Nghiên cứu kết hợp nguồn điện tái sinh và các bộ lưu điện để nâng cao hiệu quả cung cấp điện tính toán áp dụng cho lưới điện phân phối 22KV thành phố hải dương

Các nguồn năng lượng tái sinh được phân bố và sử dụng đạt hiệu quả cao nhất theo vùng miền, địa lý tự nhiên, hiện nay năng lượng tái sinh được sử dụng phổ biến nhất là năng lượng mặt trờ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN ANH XUÂN

NGHIÊN CỨU KẾT HỢP NGUỒN ĐIỆN TÁI SINH VÀ CÁC BỘ LƯU ĐIỆN ĐỂ NÂNG CAO HIỆU QUẢ CUNG CẤP ĐIỆN TÍNH TOÁN ÁP DỤNG CHO LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI 22KV

THÀNH PHỐ HẢI DƯƠNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT ĐIỆN

Hà Nội – Năm 2018

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN ANH XUÂN

NGHIÊN CỨU KẾT HỢP NGUỒN ĐIỆN TÁI SINH VÀ CÁC BỘ LƯU ĐIỆN ĐỂ NÂNG CAO HIỆU QUẢ CUNG CẤP ĐIỆN TÍNH TOÁN ÁP DỤNG CHO LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI 22KV

THÀNH PHỐ HẢI DƯƠNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện – Hệ thống điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC BẢNG vi

DANH MỤC CÁC HÌNH vii

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

3.1 Đối tượng nghiên cứu 2

3.2 Phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa thực tiễn và khoa học của đề tài 3

6 Cấu trúc luận văn 3

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CÁC NGUỒN ĐIỆN MẶT TRỜI 4

1.1 Tổng quan 4

1.1.1 Quan điểm chung 4

1.1.2 Tình hình sử dụng năng lượng mặt trời trên thế giới và Việt Nam 5

1.2 Nghiên cứu về năng lượng mặt trời 6

1.2.1 Sơ lược về mặt trời 6

1.2.2 Lịch sử phát triển năng lượng mặt trời 7

1.2.3 Đặc trưng của pin mặt trời 9

1.2.3.1 Cấu tạo của của tế bào quang điện (solar cells) và tấm pin mắt trời (solar panel) 9

1.2.3.2 Phân loại pin mặt trời 11

Từ kết quả só sánh trên, tùy vào mục đích, khí hậu, thời tiết ta có thể sử dụng các tâm pin khác nhau 12

1.2.3.3 Giới thiệu các loại pin mặt trời 12

1.2.3.4 Các yếu tố ảnh hưởng tới điện năng của hệ thống PV 16

1.2.4 Cấu tạo cơ bản của hệ thống PV 19

1.2.4.1 Không có lưu điện 20

1.2.4.2 Có lưu điện 20

1.3 Bộ lưu điện 21

i

1.3.1 Tìm hiểu chung về bộ lưu điện 21

1.3.1.1 Loại lưu giữ cơ năng, gồm động năng, thế năng và khí nén, gồm: 21

1.3.1.2 Loại lưu điện trữ điện năng(electrical energy storage) 21

1.3.1.3 Loại lưu điện bằng hóa học/acquy (Electrochemical/battery energy storage) 21

1.3.1.4 Lưu giữ nhiệt (thermal storage-TES): 23

1.3.1.5 Lưu trữ ảo 23

1.3.2 Các loại lưu điện áp dụng cho lưới điện 23

1.3.2.1 Lưu điện tĩnh 23

1.3.2.2 Lưu điện lưu động cho T&D: 23

1.3.2.3 Hệ thống lưu điện phân tán(DESS) điều khiển trung tâm 23

1.3.2.4 Hệ thống các lưu điện của khách hàng được quản lý chung làm tăng hiệu quả cung cấp điện 24

1.3.3 Yêu cầu đối với lưu điện sử dụng cho các áp dụng trên lưới phân phối kết hợp với PV 24

1.3.4 Các loại hình thức lắp đặt bộ lưu điện 24

1.3.4.1 Loại container: 24

1.3.4.2 Loại lưu động: 25

1.4 Các loại PV nối lưới có lưu điện 25

1.4.1 Các loại PV nối lưới 25

1.4.1.1 PV độc lập có lưu điện không nối lưới 25

1.4.1.2 PV không có lưu điện nối lưới (independent) 26

1.4.1.3 PV có lưu điện tích hợp nối lưới 26

1.4.2 Đánh giá hệ thống PV nối lưới 28

1.4.3 Ảnh hưởng của dàn PV kết hợp bộ lưu điện tác động lên lưới 29

1.4.3.1 Những vấn đề gây bất lợi gây ra bởi tính chất hoạt động của PV nối lưới không có lưu điện 29

1.4.3.2 Lợi ích của việc PV kết hợp bộ lưu điện đối với lưới điện 31

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ ĐIỆN MẶT TRỜI 34

2.1 Giải pháp và yêu cầu kỹ thuật 34

2.1.1 Giải pháp xây dựng năng lượng mặt trời có dự trữ 34

2.1.2 Yêu cầu kĩ thuật 35

2.1.2.1 Yêu cầu chung 35

ii

2.1.2.2 Yêu cầu chi tiết cho từng thiết kế 35

2.2 Phương pháp thiết kế điện mặt trời có acquy 36

2.2.1 Xác định nhu cầu phụ tải 36

2.2.2 Chọn modul PV 36

2.2.3 Phương pháp ghép các modul PV thành dàn PV 37

2.2.3.1 Phương pháp ghép nối tiếp các module mặt trời thành giàn PV 37

2.2.3.2 Phương pháp ghép song song module mặt trời thành dàn PV 38

2.2.4 Chọn inverter 39

2.2.5 Chọn ắc quy 40

2.2.6 Ví dụ áp dụng 41

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN ÁP DỤNG CHO LƯỚI ĐIỆN 22KV TỈNH HẢI DƯƠNG 43

3.1 Tổng quan và mục tiêu công trình 43

3.1.1 Giới thiệu 43

3.1.2 Hiện trạng và nhu cầu dùng điện 44

3.1.2.1 Cơ sở vật chất 44

3.1.2.2 Nguồn điện cung cấp 44

3.1.2.3 Trang thiết bị 44

3.1.2.4 Điện năng tiêu thụ 44

3.1.3 Mục tiêu 44

3.1.4 Những thuận lợi – khó khăn cho việc quy hoạch phát triển pin mặt trời tỉnh Hải Dương 45

3.1.4.1 Những thuận lợi 45

3.1.4.2 Những khó khăn 45

3.1.5 Tác động của công trình điện mặt trời đến điều kiện tự nhiên, xã hội trong tỉnh 46

3.1.5.1 Tác động tới môi trường 46

3.1.5.2 Ảnh hưởng tới an sinh xã hội 46

3.2 Thiết kế hệ thống PV nối lưới 22kV cấp điện cho phụ tải điện cho lộ 477E8.11 Đại An 47

3.2.1 Mục đích 47

3.2.2 Cấu trúc hệ thống PV 47

3.2.3 Sơ đồ lưới điện, thông số lưới điện và nhu cầu điện năng 48

iii

3.2.4 Tính toán, chọn công suất 50

3.2.4.1 Xác định phụ tải 51

3.2.4.2 Chọn modul PV 51

3.2.4.3 Chọn inverter 52

3.2.4.4 Ghép các modul PV 52

3.2.4.5 Chọn bộ lưu điện 53

3.2.4.6 Chọn bộ điều khiển 54

3.2.5 Thiết kế, lắp đặt 54

3.3 Tính kiểm tra lưới điện phân phối lộ 477E8.11 có PV 58

3.3.1 Nội dung 58

3.3.2 Phương pháp Newton-Raphson 58

3.3.2.1 Hệ phương trình cân bằng công suất nút 58

3.3.2.2 Ma trận tổng dẫn: 59

3.3.2.3 Thuật toán giải Newton-Raphson: 60

3.3.2.4 Đánh giá kết quả tính toán 63

3.3.3 Tính toán hệ thống PV 64

3.3.3.1 Mục đích tính toán: 64

3.3.3.2 Sơ đồ và thông số lưới điện 64

3 3.3.3 Tính thông số nhánh R và X, tính quy đổi sang hệ hệ đơn vị tương đối (pu) 65

3.3.3.4.Thông số phụ tải điện : Ở chế độ max 66

3.3.3.5 Đồ thị công suất phát PV 68

3.3.3.6 Chọn chế độ tính 69

3.3.3.7.Tính chế độ công suất PV max: 69

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 76

1 Kết luận: 76

2 Kiến nghị 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO 77

1 Tiếng Việt 77

2 Tiếng Anh 77

iv

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

PV Photovoltaics: Hệ thống quang điện

NLMT Năng lượng mặt trời

DC Direct current: Dòng điện một chiều

AC Alternating current: Dòng điện xoay chiều

v

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Lịch sử phát triển của năng lượng điện mặt trời 8

Bảng 1.2 Bảng so sánh tấm pin mono và poly 11

Bảng 1.3 Góc nghiêng của pin mặt trời tại thành phố Hải Dương 19

Bảng 1.4 Yêu cầu của bộ lưu điện cho PV 24

Bảng 3.1 Công suất phụ tải lộ 477E8.11 49

Bảng 3.2 Công suất sản lượng điện năng tháng 6 lộ 477E8.11 49

Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật ắc quy kín khí Phonix – CN – 24V – 1000Ah 54

Bảng 3.4 Thông số đơn vị đường dây 66

Bảng 3.5 Số liệu đường dây 66

Bảng 3.6 Thông số các nút trong lưới điện 477E8.11 67

Bảng 3.7 Công suất phụ tải thời điểm 11 giờ tới 13 giờ lộ 477E8.11 70

Bảng 3.8 Thông số các nút trong lưới điện 477E8.11 70

vi

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Bên ngoài mặt trời 7

Hình 1.2 Phần tử bán dẫn cấu thành pin mặt trời 10

Hình 1.3 Đặc tính làm việc của tầm Pin mặt trời IREX IR - 72M156 – 360Wp 13

Hình 1.4 Đặc tính làm việc của tầm Pin mặt trời AN - PSM – 320W 14

Hình 1.5 Đặc tính làm việc của tầm Pin mặt trời AN – PSM – 270W 15

Hình 1.6 Tỉ lệ phần trăm gần đúng của nguồn pin khi biến thành điện 16

Hình 1.7 Đặc tính Von – Apme với ảnh hưởng của cường độ sáng 17

Hình 1.8 Đặc tính Von – Apme với sự ảnh hưởng của nhiệt độ 18

Hình 1.9 Biểu đồ ảnh hưởng của hướng đặt pin mặt trời 18

Hình 1.10 Sơ đồ bộ PV không có lưu điện 20

Hình 1.11 Sơ đồ bộ PV có lưu điện 20

Hình 1.12 Sơ đồ pin lithinum - ion 22

Hình 1.13 Sơ đồ bộ lưu điện container 24

Hình 1.14 Sơ đồ loại lưu điện lưu động 25

Hình 1.15 Sơ đồ PV độc lập có bộ lưu điện nối lưới 25

Hình 1.16 Lưu điện đặt chung trên lưới điện, các vị trí có thể đặt lưu điện 26

Hình 1.17 PV loại có 2 inverter, lưu điện có thể nạp AC qua inverter 2 chiều riêng 27

Hình 1.18 PV loại lưu điện nối trước inverter 2 chiều - lưu điện có thể nạp từ PV hoặc lưới điện 27

Hình 1.19 PV loại lưu điện nối trước inverter 1 chiều DC-AC - lưu điện chỉ có thể nạp điện từ PV 28

Hình 1.20 Tỉ lệ B/C của PV plus có storage tại California năm 2020 các chế độ khác nhau của PV thâm nhập và 30% ICT tín dụng thuế) 28

Hình 1.21 Đặc điểm công suất phát trong ngày 29

Hình 1.22 Điện áp tăng cao khi không có lưu điện (a) Nếu chọn đúng công suất PV thì PV có tác dụng nâng cao điện áp lưới điện (b) 30

Hình 1.23 Điều chỉnh tần số khi lưới điện hoạt động độc lập 31

Hình 1.24 Biểu đồ cấp điện cho phụ tải của bộ lưu điện 32

vii

Hình 1.25 Công suất điện mặt trời được cắt đi chuyển vào lưu điện sao cho điện áp

vừa đạt yêu cầu 32

Hình 1.26 Lưu điện san bằng công suất phát của nguồn điện tái sinh 33

Hình 1.27 Thời gian nạp phóng của lưu điện làm phẳng công suất phát và giảm độ dốc của công suất của nguồn điện tái sinh 33

Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ PV nối lưới dùng ắc quy dự phòng 34

Hình 2.2 Sơ đồ tương đương và đường đặc tính V – A ghép nối tiếp 38

Hình 2.3 Sơ đồ tương đương và đường đặc tính V – A ghép song song 38

Hình 2.4 Sơ đồ 1 trạm PV 40

Hình 2.5 Inverter tập chung một chỗ 40

Hình 2.6 Ví dụ pin mặt trời cho hộ gia đình 41

Hình 3.1 Thành phố Hải Dương 43

Hình 3.2 Sơ đồ lưới điện lộ 477E8.1 Đại An 48

Hình 3.3 Đặc tính làm việc của tầm Pin mặt trời IREX IR - 72M156 – 360Wp 51

Hình 3.4 Sơ đồ đấu nối hệ thống PV trên mái công ty Kefico 55

Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý hệ thống PV 56

Hình 3.6 Sơ đồ lắp đặt hệ thống pin mặt trời trên lên lưới điện 22kV 57

Hình 3.7 Sơ đồ cần bằng công suất nút 59

Hình 3.8 Sơ đồ thuật toán phương pháp N-R 61

Hình 3.9 Sơ đồ lưới điện lộ 477E8.1 Đại An 65

Hình 3.10 Đồ thị phụ tải theo đơn vị trương đối của lưới điện lộ 477E8.1 (pu) 68

Hình 3.11 Đồ thị phát tương đối của pin mặt trời (pu) 68

Hình 3.12 Đồ thị phụ tải và PV 69

Hình 3.13 Số liệu nút 72

Hình 3.14 Số liệu nhánh chỉ tính r và x, không tính dung dẫn b 72

viii

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Hiện tượng ấm lên toàn cầu do tác động của hiệu ứng nhà kính và sự khủng

hoảng về năng lượng đang là vấn đề nóng bỏng và thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học cũng như Chính phủ các quốc gia Dân số tăng nhanh và tốc độ đô thi hoá chóng mặt trên toàn cầu là một yếu tố ảnh hưởng mạnh đến nhu cầu về năng lượng Khi dân số tăng thì số dân sống ở khu vực thành thị của các nước cũng tăng lên

cộng thêm với quá trình đô thị hoá sẽ làm cho các đòi hỏi về năng lượng tăng cao, như năng lượng sử dụng cho thắp sáng, công nghiệp, giao thông vận tải, thương

mại, dịch vụ

Nguồn năng lượng tái sinh hay năng lượng tái tạo là năng lượng từ những nguồn liên tục và theo đánh giá là vô hạn như năng lượng mặt trời, gió, mưa, thủy triều, sóng và địa nhiệt Các nguồn năng lượng tái sinh được phân bố và sử dụng đạt

hiệu quả cao nhất theo vùng miền, địa lý tự nhiên, hiện nay năng lượng tái sinh được sử dụng phổ biến nhất là năng lượng mặt trời và năng lượng gió Điện mặt trời

là một trong những nguồn năng lượng được đánh giá có tiềm năng lớn và có khả năng ứng dụng cao bởi rất nhiều ưu điểm như:

- Có thể đưa đến những vùng sâu, vùng xa mà những nơi đó điện lưới khó có thể đến được

- Có thể lắp đặt ở trung tâm phụ tải để tiết kiệm chi phí truyền tải

- Công suất phát lớn nhất thường tương ứng với thời kỳ phụ tải tiêu thụ công suất cao điểm

- Cấu trúc tĩnh, không có các phần động không gây tiếng ồn và chi phí bảo dưỡng thấp

- Không phát thải các khí gây ô nhiễm môi trường như CO2, SO2…

Từ những ưu điểm trên, điện năng lượng mặt trời đang được ứng dụng và phát triển nhanh Nếu như trước đây điện năng lượng mặt trời chỉ được khai thác

với công suất nhỏ, dưới dạng pin mặt trời thì những năm trở lại đây do sự cải tiến về công nghệ chế tạo pin mặt trời kết hợp với sự phát triển của các thiết bị điện tử công

suất, bộ lưu điện, nhiều hệ thống điện mặt trời công suất lớn đã được tạo ra và có

khả năng hòa lưới đạt hiệu quả cao Nên tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu kết hợp

ngu ồn điện tái sinh và các bộ lưu điện để nâng cao hiệu quả cung cấp điện Tính toán áp d ụng cho lưới điện phân phối 22kV thành phố Hải Dương”

2 Mục đích nghiên cứu

Giải pháp kết hợp nguồn điện tái sinh và các bộ lưu điện sẽ mang lại hiểu

quả cao trong việc tạo ra năng lượng điện ổn định và liên tục Vì vậy, mục tiêu của

đề tài là giới thiệu về các nguồn năng lượng tái sinh, xây dựng các bước tính toán và chương trình tính toán hệ thống hỗn hợp năng lượng mặt trời và các bộ lưu điện để nâng cao hiệu quả cấp điện cho các phụ tải trong hệ thống điện trung thế 22kV thành phố Hải Dương

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

Mô hình nguồn điện tái sinh và các bộ lưu điện nối lưới thành phố Hải Dương

Nguồn điện tái sinh gồm có:

- Điện mặt trời PV

- Nhiệt điện mặt trời

- Phong điện

- Thủy điện

- Nhiệt điện bioga

Do hạn chế về thời gian nên trong luận văn tập trung nghiên cứu về điện mặt

trời PV Điện mặt trời đang được phát triển mạnh ở nước ta do dễ thực hiện và có

thể thực hiện ở mọi nơi và giá cả ngày càng giảm, mang lại hiệu quả kinh tế cho người dùng

3.2 Phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu hệ thống điện mặt trời kết hợp bộ lưu điện nối lưới

- Nghiên cứu một số giải pháp kết nối hệ thống điện mặt trời với lưới điện trung áp

- Phân tích tiềm năng nắng, từ đó đề xuất phương án chọn công suất đặt cho dàn PV vận hành nối lưới trực tiếp cấp điện cho thành phố Hải Dương

4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết về dàn PV

- Thu thập số liệu thực tế và chọn công suất hợp lý

- Tìm hiểu các loại pin mặt trời thông dụng hiện nay

- Tìm hiểu và phân tích các hệ thống năng lượng mặt trời

- Sử dụng MATLAB/Matpower khảo sát trạng thái vận hành của PV

5 Ý nghĩa thực tiễn và khoa học của đề tài

Nội dụng luận văn bao gồm: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết dàn PV, bộ lưu điện, các giải pháp kỹ thuật và mô phỏng quá trình làm việc của hệ có nhiều ý nghĩa:

- Ý nghĩa thực tiễn: Nội dung luận văn phát huy được ý thức sử dụng năng lương tái sinh và bảo vệ mội trường, phục vụ việc truy cập thông tin, các giải pháp

kỹ thuật và phân tích quá trình vận hành cho các nhà đầu tư

- Ý nghĩa khoa học: Qua tài liệu này, chúng ta có cơ hội nghiên cứu lý thuyết, phân tích công nghệ khai thác dàn PV Từ đó, luận văn là tài liệu cho chuyên nghành đào tạo và nghiên cứu

6 Cấu trúc luận văn

Với mục đích như trên, kết cấu của luận văn được chia thành 04 chương:

CHƯƠNG1: GIỚI THIỆU CÁC NGUỒN ĐIỆN MẶT TRỜI

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ ĐIỆN MẶT TRỜI

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN ÁP DỤNG CHO LƯỚI ĐIỆN 22KV TỈNH

H ẢI DƯƠNG

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CÁC NGUỒN ĐIỆN MẶT TRỜI

1.1 Tổng quan

1.1.1 Quan điểm chung

Năng lượng mặt trời và các dạng năng lượng tái sinh khác như: phong điện, địa nhiệt, thủy triều, biogas… được định nghĩa là nguồn năng lượng vô tận không bị

cạn kiệt do sự khai thác của con người

Việc sử dụng các dạng năng lượng tái sinh nhằm tạo ra năng lượng cần thiết cho cuộc sống của con người đã có truyền thống lâu đời, hàng nghìn năm Trong vòng hai thập kỷ qua, con người đã không ngừng nghiên cứu các công nghệ để chuyển dổi năng lượng tái tạo này thành năng lượng điện

Đặc điểm quan trọng nhất của điện mặt trời là năng lượng sạch, không phát

thải CO2, Yêu cầu giảm phát thải CO2 dẫn đến phải xây dựng hệ thống điện cacbon

thấp bằng cách sử dụng các công nghệ phát điện sạch, cacbon thấp như thủy điện, điện gió và điện mặt trời…đó là các nguồn điện sạch có lượng phát thải cacbon thấp

và là nguồn năng lượng bền vững Đây cũng là nguồn điện tái tạo vì các nhiên liệu gió, mặt trời, nước là nguồn nhiên liệu tái tạo không bao giờ hết, trái với nó là nguồn nhiên liệu hóa thạch dùng nhiều sẽ hết

Điện mặt trời có ưu thế là giá thành điện năng ngày càng thấp, có thể cạnh tranh được với các nguồn điện truyền thống

Ngày nay, nó được triển khai trên nhiều quốc gia với quy mô công nghiệp khi mà các cụm từ: “An ninh năng lượng, biến đổi khí hậu” được đề cập Sự phát triển này được thúc đẩy một lần nữa vào năm 2001 với việc thông qua luật về các nguồn năng lượng mới mang tính tái tạo ở Đức (viết tắt là EEG) và sự phát triển này chỉ bị thay đổi chút ít do các điều luật sửa đổi bổ sung vào năm 2004

Quan điểm này nước ta rất xem trọng, để tạo điều kiện ngày 11/4/2017 Thủ tướng chính phủ phê duyệt quyết định số 11/2017/QĐ-TTg về cơ chế hỗ trợ phát triển các dự án điện mặt trời tại Việt Nam “Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) có trách nhiệm mua toàn bộ sản lượng từ các dự án điện mặt trời với giá mua điện là 2.086 đồng/kWh”, có hiệu lực ngày 11 tháng 04 năm 2017

1.1.2 Tình hình sử dụng năng lượng mặt trời trên thế giới và Việt Nam

Trên thế giới: Nhiều nơi trên thế giới, từ lâu đã sử dụng năng lượng mặt trời như một giải pháp thay thế những nguồn năng lượng truyền thống

Theo Báo cáo hiện trạng năng lượng tái tạo toàn cầu năm 2018 (GSR) của REN21, công suất lắp đặt mới của điện mặt trời đạt mức kỷ lục 98 GW Tổng công

suất phát điện bổ sung từ điện mặt trời vào hệ thống điện nhiều hơn so với tổng công suất cộng dồn từ cả ba nguồn than, khí tự nhiên và điện hạt nhân Điện mặt

trời cũng góp phần làm tăng tỷ trọng của năng lượng tái tạo toàn cầu với 52 GW được bổ sung

Đầu tư vào công suất lắp đặt điện tái tạo mới cao hơn hai lần so với tổng đầu

tư mới cho điện từ cả hai nguồn nhiên liệu hóa thạch và hạt nhân, mặc dù vẫn còn khoản tiền trợ giá lớn cho đầu tư điện nhiên liệu hóa thạch Hơn 2/3 nguồn đầu tư vào sản xuất điện năm 2017 dồn vào năng lượng tái tạo nhờ giá thành ngày càng

cạnh tranh hơn và tỷ trọng năng lượng tái tạo trong ngành Điện dự kiến sẽ tiếp tục tăng

Đầu tư vào năng lượng tái tạo được tập trung vào một số khu vực: Trung

Quốc, Châu Âu và Mỹ chiếm gần 75% nguồn đầu tư vào năng lượng tái tạo thế giới trong năm 2017 Tuy nhiên, khi tính theo đơn vị tổng sản phẩm quốc nội (GDP),

quần đảo Marshall, Rwanda, quần đảo Solomon, Guinea-Bissau, và nhiều quốc gia đang phát triển khác đang đầu tư ngày càng nhiều vào năng lượng tái tạo hơn cả các nước phát triển và nước có nền kinh tế mới nổi

Triển vọng phát triển công nghiệp điện mặt trời không những phụ thuộc vào

tiềm năng, mạng lưới điện truyền tải liên kết mà nó phụ thuộc rất lớn vào các điều

kiện chính sách hỗ trợ Nó được thị trường đánh giá qua mức thu hút vốn đầu tư

Tại Việt Nam: Các ứng dụng bao gồm: điện mặt trời cho hộ gia đình và các trung tâm dịch vụ, hệ thống đun nước mặt trời, điện mặt trời PV, hệ thống đèn điện

và sấy Công nghệ lai ghép của các nguồn năng lượng tái tạo, được đặt tên là Manicub Nó đã được ứng dụng trên các tàu thủy, xe cứu thương hay khu biệt thự

sử dụng năng lượng mặt trời

Các dự án điện mặt trời tại Việt Nam:

- Dự án điện mặt trời nối lưới đầu tiên ở Việt Nam trên nóc nhà Bộ Công Thương Dự án có công suất 23kWp gồm 52 module x 230 Wp Sử dụng của hãng Solar World Do CHLB Đức tài trợ, công ty Altus của Đức và Trung tâm Năng lượng mới Đại học Bách Khoa Hà Nội phối kết hợp triển khai

- Trung tâm Hội nghị Quốc gia Mỹ Đình Tổng công suất 154kW

- Pin mặt trời tại quần đảo Trường Sa Trên quần đảo hiện có 4.039 tấm pin

mặt trời 220 Wp

- Dự án Nhà máy điện mặt trời Hồ Bầu Ngứ, khởi công 31/03/2018 tại Ninh Thuận lắp đặt 162.000 tấm pin mặt trời trên diện tích gần 75 ha, sẽ sản suất gần 100 triệu kWh

- Dự án Nhà máy điện mặt trời BIM 1, khởi công 23/1/2018, sẽ lắp đặt 90.000 tấm pin năng lượng mặt trời trên diện tích 35 ha, hàng năm sẽ sản xuất ra 50 triệu kWh điện

1.2 Nghiên cứu về năng lượng mặt trời

1.2.1 Sơ lược về mặt trời

Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1,390.106km (lớn hơn 110

lần đường kính Trái đất), cách xa trái đất 150.106 km (bằng một đơn vị thiên văn

AU ánh sáng Mặt trời cần khoảng 8 phút để vượt qua khoảng này đến Trái đất)

Khối lượng Mặt trời khoảng Mo = 2.10m30 kg Nhiệt độ To trung tâm mặt trời thay đổi trong khoảng từ 10.106oK đến 20.106o

K, trung bình khoảng 15.600.000o

K Ở nhiệt độ như vậy vật chất không thể giữ được cấu trúc trật tự thông thường gồm các nguyên tử và phân tử

Nó trở thành plasma trong đó các hạt nhân của nguyên tử chuyển động tách

biệt với các electron Khi các hạt nhân tự do có va chạm với nhau sẽ xuất hiện

những vụ nổ nhiệt hạch Khi quan sát tính chất của vật chất nguội hơn trên bề mặt nhìn thấy được của Mặt trời, các nhà khoa học đã kết luận rằng có phản ứng nhiệt

hạch xảy ra ở trong lòng Mặt trời

Về cấu trúc, Mặt trời có thể chia làm 4 vùng, tất cả hợp thành một khối cầu khí khổng lồ (hình 1.1) Vùng giữa gọi là nhân hay “lõi” có những chuyển động đối

lưu, nơi xảy ra những phản ứng nhiệt hạt nhân tạo nên nguồn năng lượng Mặt trời, vùng này có bán kính khoảng 175.000km, khối lượng riêng 160kg/dm3

, nhiệt độ

ước tính từ 14 đến 20 triệu độ, áp suất vào khoảng hàng trăm tỷ atmotphe Vùng kế

tiếp là vùng trung gian còn gọi là vùng “đổi ngược” qua đó năng lượng được truyền

từ trong ra ngoài, vật chất ở vùng này gồm có Sắt (Fe), Canxi (Ca), Natri (Na), Stroni (Sr), Crôm (Cr), Niken (Ni), Cacbon (C), Silíc (Si) và các khí như Hiđrô (H2), Hêli (He), chiều dày vùng này khoảng 400.000km Tiếp theo là vùng “đối lưu” dày 125.000km và vùng “quang cầu” có nhiệt độ khoảng 6.000o

K, dày 1.000

km, ở vùng này gồm các bọt khí sôi sục, có chỗ tạo ra các vết đen, là các hố xoáy có nhiệt độ thấp khoảng 4.500oK và các tai lửa có nhiệt độ từ (7.000 ÷ 10.000)oK Vùng ngoài cùng là vùng bất định và gọi là “khí quyển” của Mặt trời

Hình 1.1 Bên ngoài m ặt trời

1.2.2 Lịch sử phát triển năng lượng mặt trời

Từ thế kỷ thứ 7 trước công nguyên con người đã biết ứng dụng năng lượng

mặt trời vào phục vụ mục đích sưởi ấm bằng cách định hướng các ngôi nhà của họ

để họ có thể thu nhận được bức xạ mặt trời vào mùa đông

Đến thế kỷ thứ 14 các định luật đầu tiên về năng lượng mặt trời được giới thiệu tại Ý Vào năm 1767, M.V Lomonossov đã đề nghị việc sử dụng các thấu kính

để tập trung các bức xạ Các bước tiến quan trọng của lịch sử phát triển năng lượng điện mặt trời được thể hiện trong bảng 1.1

Bảng 1.1 Lịch sử phát triển của năng lượng điện mặt trời

1839 Alexandre-Edmund Becquerel, một nhà vật lý thực nghiệm trẻ ở Pháp, phát

hiện ra hiệu ứng quang điện ở tuổi 19, trong khi giúp cha mình, thử nghiệm với các pin điện phân tạo ra bởi hai điện cực kim loại

1873 W Smith, làm việc tại Anh, phát hiện ra tính quang dẫn của Selenium, đưa đến

việc phát minh ra pin quang dẫn

1876 G W Adams và R.E Day, Mỹ, quan sát thấy hiệu ứng quang điện trong chất

rắn Selenium

1883 Ch Frits, một nhà phát minh người Mỹ, mô tả các pin năng lượng mặt trời

được làm từ những tấm Se-wafer

1887 Tại Đức ,H Hertz phát hiện ra rằng ánh sáng tia cực tím thay đổi điện áp thấp

nhất mà có khả năng gây một tia lửa điện giữa hai điện cực kim loại

1888 Ed Weston nhận được bằng sáng chế cho pin năng lượng mặt trời

1904 A Einstein xuất bản nghiên cứu lý thuyết tiên phong của ông về hiệu ứng

quang điện (ông nhận giải Nobel năm 1921 cho công trình này)

1982 Nhà máy điện mặt trời đầu tiên có công suất 1MW được hoàn thành ở Mỹ

Năm Sự kiện

1985

M Green tại Đại học New South Wales, Autralia, phá vỡ rào cản về hiệu suất 20% cho pin năng lượng mặt trời đơn tinh thể (monocrystal, c- Si) dưới một nắng trong phòng thí nghiệm

1999

M.A Green và J.Zhao đạt được hiệu xuất kỷ lục 24,7% trong phòng thí nghiệm với pin mặt trời đơn tinh thể c-Si

Tổng công suất lắp đặt điện mặt trời trên thế giới đạt 1GW

2010 Tổng công suất điện mặt trời trên thế giới đạt 37,4GW (Trong đó nước

Đức có công suất lớn nhất với 7,6 GW)

1.2.3 Đặc trưng của pin mặt trời

1.2.3.1 Cấu tạo của của tế bào quang điện (solar cells) và tấm pin mắt trời (solar panel)

Pin năng lượng Mặt trời hay pin mặt trời hay pin quang điện bao gồm nhiều

tế bào quang điện - là phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các

cảm biến ánh sáng là điốt quang, thực hiện biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện Cường độ dòng điện, hiệu điện thế hoặc điện trở của pin mặt trời thay đổi phụ thuộc bởi lượng ánh sáng chiếu lên chúng Tế bào quang điện được ghép lại thành khối để trở thành tấm pin mặt trời (thông thường 36 hoặc 72 tế bào quang điện trên một tấm pin mặt trời để cho tấm pin 12V, 24V hoặc 36V) Tế bào quang điện có khả năng hoạt động dưới ánh sáng mặt trời hoặc ánh sáng nhân tạo Chúng có thể được dùng như cảm biến ánh sáng, hoặc các phát xạ điện từ gần ngưỡng ánh sáng nhìn thấy hoặc đo cường độ ánh sáng Cấu tạo của pin mặt trời được thể hiện như hình 1.2

Hình 1.2 Ph ần tử bán dẫn cấu thành pin mặt trời

Sự chuyển đổi này thực hiện theo hiệu ứng quang điện Hoạt động của pin

mặt trời được chia làm ba giai đoạn:

- Đầu tiên năng lượng từ các photon ánh sáng được hấp thụ và hình thành các

cặp electron-hole trong chất bán dẫn

- Các cặp electron-hole sau đó bị phân chia bởi ngăn cách tạo bởi các loại

chất bán dẫn khác nhau (p-n junction) Hiệu ứng này tạo nên hiệu điện thế của pin

mặt trời

- Pin mặt trời sau đó được nối trực tiếp vào mạch ngoài và tạo nên dòng điện Các Pin năng lượng mặt trời được thiết kế như những modul thành phần, được ghép lại với nhau tạo thành các tấm pin mặt trời có diện tích lớn, thường được đặt trên nóc các tòa nhà nơi chúng có thể có ánh sáng nhiều nhất, và kết nối với bộ chuyển đổi của mạng lưới điện Các tấm pin mặt trời lớn ngày nay có thể được lắp thêm bộ phận tự động điều khiển để có thể xoay theo hướng ánh sáng, giống như loài hoa hướng dương hướng về ánh sáng mặt trời

Các pin năng lượng mặt trời có nhiều ứng dụng trong thực tế Do giá thành còn đắt, chúng đặc biệt thích hợp cho các vùng mà điện lưới khó vươn tới như núi cao, ngoài đảo xa, hoặc phục vụ các hoạt động trên không gian; cụ thể như các vệ tinh quay xung quanh quỹ đạo trái đất, máy tính cầm tay, các máy điện thoại cầm tay từ xa, thiết bị bơm nước

1.2.3 2 Phân loại pin mặt trời

Cho tới nay thì vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời (và cho các thiết bị bán dẫn)

là các silic tinh thể Pin mặt trời từ tinh thể silic chia ra thành 3 loại:

* Một tinh thể hay đơn tinh thể (Monocrystalline) module 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 hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module

* Đa tinh thể (Polycrystalline) làm từ các thỏi đúc - đúc từ silic 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 silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic 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 Các công nghệ trên là sản suất tấm, nói cách khác, các loại trên có độ dày 300 μm tạo thành và xếp lại để tạo nên module

Bảng 1.2 Bảng so sánh tấm pin mono và poly

Pin Mono với các tế bào năng lượng mặt

trời được làm bằng monocrystalline

silicon (Mono-Si), còn được gọi là

silicon đơn tinh thể với độ tinh khiết

cao Chính vì vậy, nhìn bằng mắt

thường sẽ thấy tấm pin đều màu và đồng

nhất

Các tế bào năng lượng mặt trời của pin

mono được tạo nên từ các phôi silicon

có hình trụ Bốn mặt các phôi hình

trụ được cắt ra khỏi để tối ưu hóa hiệu

suất và giảm chi phí thành phần

Các tấm pin năng lượng mặt trời đầu tiên được tạo nên từ silicon đa tinh thể như polysilicon (p-Si) và silicon đa tinh thể (mc-Si)

Nguyên liệu silicon tan chảy

và được đổ vào khuôn hình vuông, được làm nguội và cắt thành những tấm wafer vuông hoàn hảo

Hiệu

Tính Màu đen sẫm đồng nhất Màu xanh đậm

Tiêu chí Pin Mono Pin Poly

thẩm mỹ Những cell pin hình vuông được vạt góc

xếp liền nhau tạo những khoảng trống

hình thoi xen kẽ

Những cell pin được xếp khít với nhau như một mảng lớn nguyên vẹn

Ưu điểm

Được làm từ silicon với độ tinh khiết

cao nên hiệu suất sử dụng cao Tỉ lệ hiệu

suất của các tấm pin mono thường ở

khoảng 15-20%

Độ bền cao, hiệu quả sử dụng dài lâu

Hoạt động hiệu quả hơn so với pin poly

trong điều kiện ánh sáng yếu

Quá trình sản xuất đơn giản và

ít tốn kém Do đó giá thành cũng thấp hơn so với pin Mono

Mức độ giãn nở và chịu nhiệt cao

Nhược

điểm

Giá thành khá cao do quy trình sản xuất

tốn kém

Hoạt động kém hiệu quả hơn poly trong

cùng điều kiện nhiệt độ tăng cao

Hiệu suất hoạt động của pin poly nằm trong khoảng từ 13-16% Do độ tinh khiết của silicon thấp hơn nên hiệu suất không cao bằng pin mono.Hiệu suất làm việc ngoài nắng rất cao làm tuổi thọ pin poly giảm so với pin mono trong cùng điều kiện ánh sáng

Từ kết quả só sánh trên, tùy vào mục đích, khí hậu, thời tiết ta có thể sử dụng các tâm pin khác nhau

1.2.3.3 Giới thiệu các loại pin mặt trời

a Pin IREX IR – 72P156 – 360Wp

- Hãng sản xuất IREX ENERGY JOINT STOCK COMPANY

- Số Cell trong 1 module 72

- Loại Cell Poly silicon

- Nhiệt độ làm việc - 40oC ÷ 85oC

- Điện áp làm việc tối đa (Vmp) 33,58V

- Dòng làm việc tối đa (Imp) 7,85A

- Bảo đảm công suất 90% Pmaxcho 10 năm

Hình 1.3 Đặc tính làm việc của tầm Pin mặt trời IREX IR - 72M156 – 360Wp

b Pin AN-PSM - 250Wp

- Số Cell trong 1 module 60

- Loại Cell Mono-crystalline, 156mm x 156mm

- Điện áp làm việc tối đa (Vmp) 31,2V

- Dòng làm việc tối đa (Imp) 8,02A

- Điện ạp hở mạch (VOC) 43,78V

- Dòng điện ngắn mạch (ISC) 9,84A

- Dung sai công suất định mức ± 3%

- Điện áp lớn nhất hệ thống 1000 VDC

- Chứng nhận TUV, IEC61215, IEC61730, CE

- Bảo đảm công suất 90% Pmax cho 10 năm 80% Pmax cho 25 năm

Hình 1.4 Đặc tính làm việc của tầm Pin mặt trời AN - PSM – 320W

c Pin DHM - 270Wp

- Số Cell trong 1 module 60

- Loại Cell Mono-crystalline, 156mm x 156mm

- Điện áp làm việc tối đa (Vmp) 30,8V

- Dòng làm việc tối đa (Imp) 8,78A

- Điện ạp hở mạch (VOC) 38,4V

- Dòng điện ngắn mạch (ISC) 9,27A

- Dung sai công suất định mức ± 3%

- Điện áp lớn nhất hệ thống 1 000 VDC

- Chứng nhận IEC 61730, UL 1703, TUV, MCS

- Bảo đảm công suất 90% Pmax cho 10 năm

80% Pmax cho 25 năm

Trọng lượng 20kg

Hình 1.5 Đặc tính làm việc của tầm Pin mặt trời AN – PSM – 270W

Nhận xét: Về không gian, ta có không gian trên trên các nhà máy rộng, tiếp xúc với mặt trời lớn nên ta sử dụng pin poly vì pin này giá thành rẻ nên tiết kiệm được chi phí đầu tư Miền Nam Việt Nam là khu vực có cường độ bức xạ mặt

trời cao nhất cả nước (từ 4,85 – 5,6KWh/m2/ngày) nên dùng tấm pin năng lượng

mặt trời poly thay vì pin mono Pin mono vượt trội hơn poly ở hiệu suất tối ưu trong điều kiện vùng có bức xạ măt trời yếu (khoảng 2,85 – 4,1kWh/m2/ngày) Do đặc điểm pin mono có những khoảng trống giữa các cell, còn poly thì như một khối liền nhau, nên với tấm pin có cùng diện tích, thì sản lượng điện cho ra giữa mono và poly là như nhau Ở khu vực có bức xạ mặt trời như ở thành phố Hải Dương cộng

với suy giảm hiệu suất do nhiệt độ, thì tổng hiệu suất của poly và mono chênh lệch

rất thấp, ngoài ra khi so với chi phí đầu vào cho hệ thống thì sử dụng poly hoàn toàn

có lợi hơn Từ đó, ta chọn tấm pin IREX IR – 72P156 – 360Wp để tính toán

1.2.3.4 Các yếu tố ảnh hưởng tới điện năng của hệ thống PV

Hình 1.6 T ỉ lệ phần trăm gần đúng của nguồn pin khi biến thành điện

Theo: Noor Mahammad Shaik: Large Scale Solar Power System Design May 2016 – CALIFORNIA STATE UNIVERSITY NORTHRIDEGE

Theo hình 1.6 trên điện năng 100% chiếu vào tấm pin thì khi biến thành điện

chỉ còn 82%, tổn thất do nhiệt độ và bụi bẩn là 18% Tổn thất do ghép nối 2%, do

tổn thất trên dây dẫn (điện trở) 3%, tổn thất do iverter 10% và tổn thất do máy biến

áp 2% Khi đi đến điểm đo chỉ còn 65%

Ngoài ra, thời tiết ảnh hưởng rất lớn tới hoạt động của PMT Trong đó, nhiệt

độ và cường độ sáng là những yếu tố tiêu biểu có ảnh hưởng mạnh nhất tới đặc tính V-A của PMT dẫn tới sự thay đổi điểm làm việc có công suất lớn nhất MPP của PMT

a Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng

Khi cùng một nhiệt độ T, ta thay đổi điều kiện của cường độ ánh sáng mặt

trời từ Ir = 0,25kW/m2 tới bức xạ Ir = 1,50kW/m2 thu được đặc tính V-A như trên hình 1.7

Hình 1.7 Đặc tính Von – Apme với ảnh hưởng của cường độ sáng

Từ đường đặc tính V-A với ảnh hưởng của cường độ ánh sáng, ta có nhận xét như sau:

- Dòng ngắn mạch ISC tỉ lệ thuận với cường độ bức xạ chiếu sáng Cường độ

bức xạ càng lớn thì dòng ISC càng lớn và ngược lại

- Do dòng điện và điện áp tăng dẫn tới công suất hoạt động của pin cũng tăng hay nói cách khác điểm MPP có công suất lớn nhất cũng tăng lên, di chuyển về phía trên khi cường độ chiếu sáng của mặt trời tăng

b Ảnh hưởng của nhiệt độ

Sự phụ thuộc của đặc trưng sáng V-A của pin mặt trời tinh thể Si vào nhiệt

độ trong khoảng nhiệt độ từ -40oC đến +60oC như hình 1.8

Nhận xét:

Với cùng một cường độ sáng, điện áp hở mạch Voc phụ thuộc trực tiếp vào nhiệt độ T, khi nhiệt độ tăng thì điện áp hoạt động của PMT giảm mạnh, còn dòng điện thì tăng ít Bên cạnh đó, công suất của pin mặt trời giảm khi nhiệt độ tăng

Hình 1.8 Đặc tính Von – Apme với sự ảnh hưởng của nhiệt độ

Các yếu tố ảnh hưởng trên thay đổi thì vị trí của điểm MPP cũng di chuyển theo Do đó, việc cần thiết để khai thác hiệu quả tấm PMT là phải có một thuật toán

để theo dõi được quá trình di chuyển, vị trí của điểm MPP và áp đặt hệ thống năng lượng mặt trời phải hoạt động tại điểm MPP đó

c Ảnh hưởng của hướng và góc nghiêng của PMT đến hiệu suất phát điện

Hướng tối ưu là Bắc cho nam bán cầu và là Nam cho bắc bán cầu Góc nghiêng tối ưu phụ thuộc vào vĩ độ và kinh độ của điểm đặt PV

Hình 1.9 Bi ểu đồ ảnh hưởng của hướng đặt pin mặt trời

Ví dụ: Theo bảng trên: Cho vị trí PV ở 350

bắc, hứơng nam nghiêng 400

cho năng lượng max, các hướng và độ nghiêng khác có hiệu suất kém hơn Góc nghiêng nên từ 50 trở lên để nước mưa có thể rửa sạch bụi

=> Áp d ụng vào công trình năng lượng mặt trời thành phố Hải Dương:

Hướng đặt hệ thống pin mặt trời: Tỉnh Hải Dương nằm ở trung tâm vùng đồng bằng sông Hồng, trong tọa độ địa lý từ 20o41’10” đến 21o14’20” vĩ độ Bắc,

106o07’20” đến 106o36’35” kinh độ Đông thuộc bán cầu bắc mặt trời nằm ở phía nam, vì vậy để pin mặt trời thu được nhiều năng lượng nhất chúng ta nên đặt tấm pin theo hướng nam với góc nghiêng hợp lý

Góc nghiêng chính xác cho pin năng lượng mặt trời phụ thuộc rất nhiều yếu

tố như bạn muốn thu được nhiều năng lượng nhất vào mùa hè thì bạn sẽ phải đặt pin nghiêng theo mặt trời vào các tháng mùa hè Nếu chúng ta muốn cải thiện việc thu năng lượng vào mùa đông chúng ta phải đặt pin nghiêng phù hợp với các tháng mùa đông

Nếu có điều kiện điều chỉnh hệ thống pin mặt trời trong suốt cả năm, chúng

ta sẽ thu được năng lượng nhiều nhất trong suốt cả năm

Bảng 1.3 Góc nghiêng của pin mặt trời tại thành phố Hải Dương

Tháng 1 Tháng 2 Tháng 3 Tháng 4 Tháng 5 Tháng 6

Tháng 7 Tháng 8 Tháng 9 Tháng 10 Tháng 11 Tháng 12

1.2.4 Cấu tạo cơ bản của hệ thống PV

Bộ PV ngoài các tấm pin còn có các bộ phận thiết yếu tạo thành trạm phát điện PV như: Inverter, các máy cắt, bộ điều khiển, bộ bảo vệ

1.2.4.1 Không có lưu điện

Hình 1.10 Sơ đồ bộ PV không có lưu điện 1.2.4.2 C ó lưu điện

Hệ thống PV ngoài có các tấm PV còn có các phần tử khác như bộ lưu điện, thiết bị bảo vệ như hình 1.11

Hình 1.11 Sơ đồ bộ PV có lưu điện

Trong đó:

PV array: Hệ thổng các tấm Pin mặt trời được ghép lại với nhau

PV array Circuit Combiner: Bộ ghép nối

Ground-Fault Protector: Thiết bị bảo vệ chạm đất nguồn một chiều

DC Fused Switch: Cầu chì đóng cắt nguồn một chiều DC

DC/AC Converter: Bộ nghịch lưu, chuyển đổi nguồn điện một chiều thành nguồn điện xoay chiều

AC Fused Switch: Cầu dao đóng cắt nguồn xoay chiều AC

Main service panel: Bảng điều khiển chính

1.3 Bộ lưu điện

1.3.1 Tìm hiểu chung về bộ lưu điện

Các loại công nghệ lưu điện:

1.3.1.1 Loại lưu giữ cơ năng, gồm động năng, thế năng và khí nén, gồm:

a Thủy điện tích năng (PHES-pumped hydroenergy storage)

Tích trữ thế năng của nước: Khi tích trữ thì nước được bơm từ hồ chứa thấp lên hồ chứa cao, khi phát điện thì nước chảy từ hồ chứa cao qua turbine thủy điện

xuống hồ chứa thấp

b Bánh đà (flywheelenergy storage-FES)

Tích trữ động năng vào bánh đà quay bởi động cơ điện lưới, khi mất điện bành đà vẫn quay tiếp do động năng lưu trữ trong một thời gian nhất định, làm quay máy phát điện và điện năng được cấp liên tục cho đến khi điện lưới được khắc

phục Có loại bánh đà chỉ cấp điện được vài phút và có loại cấp điện đến 1 giờ

c Lưu giữ năng lượng bằng khí nén (CAS, CAES - compressed airenergy storage)

Sử dụng nguyên lý hoạt động của máy phát turbin khí ga Khi tích năng một máy bơm công suất lớn nén không khí vào bình chứa lớn chịu áp suất rất cao, loại

lớn là hầm chứa ngầm dưới đất, loại nhỏ hơn là các bình chứa kim loại đặt nổi Khi phát điện thì mở bình khí này đưa không khí áp suất cao vào turbin khí hòa với khí

ga, đốt cháy và quay mát phát điện

1.3.1.2 Loại lưu điện trữ điện năng(electrical energy storage)

a Lưu giữ năng lượng từ trường siêu dẫn (superconductive magnetic energy storage) (SMS)

b Tụ điện (Capasitor) lưu giữ điện năng trong điện trường của tụ điện

c Siêu tụ điện (supercapasitor)

1.3.1.3 Loại lưu điện bằng hóa học/acquy (Electrochemical/battery energy storage)

a Ac quy Lead acid:

- Flooded type

- Valve regulated type

b Ac quy Nickel - cadmium

- Ac quy lithium-ion

Hình 1.12 Sơ đồ pin lithinum - ion

Ắc-quy lithium-ion hiện đại bao gồm một điện cực dương được làm bằng oxit kim loại của lithium, và điện cực âm là các lớp graphit cacbon như hình 1.12

Chất điện phân được làm từ muối lithium đã tan trong cacbonat hữu cơ Trong quá trình nạp, ion lithium di chuyển từ điện cực dương sang điện cực âm và xen vào các

lớp graphit Trong quá trình phóng, các ion lithium di chuyển theo chiều ngược lại đến điện cực dương và xen vào trong cấu trúc tinh thể

+ Giá thành lắp đặt theo công suất: 150 đến 200€/kW

+ Giá thành lắp đặt theo điện năng: 300 đến 800€/kW

+ Thời gian triển khai: 3ms đến 5ms

+ Các ứng dụng chính: Điều khiển tần số,điều khiển điện áp, cắt đỉnh, san bằng đồ thị phụ tải, sử dụng cho các xe điện, lưu điện dân dụng

- Ac quy sodium-sulphur (NAS)

- Ac quy zebra

- Ac quy metal-air

- Ac quy nickel metan-hybride

- Ac quy Flow battery: Vanadium redox, zinbromide, cerium-zink

- Lưu giữ hóa học: Hydrogen and fuel cell

1.3.1.4 Lưu giữ nhiệt (thermal storage-TES):

a Lưu nhiệt sứ (ceramic thermal storage)

b Dự trữ nhiệt trong chất lỏng(thermal fluid storage)

c Dự trữ nước nóng

d Nhiệt giếng khoan(borehole community thermal)

1.3.1.5 Lưu trữ ảo

a Quản lý phụ tải điện (DSM)

b Đáp ứng của nhu cầu(demand response)

Các thông số yêu cầu chính là: Công suất, thời gian phóng, số chu kỳ phóng

- Làm chậm đầu tư vốn vào T&D

1.3.2.2 Lưu điện lưu động cho T&D:

- Hỗ trợ T&D: Làm giảm nghẽn mạch, nâng cao khả năng tải, điều chỉnh điện áp

- Làm chậm đầu tư ở nhiều nơi khác nhau: Chuyển dịch phụ tải điện đỉnh sang miền khác

1.3.2.3 Hệ thống lưu điện phân tán(DESS) điều khiển trung tâm

- Nâng cao độ tin cậy cung cấp điện: Giảm số lần mất điện, thời gian mất điện

- Hỗ trợ lưới điện: Điều chỉnh điện áp, hạn chế dao động điện áp, sụt áp ngắn

hạn, nâng cao khả năng tải

- Dịch vụ phụ tiềm năng (các dịch vụ của thị trường điện….)

1.3.2.4 Hệ thống các lưu điện của khách hàng được quản lý chung làm tăng hiệu quả cung cấp điện

1.3.3 Yêu cầu đối với lưu điện sử dụng cho các áp dụng trên lưới phân phối kết hợp với PV

Yêu cầu của bộ lưu điện được thể hiện như bảng 1.4

Bảng 1.4 Yêu cầu của bộ lưu điện cho PV

1 - Dịch chuyển năng lượng phát

2 - Làm bằng công suất phát

3 - Tăng ổn định (cho lưới điện cao áp)

4 - Tăng công suất PV tiếp nhận

1.3.4 Các loại hình thức lắp đặt bộ lưu điện

1.3.4.1 Loại container:

Hình 1.13 Sơ đồ bộ lưu điện container

1.3.4.2 Loại lưu động:

Hình 1.14 Sơ đồ loại lưu điện lưu động

1.4 Các loại PV nối lưới có lưu điện

1.4.1 Các loại PV nối lưới

1.4.1.1 PV độc lập có lưu điện không nối lưới

Loại này còn có thể có các nguồn diezen tạo thành lưới điện độc lập, kết hợp

với phong điện tạo thành hệ thống độc lập cấp điện cho các khu vực độc lập xa lưới điện quốc gia

Hình 1.15 Sơ đồ PV độc lập có bộ lưu điện nối lưới

Hệ thống có thể được thiết kế để sử dụng một số tải cấp điện trực tiếp từ nguồn DC (tủ lạnh, máy bơm, đèn,…) nhằm tăng hiệu suất cho hệ thống và giảm số lượng pin mặt trời cũng như bộ lưu trữ điện cần lắp đặt Bộ nghịch lưu chuyển đổi

từ DC sang AC được kết hợp thêm chức năng biến đổi từ AC sang DC để nạp cho

bộ lưu trữ điện khi cần thiết như hình 1.15

Ngoài ra, hệ thống có thể được trang bị thêm bộ chuyển mạch tự động (ATS – Automatic transfet switch) nhằm chuyển tải AC sang cung cấp trực tiếp từ máy phát dự phòng mỗi khi máy này hoạt động

1.4.1.2 PV không có lưu điện nối lưới (independent)

Lưu điện được đặt trên lưới điện bởi công ty điện dùng chung cho toàn lưới

điện gọi là lưu điện phân tán(DESS) (hình 1.16)

Hình 1.16 Lưu điện đặt chung trên lưới điện, các vị trí có thể đặt lưu điện

- PV nhỏ, phân tán của hộ tiêu thụ , công ty điện đặt lưu điện

- PV công suất lớn và lưu điện đều của công ty điện

1.4.1.3 PV có lưu điện tích hợp nối lưới

a PV có lưu điện nối sau inverter, lưu điện có thể nạp AC từ PV hoặc lưới điện (AC coupled) qua một inverter khác (hình 1.17)

Hình 1.17 PV lo ại có 2 inverter, lưu điện có thể nạp AC qua inverter 2 chiều riêng

b PV có lưu điện nối trước inverter 2 chiều, lưu điện có thể nạp từ PV và lưới điện (DC-coupled(flexible charging)) (hình 1.18)

Hình 1.18 PV lo ại lưu điện nối trước inverter 2 chiều - lưu điện có thể nạp từ PV

ho ặc lưới điện

c PV lưu điện nối trước inverter 1 chiều DC-AC, lưu điện chỉ nạp từ PV (DC tightly coupled, PV-only charging) (hình 4.19)

Hình 1.19 PV lo ại lưu điện nối trước inverter 1 chiều DC-AC - lưu điện chỉ có thể

n ạp điện từ PV

1.4.2 Đánh giá hệ thống PV nối lưới

Theo đánh giá của đánh giá hiệu quả kinh tế và kỹ thuật của các nhà máy điện lưu trữ PV Plus - Paul Denholm, Josh Eichman và phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo quốc gia Robert Margolis - NREL là phòng thí nghiệm quốc gia của

Cục năng lượng hiệu quả và năng lượng tái tạo của Mỹ do liên minh năng lượng LLC vận hành

Đặc tính B/C của các loại PV vào năm 2010 như 1.20

Hình 1.20 T ỉ lệ B/C của PV plus có storage tại California năm 2020 các chế độ

khác nhau c ủa PV thâm nhập và 30% ICT tín dụng thuế)

Ta thấy nếu mức độ thâm nhập hợp lý các loại PV có storage có hiệu quả kinh tể không kém PV không có storage

1.4.3 Ảnh hưởng của dàn PV kết hợp bộ lưu điện tác động lên lưới

1.4.3.1 Những vấn đề gây bất lợi gây ra bởi tính chất hoạt động của PV nối lưới không có lưu điện

a Biến đổi điện áp và tần số

Đặc điểm quan trọng nhất của điện mặt trời là: Công suất phát phụ thuộc thời tiết, dao động rất mạnh từ 0 đến max khi trời nhiều mây (Hình 1.21)

Hình 1.21 Đặc điểm công suất phát trong ngày

Dao động công suất khiến cho điện áp và tần số (nếu lưới điện độc lập) biến đổi mạnh không cho phép, gây ra dao động điện áp (fliker) và sụt áp ngắn hạn

Dao động điện áp làm cho các thiết bị điều chỉnh điện áp phải làm việc với

tần suất cao làm giảm tuổi thọ các thiết bị này

b H ệ thống PV không điều chỉnh được điện áp

PV làm việc ở chế độ phát thuần công suất tác dụng, do đó không thể điều

chỉnh điện áp, Điện áp trên PV luôn giữ ở mức (1±0,05)Uđm Do đó có vấn đề tăng cao điện áp trong chế độ khi công suất điện mặt trời max và công suất phụ tải điện

thấp

c Thay đổi trào lưu công suất

Khi có PV trên lưới điện xuất hiện dòng điện ngược đi từ PV về phía nguồn điện, nếu lưới điện không được thiết kế cho trường hợp này thì có thể gây ra quá tải nhiệt lưới điện , điện áp tăng cao

Dòng công suất đổi chiều gây khó khăn cho hệ thống bảo vệ role, cho công tác của tụ bù

d Gây nhi ễu điện áp

Inverter còn gây ra méo sóng dòng điện và điện áp, tạo ra các sóng hài (harmonic) bất lợi cho lưới điện

Trong các giải pháp khắc phục thì lưu điện là hiệu quả nhất (hình 1.22) Như đã phân tích ở trên, trong thời gian tới giá thành lưu điện sẽ giảm thấp

ra tốt cho áp dụng trong lưới điện

Do các hạn chế, nhất là điện áp tăng cao và quá tải phần tử, mỗi lưới điện

nhất định, tại một nút đấu lưới nhất định chỉ có thể tiếp nhận được một công suất

PV nhất định (hosting power)

Khi xem xét đầu lưới PV phải tính toán công suất tiếp nhận max này

Hình 1.22 Điện áp tăng cao khi không có lưu điện (a) Nếu chọn đúng công suất PV

thì PV có tác d ụng nâng cao điện áp lưới điện (b)