Bảng tổng hợp chi phí 51

Bảng 5.8 So sánh kết quả giữa các thuật toán 51

Bảng 5.9 Bảng số liệu bức xạ mặt trời và tốc độ gió 52

Bảng 5.10 Bảng phân bố công suất theo từng giờ 53

Bảng 5.11 Bảng phân bố công suất theo từng giờ (tiếp theo) 54

Bảng 5.12 Bảng chi phí nhiên liệu cho máy phát diesel theo từng giờ 55

Bảng 5.13 Bảng chi phí nhiên liệu cho máy phát diesel theo từng giờ (tiếp theo) 56

Bảng 5.14 So sánh kết quả giữa các thuật toán 57

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

1.1 Lời mở đầu

Ngày nay để đáp ứng nhu cầu gần như không giới hạn của các nền kinh tế, các nhà máy điện – chủ yếu là thủy điện và nhiệt điện ngày càng được mở rộng về quy mô và công suất

Tuy nhiên, các nguồn nhiên liệu chính - năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt, khí thải từ hệ thống nhiệt điện là nguyên nhân góp phần tạo nên hiệu ứng nhà kính gây hiện tượng nóng lên toàn cầu Bên cạnh đó, khi có bất kì sự cố nào từ nhà máy điện đều gây ảnh hưởng nặng nề trên phạm vi rộng

Do đó, để khắc phục những nhược điểm trên của hệ thống điện truyền thống, khái niệm Micro grid - lưới điện siêu nhỏ đã ra đời Microgrid là một hình thức thu nhỏ của hệ thống điện Nó có thể sản xuất, dự trữ, và phân phối điện năng cho tải tiêu thụ Micro grid có thể kết nối với lưới điện phân phối chính và cũng có thể vận hành độc lập Có thể nói, Micro grid đã đánh dấu bước phát triển chuyển lưới điện phân phối từ trạng thái từ bị động (chỉ nhận nguồn từ lưới chính) sang trạng thái chủ động (có thể tự cung tự cấp)

Đặc biệt, các khu vực nông thôn, miền núi, hải đảo, việc cấp điện từ lưới điện quốc gia gặp nhiều khó khăn, phải truyền tải điện năng đi xa dẫn đến chi phí đầu tư cao, tổn hao công suất lớn gây lãng phí Trong trường hợp này, hệ thống Micro grid vận hành độc lập với các nguồn năng lượng phân tán là giải pháp hữu hiệu nhất

Trong hệ thống Microgrid vận hành độc lập, vấn đề tính toán, phối hợp công suất giữa các nguồn phát phân tán sao cho đảm bảo cung cấp đầy đủ nhu cầu phụ tải với chi phí nhiên liệu, chi phí vận hành các nguồn phát thấp nhất là nhiệm vụ đầy quan trọng và thử thách

Và đó cũng chính là lý do lựa chọn đề tài: Áp dụng thuật toán Stochastic Fractal Search tính toán tối ưu dung lượng các thành phần trong hệ thống Micro grid vận hành độc lập

1.2 Mục tiêu của luận văn

Đề tài tập trung vào mục tiêu chính là xây dựng thuật toán để thực hiện mục tiêu đề ra Theo đó để đạt được mục tiêu này đề tài cần tập trung nghiên cứu bốn mục tiêu cơ bản

- Nghiên cứu và nắm vững cơ sở lý thuyết của phương pháp Stochastic Fractal Search (SFS) trong việc giải các bài toán tối ưu hóa

- Nghiên cứu các mô hình, hệ thống microgrid trên thực tế, cấu tạo, chức năng, những yêu cầu về cấu hình, hệ thống kết nối và phân phối điện năng của từng mô hình

- Dựa trên các phân tích, tìm hiểu về thuật toán SFS và hệ thống microgird,

đề tài áp dụng thuật toán SFS tính toán tối ưu dung lượng các thành phần trong hệ thống microgrid vận hành độc lập cho các trường hợp: hệ microgrid gồm 2 máy phát diesel, 1 bộ năng lượng mặt trời và 1 bộ năng lượng gió [1-3]; hệ microgrid gồm 52 máy phát diesel và 1 bộ năng lượng gió [4]; hệ microgrid gồm 10 máy phát diesel, 1 bộ năng lượng mặt trời và

1 bộ năng lượng gió [5]

- So sánh, đánh giá kết quả với các phương pháp khác để cải tiến thuật toán hiệu quả hơn

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đề tài Áp dụng thuật toán Stochastic Fractal Search tính toán tối ưu dung lượng các thành phần trong hệ thống Micro grid vận hành độc lập nên đối tượng

nghiên cứu là thuật toán SFS và bài toán tối ưu dung lượng

Thông qua việc phân tích tìm hiểu thuật toán SFS và bài toán tính toán tối ưu dung lượng các thành phần trong Microgrid, đề tài sẽ áp dụng thuật toán này để giải các bài toán tối ưu cụ thể

Phạm vi nghiên cứu được thực hiện dựa trên mô hình toán học và dùng phần mềm Matlab để giải các thuật toán tối ưu Hàm mục tiêu được đặt ra là cực tiểu chi phí đầu vào thông qua các hàm chi phí nhiên liệu của máy phát diesel, hàm chi phí của turbine bin gió, tấm pin năng lượng mặt trời Đề tài chỉ tập trung nghiên cứu với các mô hình cụ thể: hệ microgrid gồm 2 máy phát diesel, 1 bộ năng lượng mặt trời

và 1 bộ năng lượng gió; hệ microgrid gồm 52 máy phát diesel và 1 bộ năng lượng gió; hệ microgrid gồm 10 máy phát diesel, 1 bộ năng lượng mặt trời và 1 bộ năng lượng gió

1.4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết và code của thuật toán SFS

- Sử dụng phần mềm Matlab phân tích và tính toán tối ưu cho hệ thống Microgrid

1.5 Bố cục của luận văn

Nội dung chính của luận văn được thể hiện qua 06 chương:

- Chương 1: Giới thiệu

- Chương 5: Kết quả tính toán

- Chương 6: Kết luận và hướng phát triển đề tài

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN

2.1 Khái niệm Micro grid

Microgrid là một hệ thống năng lượng tích hợp bao gồm các nguồn năng lượng phân tán (DER - Distributed Energy Resources), hệ thống quản lý điều khiển

và các phụ tải Trong đó các nguồn năng lượng phân tán DER bao gồm hệ thống máy phát phân tán (DG – Distributed Generators) và hệ thống lưu trữ năng lượng (DES – Distributed Energy Storage)

DG thường có các dạng sau:

- Máy phát dùng động cơ đốt trong (như máy phát diesel)

- Hệ thống pin mặt trời, turbine gió, sinh khối

- Turbine khí, microturbine

- Pin nhiên liệu

Máy phát dùng động cơ đốt trong

2.2.1.1

Đây là loại máy phát sử dụng động cơ đốt trong để quay máy phát tạo ra điện năng Có hai loại động cơ: động cơ đánh lửa cưỡng bức và động cơ đánh lửa nén Điểm khác biệt giữa hai loại động cơ này là loại nhiên liệu sử dụng, hệ thống cung cấp và kiểu đốt cháy nhiên liệu

Động cơ đánh lửa cưỡng bức có thể dùng xăng, khí thiên nhiên, biogas, khí đốt hóa lỏng làm nhiên liệu Hỗn hợp cháy (gồm nhiên liệu và không khí) được đưa vào động cơ để thực hiện hành trình nén và được kích nổ nhờ bu-gi đánh lửa tạo quá trình cháy, dãn nở và tạo momen xoắn quay máy phát tạo ra điện năng

Động cơ đánh lửa nén sử dụng nhiêu liệu là dầu diesel Đối với động cơ diesel, sau khi kim phun nhiên liệu thực hiện phun với tốc độ và áp suất cao kết hợp với buồng xoáy lốc trên đỉnh piston tạo ra hỗn hợp cháy Hỗn hợp này được nén với

tỷ số nén cao và tự bốc cháy, dãn nở và tạo momen xoắn quay máy phát tạo ra điện năng

Hiệu suất của động cơ diesel lớn hơn khoảng 1,5 lần so với động cơ đánh lửa cưỡng bức Nhiên liệu diesel thường rẻ hơn nhiêu liệu khác

Hình 2.2 Các thành phần chính của máy phát điện dùng động cơ diesel

Máy phát điện dùng động cơ đốt trong có khả năng tận dụng nguồn nhiệt thải

để tạo ra nhiệt năng, nước nóng cung cấp cho các hộ tiệu thụ Tính năng này giúp tăng hiệu năng sử dụng nhiên liệu từ 35-48% lên đến 70%

Máy phát điện dùng động cơ đốt trong thường được sử dụng phổ biến hơn cả, bởi giá thành rẻ, bền, tính ổn định cao và thời gian khởi động ngắn Khuyết điểm của máy phát này là khả năng xả khí thải gây hiệu ứng nhà kính ra môi trường

Hệ thống điện mặt trời

2.2.1.2

Sơ đồ cấu trúc điển hình của 1 nhà máy điện mặt trời gồm có:

- Dàn pin năng lượng mặt trời

- Bộ chuyển đổi điện

- Hệ thống giám sát và điều khiển

- Trạm nâng và hệ thống truyền tải

Hình 2.3 Cấu trúc 1 nhà máy điện mặt trời

 Tấm pin năng lượng mặt trời

Cách phổ biến để thu năng lượng mặt trời là sử dụng các tấm pin quang điện

(PV) để thu nhận năng lượng từ ánh sáng mặt trời

Các tấm PV sẽ chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng 1 chiều DC nhờ vào hiệu ứng quang điện Năng lượng điện một chiều này sẽ được biến đổi thành dòng điện xoay chiều có cùng tần số với tần số lưới điện nhờ vào các bộ biến tần Lượng điện năng trên sẽ được hòa với điện lưới nhờ các máy biến áp nâng áp

và hệ thống truyền tải điện

Các vật liệu có thể chế tạo được các module PV thường bị hạn chế bởi các đặc tính bán dẫn bất thường cần thiết cho các tế bào PV Cho tới nay thì vật liệu chủ yếu cho tấm PV là các silic tinh thể, hệ vật liệu CIS (Đồng – Indi – diselenide), CdTe (Cadimi Telua) Các công nghệ PV mới xuất hiện như các tế bào hữu cơ được làm từ polyme vẫn chưa được thương mại hoá Mỗi vật liệu có những đặc điểm riêng ảnh hưởng đến hiệu suất của tế bào, phương pháp sản xuất và chi phí

Các tế bào PV có thể được sản xuất dựa trên các tấm silic (được sản xuất bằng cách cắt các tấm mỏng từ một khối silic) hoặc các công nghệ "màng mỏng" (trong đó một lớp mỏng vật liệu bán dẫn được lắng đọng trên nền vật liệu có chi phí thấp)

Các tế bào PV có thể được mô tả theo cấu trúc dải dài của vật liệu bán dẫn như “đơn tinh thể” (hay còn gọi là "monocrystalline"), "đa tinh thể" (hay còn gọi là

"polycrystalline") hoặc vật liệu vô định hình

Silicon tinh thể (c-Si): Các mô-đun được làm từ các tế bào (cell) của silic đơn tinh thể hoặc đa tinh thể Các cell đơn tinh thể nói chung là hiệu quả nhất nhưng cũng tốn kém hơn nhiều so với đa tinh thể

Thin-fim: Các mô-đun PV được tạo ra dưới sự lắng đọng một lớp mỏng chất bán dẫn lên bề mặt của vật liệu có chi phí thấp Các chất bán dẫn được làm từ:

- Silicon vô định hình (a-Si)

- Cadmium Telluride (CdTe)

- Đồng - Inden - Selenide (CIS)

- Đồng Indium (Gallium) Di-Selenide (CIGS / CIS)

Tấm PV dị thể có lớp bán dẫn thuần (Heterojunction with Intrinsic layer -HIT): là sự kết hợp của nhóm tinh thể silic (c-Si) và nhóm Thin film

Thin-Do chi phí sản xuất giảm và sự phát triển của công nghệ, các mô-đun tinh thể

dự kiến sẽ duy trì thị phần lên đến 80% cho đến ít nhất năm 2017 Các mô-đun màng mỏng chiếm khoảng 17% và hiệu quả cao chiếm khoảng 3%

Hình 2.4 Các loại tấm năng lượng mặt trời

Hình 2.5 Tấm PV

a Module PV tinh thể silic:

Module PV đơn tinh thể được tạo thành bởi các tinh thể silic có độ tinh khiết cao Ưu điểm chính của loại này là hiệu suất của các tế bào quang điện cao (17-20%) với độ bền cao và đảm bảo được đặc tính theo thời gian

Module PV đa tinh thể silic: được tạo thành do các tinh thể silic kết hợp với nhau theo các dạng và hướng khác nhau Hiệu suất của các tế báo quang điện loại này thấp hơn so với loại đơn tinh thể (15-17%) Mặc dù vậy, tế bào đa tinh thể vẫn có độ bền cao và đảm bảo được đặc tính sử dụng theo thời gian (85% hiệu suất ban đầu sau 20 năm sử dụng)

Giá cả mô-đun mono-tinh thể và đa tinh thể đã giảm đáng kể trong hai năm qua

b Module PV dạng màng mỏng (thin film)

Tế bào quang điện màng mỏng có cấu trúc không khác nhiều so với tế bào c-Si và vẫn hoạt động dựa trên nguyên lí quang điện Điểm khác biệt duy nhất giữa tế bào năng lượng mặt trời màng mỏng và c- Si là độ mỏng và sự linh động trong việc ghép cặp của các lớp và chất liệu quang điện: cả cadmium telluride (CdTe) hoặc copper indium gallium deselenide (CIGS) thay vì chỉ là silicon Các

tế bào màng mỏng thường rẻ hơn do vật liệu được sử dụng và quy trình sản xuất đơn giản hơn Tuy nhiên, các tế bào thin-film thường có hiệu suất thấp hơn (hiệu suất của các tấm PV màng mỏng thường < 14%)

c Module PV dị thể có lớp bán dẫn thuần (HIT)

Tấm PV HIT bao gồm một lớp mỏng silic đơn tinh thể được bao quanh bởi các lớp silic vô định hình Các mô đun HIT hiệu quả hơn các module tinh thể điển hình, nhưng chúng thường có giá đắt hơn

Hình 2.6 Hiệu suất của một số loại tấm PV được cải thiện theo công nghệ chế

tạo đến năm 2015

(Nguồn: REN21-2016)

 Công nghệ lắp đặt tấm pin năng lượng mặt trời

Dựa trên cấu trúc cơ bản của nhà máy điện PV, các mô hình điện mặt trời

PV được phân chia dựa trên cách lắp đặt panel PV như sau:

thống đỡ cố định trên mặt đất, tùy thuộc vào hệ thống đỡ mà phân chia thành các dạng công nghệ:

- Công nghệ lắp cố định các tấm PV theo một hướng nhất định: Đây là cấu hình lắp đặt đơn giản nhất, chi phí lắp đặt và bảo dưỡng thấp nhất cho hệ thống nhà máy điện mặt trời PV Các tấm PV sẽ được lắp đặt cố định sao cho hướng của các tấm PV nhận được năng lượng bức xạ mặt trời nhiều nhất

Hình 2.7 Công nghệ lắp cố định các tấm PV

- Công nghệ lắp đặt hệ thống các tấm PV xoay theo một trục: các tấm PV sẽ được lắp đặt trên một trục có thể xoay theo hướng từ Đông sang Tây nhờ vào các cảm biến và hệ thống điều khiển Hệ thống sẽ tự động điều chỉnh góc nghiêng của các tấm PV theo hướng từ Đông sang Tây để nhận được bức xạ mặt trời tốt nhất theo từng thời điểm Tuy nhiên, hệ thống PV xoay theo 1 trục sẽ có thiết kế phức tạp, chi phí đầu tư và nhu cầu sử dụng đất cao hơn so với hệ thống lắp cố định (Nhu cầu sử dụng đất tăng thêm khoảng 1,3 lần so với bố trí pin theo công nghệ cố định)

Hình 2.8 Công nghệ lắp đặt hệ thống các tấm PV xoay theo một trục

- Công nghệ lắp đặt hệ thống PV định hướng theo 2 trục: các tấm PV sẽ được lắp đặt trên hệ thống giá đỡ có thể xoay theo hai hướng từ Đông sang Tây và

từ phía Bắc đến phía Nam để các tấm PV luôn luôn nhận được bức xạ mặt trời lớn nhất Tuy nhiên, hệ thống PV xoay theo 2 trục sẽ được thiết kế với

hệ thống cảm biến và động cơ điều khiển cực kỳ phức tạp, chi phí đầu tư và bảo trì sẽ rất cao Đồng thời, việc lắp đặt thêm nhiều thiết bị, bộ phận hỗ trợ cho hệ thống sẽ làm tăng xác suất hư hỏng của hệ thống Nhu cầu sử dụng đất cho hệ thống PV xoay theo 2 trục sẽ lớn hơn rất nhiều so với hệ thống PV lắp cố định (Nhu cầu sử dụng đất tăng thêm khoảng 1,5 lần so với bố trí pin theo công nghệ cố định)

Hình 2.9 Công nghệ lắp đặt hệ thống PV định hướng theo 2 trục

b) Hệ thống PV lắp đặt trên bề mặt công trình (Rooftop)

Phương án điện mặt trời roof top sử dụng các panel PV đặt cố định trên bề mặt các công trình như: tòa nhà, bãi đỗ xe, nhà xưởng Ưu điểm của phương án

này là tận dụng được các bề mặt công trình nên không tốn đất Nhược điểm là quy mô nhỏ và có thể bị ảnh hưởng bóng râm bởi các công trình xung quanh nên hiệu suất sẽ thấp hơn

Hình 2.10 Điện PV lắp trên trang trại

Hình 2.11 Điện PV lắp trên bãi đỗ xe c) Hệ thống PV lắp đặt trên bề mặt kênh mương (top canal)

Một phương án bố trí PV tiết kiệm quỹ đất là bố trí các panel PV trên bề mặt kênh mương Phương án này giúp giữ nước (hạn chế bốc hơi) và tạo ra điện phục vụ nông nghiệp Điểm hạn chế của phương án này là quy mô nhỏ, chỉ phù hợp với các trang trại nông nghiệp

Hình 2.12 Điện mặt trời PV lắp trên kênh mương d) Hệ thống PV lắp đặt ngoài biển (offshore)

Hệ thống PV offshore là sự vận dụng của các mô hình PV đặt trên mặt đất, rooftop Điểm khác biệt là vị trí của nhà máy được đặt trên biển (lấn biển hoặc giữa biển) Hệ thống PV offshore có ưu điểm không tốn đất, hiệu suất cao

do được làm mát và không bị ảnh hưởng bóng râm Tuy nhiên, chi phí cho các giải pháp chống ăn mòn, đấu nối điện là vấn đề cần được quan tâm Trong trường hợp lấn biển, chi phí xây dựng cũng là rất lớn do san lấp mặt bằng

Hình 2.13 Điện mặt trời PV lắp ngoài biển ( nhà máy lấn biển )

Hình 2.14 Điện mặt trời PV lắp ngoài biển ( nhà máy trên dàn nổi )

e) Hệ thống PV lắp đặt nổi trên hồ nước, vịnh, đầm (floatinh PV)

Hệ thống điện PV đặt nổi là mô hình mới được phát triển trong thời gian gần đây, được dự báo sẽ bùng nổ trong thời gian sắp tới Các tấm panel PV được đặt cố định trên các phao nổi trên mặt hồ, vinh, đầm và được cố định bằng hệ thống neo giữ Ưu điểm của hệ thống này là không tốn diện tích, hạn chế bốc hơi nước, hiệu suất cao do được làm mát và có thể phát triển với quy mô lớn Giá thành của hệ thống này tương đối cao do chi phí của cấu trúc nổi và hệ neo giữ

Hệ thống này phù hợp với các khu vực hồ nước, vịnh, đầm, nơi có mực nước chênh lệch thấp, ít sóng

Hình 2.15 Điện mặt trời PV nổi (floating)

 Hệ thống chuyển đổi năng lượng

Hệ thống pin mặt trời biến đổi năng lượng mặt trời thành điện một chiều,

vì vậy cần phải có các bộ biến đổi điện một chiều từ pin mặt trời thành điện xoay chiều để đấu nối vào hệ thống Biến tần cũng có thể thực hiện nhiều chức năng

để tối đa hóa công suất của nhà máy Chúng bao gồm từ việc tối ưu hóa điện áp trên các dây và giám sát hiệu suất chuỗi để ghi lại dữ liệu và cung cấp tín hiệu cho bảo vệ và cách ly trong trường hợp không ổn định trong lưới điện hoặc trong với các mô đun PV

Có hai loại biến tần: biến tần trung tâm và biến tần chuỗi Cấu hình biến tần trung tâm vẫn là sự lựa chọn hàng đầu của nhiều nhà máy điện mặt trời PV

vừa và lớn Một số lượng lớn các mô-đun được kết nối trong một loạt để tạo thành một chuỗi điện áp cao (HV) Các dây nối sau đó được nối song song với biến tần

Inverter trung tâm (Central Inverter): là loại gom công suất của nhiều chuỗi PV mắc song song với nhau, công suất của mỗi inverter thường >500KVA Inverter trung tâm có ưu điểm là chi phí lắp đặt và bảo dưỡng thấp nhất, việc lắp đặt dễ dàng và đạt hiệu suất cao Nhược điểm là kích thước lớn, vận hành gây tiếng ồn và tính khả dụng của hệ thống không cao (khi inverter hư hỏng sẽ mất công suất lớn), ngoài ra Inverter trung tâm chỉ có thể dò công suất cực đạt MPPT tại mức độ mảng pin mặt trời (array level) nên hiệu suất không cao, nhất là với những vùng bị ảnh hưởng lớn bởi bóng che gần Hiện tại Inverter trung tâm vẫn

là phương án lựa chọn chính thức cho các loại nhà máy điện mặt trời có quy mô công suất lớn (trên 2MW)

Inverter chuỗi (String Inverter): là loại inverter có công suất của một hoặc vài chuỗi PV gồm các tấm pin mắc nối tiếp nhau Inverter chuỗi thường sử dụng trong quy mô hộ gia đình hoặc hệ thống điện mặt trời thương mại Ưu điểm là khả năng thiết kế hệ thống linh hoạt, hiệu suất cao và chi phí thấp, có khả năng

dò công suất cực đại các chuỗi tấm PV (string level) Nhược điểm là chi phí đầu

tư và bảo trì lớn, khó áp dụng đối cới các nhà máy có quy mô công suất lớn Inverter chuỗi thường có đầu ra là dòng điện AC một pha Do khối lượng nhỏ

và chi phí thấp nên dễ dàng dự trữ và thay thế khi cần, nâng cao độ khả dụng của nhà máy

Inverter siêu nhỏ (Microinverter): là loại inverter gắn trực tiếp tại mỗi tấm

PV Đây là loại inverter có chi phí đầu tư và bảo dưỡng cực lớn, lắp đặt phức tạp tuy nhiên ưu điểm đem lại là hiệu suất cao vì có thể dò công suất cực đại tại mỗi tấm PV (panel lever), ngoài ra tính khả dụng của hệ thống cao và đảm bảo an toàn vì điện áp DC của hệ thống thấp Microinverter thường được áp dụng cho

hệ thống quy mô nhỏ, cần hiệu suất cao

Hình 2.16 Inverter trung tâm và inverter chuỗi Với sự phát triển của công nghệ chế tạo bộ Inverter hiện nay, đối với ứng dụng nối lưới công suất lớn, giải pháp sử dụng các bộ Inverter trung tâm với công suất lớn hơn 500kVA/Inverter là phù hợp Một số nhà sản xuất Inverter điển hình có thể chế tạo loại có công suất lớn như: Siemens: 2,25MVA, ABB: 1,56MVA, SMA: 2,5MVA, Solarmax:1,44MVA và Ingeteam: 1,071 MVA

là các giới hạn về công suất đạt được hiện nay Các thiết bị này có hiệu suất biến đổi có thể lên đến 99%

 Hệ thống trạm biến áp nâng áp và đường dây đấu nối

Tùy thuộc vào hệ thống microgrid vận hành độc lập, hay kết nối lưới điện

và cấp điện áp của lưới điện hòa vào, hệ thống trạm biến áp và đường dây đấu nối sẽ được thiết kế và xây dựng phù hợp

 Hệ thống đo đếm, giám sát và điều khiển

Hệ thống đo đếm, giám sát và điều khiển được thiết kế đồng bộ và chuẩn hóa theo tiêu chuẩn giao thức trạm và nhà máy

Hệ thống điện gió

2.2.1.3

Các thành phần chính trong hệ thống điện gió bao gồm turbine gió, hệ thống kết cấu móng trụ turbine, kết cấu cột turbin, hệ thống đo lường, giám sát, bảo vệ, hệ thống chống sét, hệ thống đèn báo không, hệ thống phòng cháy chữa cháy

 Turbine gió

Hiện nay, loại turbine gió được sử dụng phổ biến trên thế giới là loại turbine gió có ba cánh trước gió, trục ngang với hệ thống điều khiển pictch control và yard control, sử dụng hộp số hoặc không có hộp số

Hình 2.17 Turbine gió có hộp số (Gearbox)

Hình 2.18 Turbine gió không có hộp số

Cấu tạo turbine gió điển hình

1 Blades - Cánh quạt: Cánh turbine có nhiệm vụ trích xuất năng lượng động học của gió và chuyển đổi nó thành cơ năng quay trục truyền động như mô men dẫn động và tốc độ quay của turbine tương ứng với tốc độ gió nhất định

2 Rotor: Bao gồm các cánh quạt và trục

3 Pitch - Bước răng: Điều khiển góc đón gió của cánh quạt để kiểm sát năng lượng tạo từ sức gió, từ đó điều khiển mô men xoắn và tốc độ quay của cánh

4 Brake - Bộ hãm (phanh): Điều khiển góc đón gió của cánh quạt để kiểm sát năng lượng tạo từ sức gió từ đó điều khiển mô men xoắn và tốc độ quay của cánh

5 Low - speed shaft: Trục quay tốc độ thấp khoảng 30-60rpm

6 Gearbox - Hộp số: Được sử dụng để chuyển năng lượng cơ học từ trục quay tốc độ thấp đến trục quay có tốc độ cao

7 Generator - Máy phát: Máy phát làm nhiệm vụ biến đổi năng lượng cơ học từ trục quay tốc độ cao thành năng lượng điện Máy phát của loại turbine gió không hộp số được chế tạo đặc biệt với số cặp cực lớn, đảm bảo điện năng phát ra được chuyển đổi trực tiếp đến lưới điện

Đối với loại turbine có hộp số: máy phát không đồng bộ loại DFIG thường được sử dụng

Đối với loại tuabin không hộp số: máy phát đồng bộ thường được sử dụng

8 Controller - Bộ điều khiển sẽ khởi động động cơ ở tốc độ gió khởi động (khoảng 3m/s) và tắc động cơ ở vận tốc gió ngừng hoạt động (khoảng 25m/s)

9 Anemometer: Bộ đo lường tốc độ gió và truyền dữ liệu tốc độ gió tới bộ điểu khiển

10 Wind vane: cờ chỉ hướng gió Để đo hướng gió và truyền dữ liệu đến bộ điều khiển để định hướng turbine gió

11 Nacelle - Vỏ: Vỏ bọc ngoài được đặt trên đỉnh trụ và bảo vệ hệ thống truyền động, hộp số, trục quay, máy phát và bộ chuyển đổi Một số vỏ phải

đủ rộng để một kỹ thuật viên có thể đứng bên trong trong khi làm việc

12 High – speed shaft: Trục truyền động của máy phát ở tốc độ cao

13 Yaw drive: Dùng để giữ cho rotor luôn luôn hướng về hướng gió chính khi có sự thay đổi hướng gió

14 Yaw motor: Động cơ cung cấp cho “yaw drive” định được hướng gió

15 Tower - Trụ đỡ Nacelle: Được làm bằng thép hình trụ hoặc thanh dằn bằng thép Bởi vì tốc độ gió tăng lên nếu trụ càng cao, trụ đỡ cao hơn để thu được năng lượng gió nhiều hơn và phát ra điện nhiều hơn

 Hệ thống kết cấu móng trụ turbine gió:

Móng turbine có tác dụng giữ ổn định cho thiết bị turbine gió hoạt động bình thường dưới tác dụng của các tải trọng gồm: tải trọng bản thân công trình, tải trọng gió, tải trọng sóng cộng dòng chảy, tải trọng động đất…

 Hệ thống kết cấu cột turbine gió:

Về cột tháp của turbine hiện có 3 loại:

bị dàn thang leo

 Hệ thống điều khiển:

Tất cả các chức năng của turbine và trạm nâng áp được kiểm soát bằng phần mềm vi tính với chức năng điều khiển từ xa sử dụng hệ thống điều khiển hợp bộ chuyên dùng của nhà chế tạo cho mỗi turbine và kết nối giao tiếp với hệ thống SCADA trung tâm đặt tại phòng điều khiển trung tâm nhà quản lí vận hành Dữ liệu được truyền tải qua hệ thống đường truyền cáp quang, đồng thời

có chức năng điều khiển tại chỗ ở các tủ điều khiển Toàn bộ các thiết bị đều được bố trí trong thân cột turbine hoặc trong cabin cạnh chân cột turbine

Việc vận hành nhà máy điện gió hoàn toàn tự động, ngoại trừ trường hợp chủ động dừng máy do sự cố hoặc do bảo trì bảo dưỡng định kỳ

Nguồn tự dùng: Đo A, V xoay chiều và một chiều

 Hệ thống bảo vệ:

Hệ thống bảo vệ bao gồm:

- Thiết bị trung thế: máy cắt khí (ACB), LBS,rơle bảo vệ

- Thiết bị hạ áp: máy cắt khí, cầu chì, công tắc tơ, các bộ giới hạn dòng và thiết bị điều khiển nhiệt độ

Năng lượng sinh khối

2.2.1.4

Sinh khối là hình thức tích lũy năng lượng của mặt trời trong thực vật qua quá trình quang hợp Sinh khối có thể được khai thác từ các phế phẩm nông nghiệp (rơm rạ, bã mía ), phế phẩm lâm nghiệp (lá cây, gỗ vụn), khí yếm từ các bãi chôn rác, phân của gia súc, gia cầm

Sinh khối được phân bố đồng đều hơn trên bề mặt Trái Đất so với các nguồn năng lượng nhất định khác (nhiên liệu hóa thạch ), và có thể được khai thác mà không cần đòi hỏi đến các kỹ thuật hiện đại phức tạp và tốn kém

Sinh khối dạng rắn có thể được chuyển đổi thành nhiên liệu lỏng để cung cấp trong các xe hơi, máy cơ khí (trong đó có các máy phát điện diesel), hoặc dạng khí

để dùng làm nhiên liệu cho turbine khí (khí gas sẽ được lọc trước khi sử dụng để tránh các cánh turbine bị ăn mòn)

Ba dạng nhiên liệu phổ biến sản xuất từ sinh khối (biofuel) là methanol, ethanol, và biodiesel Không giống như xăng và dầu diesel, biofuels có chứa oxy Pha nhiên liệu sinh học vào các sản phẩm dầu khí sẽ gia tăng hiệu suất đốt của nhiên liệu và từ đó giảm ô nhiễm không khí

Turbine khí, Microturbine

2.2.1.5

Đây là trường hợp máy phát điện được kéo bởi turbine khí Turbine khí là một động cơ nhiệt, biến đổi nhiệt năng thành cơ năng Không khí được hút vào và nén lên áp suất cao nhờ một máy nén Nhiên liệu cùng với không khí này sẽ được đưa vào buồng đốt để đốt cháy Khí cháy sau khi ra khỏi buồng đốt sẽ được đưa vào quay turbine Vì thế nên mới gọi là turbine khí Năng lượng cơ học của turbine một

phần sẽ được đưa về quay máy nén, một phần khác đưa ra quay tải ngoài, như cánh quạt, máy phát điện

Hệ thống máy phát dùng turbine khí có thể được thiết kế để đồng thời vừa sinh điện năng, vừa sinh nhiệt năng, với nhiệt độ khí xả có thể từ 8000 đến

Cơ cấu hoạt động của Microturbine giống như turbine khí, nhưng nó có thêm

bộ phận hồi nhiệt để có thể tận dụng tại khí thoát ra tham gia trở lại vào quá trình nén - xả để quay turbine

Với nhiệt độ ngõ xả khí có nhiệt độ từ 400 - 6000 , nó có thể tạo ra nhiệt năng cung cấp cho các hộ tiêu thụ

Ưu điểm của Microturbine là nhỏ gọn, tuổi thọ thiết bị cao (40.000-80.000 giờ), ít sinh khí thải độc hại, thân thiện với môi trường Các máy phát này được thiết kế để có thể lắp song song từ 2 đến 20 máy thành trạm phát điện

Pin nhiên liệu – Fuel cell

2.2.1.6

Tương tự như ắc quy, pin nhiên liệu là một thiết bị tạo ra điện năng thông qua cơ chế phản ứng điện hóa Điểm khác biệt nằm ở chỗ, pin nhiên liệu có thể tạo

ra dòng điện liên tục khi có một nguồn nhiên liệu cung cấp cho nó, trong khi đó, ắc quy cần phải được nạp điện lại (sạc) sau một thời gian sử dụng Vì thế mà pin nhiên liệu không chứa năng lượng bên trong, nó chuyển hóa trực tiếp nhiên liệu thành điện năng, trong khi ắc quy cần phải được nạp điện lại từ một nguồn bên ngoài

Mỗi pin nhiên liệu gồm có hai điện cực âm (cathode) và dương (anode) Phản ứng sinh ra điện năng xảy ra tại hai điện cực này Giữa hai điện cực còn chứa chất điện phân, vận chuyển các hạt điện tích từ cực này sang cực khác, và chất xúc tác nhằm làm tăng tốc độ phản ứng Các module pin nhiên liệu thường kết nối với nhau, song song hay trực tiếp để tạo ra các thiết bị có mức công suất phát điện khác nhau và lớn hơn

Hai nhiên liệu cơ bản cần thiết cho pin nhiên liệu vận hành chỉ đơn giản là hydrogen và oxygen Lợi thế hấp dẫn của pin nhiên liệu là ở chỗ nó tạo ra dòng điện sạch, rất ít ô nhiễm, do sản phẩm phụ của quá trình phát điện cuối cùng chỉ là nước, không hề độc hại

Các phản ứng hóa học tạo ra dòng điện chính là chìa khóa trong cơ chế hoạt động của pin nhiên liệu Có nhiều loại pin nhiên liệu và mỗi kiểu vận hành một cách khác nhau nhưng cùng chung nguyên tắc cơ bản Khi những nguyên tử hydrogen đi vào pin nhiên liệu, phản ứng hóa học xảy ra ở anode sẽ lấy đi electron của chúng Những nguyên tử hydrogen lúc này bị ion hóa và mang điện tích dương Electron điện tích âm sẽ chạy qua dây dẫn tạo ra dòng điện một chiều

Oxygen đi vào cathode, và chúng sẽ kết hợp với các electron từ dòng điện và những ion hydrogen vừa đi qua chất điện phân từ anode; ở một số dạng pin nhiên liệu khác, oxygen lấy electron rồi đi qua chất điện phân đến anode, gặp và kết hợp với các ion hydrogen tại đó

Chất điện phân đóng vai trò quyết định chủ chốt Nó phải chỉ cho phép những ion thích hợp đi qua giữa anode và cathode; vì nếu electron tự do hay các chất khác cũng có thể đi qua chất điện phân này, chúng sẽ làm hỏng các phản ứng hóa học Dù cùng gặp ở anode hay cathode, kết hợp với nhau, hydrogen và oxygen cuối cùng cũng tạo ra nước, thoát ra khỏi pin Pin nhiên liệu sẽ liên tục phát điện khi vẫn được cung cấp hydrogen và oxygen

Với các ưu điểm trên, pin nhiên liệu hiện nay đang dần được phổ biến trên thị trường, dự đoán sẽ tạo nên cuộc cách mạng năng lượng trên thế giới trong tương lai

Hệ thống lưu trữ năng lượng (DS):

2.2.2

Hệ thống tích trữ năng lượng (DS) là một bộ phận không thể thiếu trong Microgrid Thiết bị lưu trữ có tác dụng hỗ trợ nhằm cải thiện : độ ổn định, chất lượng điện năng và đảm bảo an ninh năng lượng

Do trong Microgrid hệ thống DG chưa thể đáp ứng công suất cho toàn hệ thống phụ tải khi Microgrid vận hành theo chế độ độc lập và do các DG sử dụng năng lượng tái tạo (như năng lượng mặt trời, gió…) là các nguồn cấp không ổn định (các PV không thể sinh điện năng khi trời tối, các turbine gió không thể sinh điện khi trời không có gió…) nên Microgrid cần có hệ thống lưu trữ năng lượng

Hệ thống lưu trữ năng lượng có thể tích trữ năng lượng khi nhu cầu phụ tải thấp và giải phóng năng lượng khi nhu cầu phụ tải tăng cao

Các loại thiết bị lưu trữ năng lượng gồm: Pin/Ắc-quy, hệ thống điện phân và lưu trữ hydrogen, hệ thống bánh đà (flywheel), siêu tụ điện (super capacitor)

Pin, ắc-quy :

2.2.2.1

Có nhiều loại pin, ắc-quy đang được sử dụng rộng rãi, bao gồm : Chì-axit (Lead-acid), Niken-Cadimi (NiCd), Niken-Hidroxit kim loại (NiMH), Lithium-ion (Li-ion), Lithium-Polymer (Li-Po)

Hình 2.19 Bộ Pin/Ắc-quy trong Microgrid

Hệ thống điện phân và lưu trữ hydrogen :

2.2.2.2

Hệ thống này dùng điện năng dư thừa khi tải thấp để điện phân nước thành hydrogen và lưu trữ trong hệ thống lưu trữ để tạo nguồn hydrogen dồi dào cho hệ thống pin nhiên liệu phát điện

Hình 2.20 Hệ thống điện phân và lưu trữ hydrogen Thông thường hydrogen được lưu trữ bằng các phương thức sau:

- Lưu trong các bình khí nén áp suất cao

- Lưu dưới dạng khí hóa lỏng

- Lưu trong hợp chất khác (hấp thụ hóa học, hấp phụ trong hợp chất khác như với các hyđrua kim loại hay ống carbon nano rỗng)

Hệ thống bánh đà (flywheel):

2.2.2.3

Bánh đà có thể được dùng để tích trữ năng lượng trong hệ thống điện, khi được ghép vào một máy điện Năng lượng lưu trữ trong bánh đà phụ thuộc vào mô men quán tính của phần quay và bình phương tốc độ quay Năng lượng được truyền vào bánh đà khi máy điện hoạt động như một động cơ (gia tốc bánh đà), nạp năng lượng vào thiết bị Bánh đà giải phóng năng lượng khi máy điện hoạt động ở chế độ máy phát (giảm tốc bánh đà)

Bánh đà có thể cung cấp năng lượng liên tục khi các nguồn năng lượng

không liên tục Chúng còn có thể cung cấp năng lượng ở mức vượt quá khả năng của một nguồn năng lượng Điều này đạt được bằng cách thu thập năng lượng trong bánh đà theo thời gian và sau đó giải phóng năng lượng một cách nhanh chóng, với tốc độ vượt quá khả năng của nguồn năng lượng

Siêu tụ điện khác với tụ điện thông thường ở chỗ nó có điện dung rất lớn Siêu tụ điện có điện dung tính bằng F, dùng để lưu trữ năng lượng Siêu tụ điện bị

giới hạn ở điện áp 2,5 – 2,7 V Để đạt điện áp cao hơn, các siêu tụ điện được mắc nối tiếp với nhau

Thời gian nạp điện của siêu tụ điện là khoảng 10 giây, với đặc tính tương tự như của ắc-quy điện hóa, và dòng điện nạp thường bị giới hạn bởi bộ nạp Nó không thể bị nạp quá điện áp, và không cần mạch bảo vệ nạp đầy, khi nạp đầy thì dòng điện chỉ ngưng chạy

Siêu tụ điện có số lần nạp/phóng điện gần như vô hạn Nó cũng không bị lão hóa, và thường giảm dung lượng xuống còn 80% trong vòng 10 năm

Hình 2.22 : Siêu tụ điện (super capacitor)

Hệ thống giám sát, điều khiển (MCS):

2.2.3

Microgrid là một hệ thống điện thu nhỏ hoàn chỉnh Nó gồm có nhiều nguồn phát để cung cấp điện cho các phụ tải, và có thể vận hành ở hai chế độ: nối lưới và vận hành độc lập Để vận hành ổn định các thành phần trên, Microgrid cần có một

hệ thống giám sát và điều khiển để tối ưu hóa hoạt động các thành phần, bảo vệ chúng và đảm bảo an ninh năng lượng

Chức năng của hệ thống giám sát và điều khiển Microgrid được chia làm ba cấp: cấp quản lí nối lưới, cấp kiểm soát hệ thống, cấp kiểm soát bộ phận