NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN, TỐI ƯU ĐIỀU PHỐI ĐIỆN NĂNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI LUẬN VĂN THẠC SĨ

Vai trò của việc sử dụng năng lượng mặt trời trong hệ thống điện độc lập và nối lưới .... Xuất phát từ thực tế này, tác giả đã tiến hành nghiên cứu để tìm ra giải pháp nhằm tối ưu hóa vi

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -

NGÔ NHẬT HUY

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN, TỐI ƯU ĐIỀU PHỐI ĐIỆN NĂNG TRONG

HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu đã nêu trong luận văn có nguồn gốc rõ ràng, kết quả nghiên cứu là trung thực và chưa được

ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi đã tự nghiên cứu, học hỏi dựa trên các kiến thức đã học, làm việc và nhận được sự hỗ trợ của Giáo viên hướng dẫn cũng như sự động viên từ gia đình

Tác giả

Ngô Nhật Huy

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu và mục đích nghiên cứu 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 2

6 Cấu trúc của luận văn 2

CHƯƠNG 1 - GIỚI THIỆU 3

1.1 Nhu cầu về năng lượng hiện nay 3

1.2 Sự cần thiết trong việc tiết kiệm điện năng 4

1.3 Các giải pháp đáp ứng nhu cầu năng lượng 5

1.4 Vai trò của việc sử dụng năng lượng mặt trời trong hệ thống điện độc lập và nối lưới 6

CHƯƠNG 2 - CẤU TRÚC HỆ THỐNG 12

2.1 Giới thiệu hệ thống 12

2.2 Cấu trúc và các bộ phận cấu thành hệ thống 14

2.2.1 Microgrid 14

2.2.2 Cấu tạo và hoạt động pin mặt trời (PV) 15

2.2.3 Bộ biến đổi DC/DC 28

2.2.4 Bộ biến đổi DC/AC 32

2.2.5 Pin (Ắc-quy) 33

2.3 Hệ thống giám sát nguồn năng lượng 34

2.4 Hoạt động của hệ thống 35

2.4.1 Hệ PV độc lập 36

2.4.2 Hệ PV làm việc với lưới 39

2.4.3 Điều khiển bộ biến đổi DC/DC 40

CHƯƠNG 3 - MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG 42

3.1 Pin mặt trời 42

3.2 Hệ thống pin lưu trữ năng lượng 46

3.3 Tải tiêu thụ 47

CHƯƠNG 4 - QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG TỐI ƯU CHO HỆ THỐNG 48

4.1 Phương pháp tối ưu SLSQP 48

4.2 Xây dựng bài toán tối ưu 48

4.2.1 Mô hình tối ưu hóa 48

4.2.2 Hàm mục tiêu và các ràng buộc 49

4.3 Áp dụng thuật toán SQP vào việc tối ưu năng lượng hệ thống 52

CHƯƠNG 5 - MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 53

5.1 Các giá trị tham số mô phỏng 53

5.2 Mô phỏng bằng Python 53

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO 58

PHỤ LỤC 59

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN, TỐI ƯU ĐIỀU PHỐI ĐIỆN NĂNG

TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Học viên: NGÔ NHẬT HUY Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Mã số: 60.52.60 Khóa: K33 (PFIEV) Trường Đại học Bách khoa-ĐHĐN

Tóm tắt - Trong giai đoạn hiện nay, năng lượng nói chung và năng lượng điện nói riêng đóng

một vai trò rất quan trọng trong mọi lĩnh vực đời sống kinh tế xã hội Nhu cầu về sử dụng

năng lượng ở Việt Nam rất lớn, tuy nhiên lại bị hạn chế về mặt năng lượng, đặc biệt là năng

lượng điện Chính vì thế việc sử dụng và khai thác không hợp lý gây ra nhiều hậu quả nghiêm

trọng Chi phí điện năng cho các tải tiêu thụ chiếm một tỉ lệ rất lớn, do đó việc tìm ra những

giải pháp tiết kiệm năng lượng nhằm giảm chi phí và nâng cao được tính cạnh tranh của sản

phẩm trên thị trường là điều quan tâm hàng đầu của các nhà sản xuất Đồng thời, việc này

cũng giúp giảm được sự tiêu tốn tài nguyên thiên nhiên, góp phần tích cực vào việc bảo vệ

môi trường Xuất phát từ thực tế này, tác giả đã tiến hành nghiên cứu để tìm ra giải pháp

nhằm tối ưu hóa việc cung cấp điện năng từ hệ thống điện mặt trời bằng cách: xác định cấu

trúc mô hình và các biểu thức toán học của phụ tải, từ đó xây dựng bài toán tối ưu với hàm

mục tiêu là chi phí tối thiểu để chuyển đổi việc sử dụng nguồn năng lượng từ pin mặt trời

trong các giờ cao điểm Tác giả đã tóm tắt các kết quả đạt được và đưa ra các hướng phát triển

tiếp theo

Từ khóa – Năng lượng; quản lý năng lượng; tối ưu hóa; hệ thống năng lượng, pin

RESEARCHING CONTROL SYSTEM, OPTIMIZING ELECTRICITY

COORDINATION IN SOLAR POWER ELECTRICITY SYSTEM

Abstract - Today, energy in general and electricity in particular play a very important role in

all fields of socio-economic life Demand for energy in Vietnam is very large, however, it is

limited in source of energy, especially electrical energy Therefore, irrational use and

exploitation cause serious consequences Power costs for loads are very high, so finding

energy-saving solutions to reduce costs and improve the competitiveness of the product in the

market are the target of manufacturers At the same time, it also reduces the expense of

natural resources and contributes positively to the environment protection For this reason, the

author has conducted research to find a solution to optimize the power supply from the solar

power system by: determine the model structure and mathematical expressions of the load,

thereby, building optimization problem with the objective function is the minimum cost to

convert the use of solar energy in the peak hours The author has summarized the results

obtained and give the development for the future

Key words - Energy; energy management; optimization; power system; battery

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Biểu đồ tương quan kinh tế và năng lượng 2005-2030 3 Hình 1.2 Nhà máy điện mặt trời Ivanpah tại California, nước Mỹ 10 Hình 1.3 Khởi công xây dựng nhà máy điện mặt trời Thiên Tân 11

Hình 2 2 Minh họa hoạt động lưới điện siêu nhỏ khi tách ra khỏi lưới

Hình 2 3 Tế bào quang điện thông dụng được làm từ tinh thể Silicon 16

Hình 2 5 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 18

Hình 2 7 Đặc tính làm việc U - I của pin mặt trời 20 Hình 2 8 Sơ đồ tương đương của pin mặt trời 20 Hình 2 9 Đường đặc trưng theo độ chiếu sáng của Pin mặt trời 21

Hình 2 10 Sự phụ thuộc của đặc trưng V – A của pin mặt trời vào

Hình 2 11 Sự phụ thuộc của đặc tính pin mặt trời vào nhiệt độ 22 Hình 2 12 Điểm làm việc và điểm công suất cực đại 23 Hình 2 13 Ghép nối hai modul mặt trời với nhau 26 Hình 2 14 Đường đặc tính V-A của modul và cả hệ 26 Hình 2 15 Ghép song song hai modul pin mặt trời 27

Số hiệu Tên hình Trang

Hình 2 16 Đường đặc trưng V-A của modul và hệ 28

Hình 2 19 Bộ biến đổi DC/AC 1 pha dạng nửa cầu 33 Hình 2 20 Cấu trúc hệ thống giám sát nguồn năng lượng 34 Hình 2 21 Mô hình hệ thống với các đồng hồ đo năng lượng 35 Hình 3 1 Giao diện lấy dữ liệu bức xạ mặt trời từ PVgis 43 Hình 3 2 Tìm kiếm vị trí cần khảo sát 44 Hình 3 3 Chọn thông số và định dạng kết xuất dữ liệu 44 Hình 3 4 Dữ liệu thu thập được xuất dưới dạng file txt 45

Hình 5 1 Công suất ba pha tất cả tải tiêu thụ 53 Hình 5 2 Tổng công suất của ba pha các tải tiêu thụ 54 Hình 5 3 Công suất các thành phần tham gia trong hệ thống 54 Hình 5 4 Công suất của các nguồn cung cấp và của các tải tiêu thụ 55 Hình 5 5 Năng lượng của pin trong quá trình tối ưu 55

sử dụng và khai thác không hợp lý gây ra nhiều hậu quả nghiêm trọng Đứng trước tình hình ngày càng khan hiếm về tài nguyên năng lượng, việc sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả là ưu tiên hàng đầu trong chính sách năng lượng quốc gia

Như chúng ta đã biết, chi phí điện năng cho các tải tiêu thụ chiếm một tỉ lệ rất lớn Vì thế, việc tìm ra những giải pháp tiết kiệm năng lượng nhằm giảm chi phí, giảm giá thành và nâng cao được tính cạnh tranh của sản phẩm trên thị trường là điều quan tâm hàng đầu của các nhà sản xuất Đồng thời, việc này cũng giúp giảm được sự tiêu tốn tài nguyên thiên nhiên, góp phần tích cực vào việc bảo vệ môi trường

Nhận thức được tầm quan trọng của việc tiết kiệm năng lượng nói chung cũng như điện năng nói riêng và sự tiết kiệm chi phí khi sử dụng năng lượng từ hệ thống pin mặt trời trong các giờ cao điểm, đó là lý do nghiên cứu, tính toán các giải pháp tiết kiệm điện năng cho hệ thống tải tiêu thụ điện

2 MỤC TIÊU VÀ MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Mục tiêu: Xác định cấu trúc mô hình và các biểu thức toán học của các thành phần tham gia trong hệ thống tiêu thụ năng lượng, từ đó xây dựng bài toán tối ưu cho hàm mục tiêu nhằm chuyển đổi sử dụng nguồn năng lượng từ pin mặt trời trong các giờ cao điểm

- Mục đích: Giảm điện năng tiêu thụ từ lưới điện trong giờ cao điểm, góp phần giảm thiểu chi phí ở mức thấp nhất cho việc tiêu thụ năng lượng của tải

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

- Đối tượng nghiên cứu: Các phụ tải tiêu thụ điện, hệ thống điện mặt trời độc lập, nối lưới

- Phạm vi nghiên cứu: Các hệ thống tiêu thụ điện trong các khu dân cư, hộ gia đình

2

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu các tài liệu sách, báo, giáo trình, bài giảng trong và ngoài nước

- Phương pháp thực nghiệm: Áp dụng các lý thuyết đã nghiên cứu để xây dựng các biểu thức toán học nhằm giải quyết bài toán tối ưu trong việc sử dụng hệ thống năng lượng mặt trời thông qua việc mô phỏng hệ thống

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN

- Ý nghĩa khoa học: Từ kết quả nghiên cứu của đề tài góp phần làm cơ sở cho

việc định hướng khai thác, hoạch định tài nguyên năng lượng một cách hợp lý

- Ý nghĩa thực tiễn: Sử dụng năng lượng thay thế hiệu quả trong các giờ cao điểm đối với phụ tải điện qua đó tiết kiệm được điện năng, giảm chi phí ở mức thấp nhất, góp phần cải thiện môi trường, từ đó có thể nhân rộng việc áp dụng giải pháp cho các hộ gia đình hoặc cơ sở sản xuất khác

6 CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN

Nội dung của luận văn gồm có năm chương sau:

Chương 1 – Giới thiệu

Chương 2 – Cấu trúc hệ thống

Chương 3 – Mô hình hóa hệ thống

Chương 4 – Quản lý năng lượng tối ưu cho hệ thống

Chương 5 – Mô phỏng và kết quả

Năng lượng là yếu tố vô cùng quan trọng cho sự phát triển của mỗi Quốc gia Xã hội càng phát triển thì nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng cao Nhưng nguồn năng lượng hóa thạch truyền thống đang cạn kiệt dần tỷ lệ thuận với tốc độ phát triển của nền kinh tế trên thế giới Bởi vậy, các cuộc xung đột, chiến tranh cục bộ và khu vực, những điểm nóng trên thế giới những năm gần đây, đều có nguyên nhân từ vấn đề tranh chấp và tìm kiếm năng lượng

Hình 1.1 Biểu đồ tương quan kinh tế và năng lượng 2005-2030

(Nguồn: MPI, UNDP Nghiên cứu, xây dựng các mục tiêu định lượng giảm phát thải khí nhà kính trong ngành năng lượng Việt Nam, giai đoạn 2013-2030 Hỗ trợ xây dựng, thực hiện Chiến lược Quốc gia về TĂNG TRƯỞNG XANH Số đăng ký ĐKXB: 1287-2013/CXB/06-632/BĐ)

Trong những năm gần đây, sự phát triển của đất nước ta nói chung cũng như tại các khu đân cư, hộ gia đình nói riêng phát triển với tốc độ ngày càng nhanh Kinh tế phát triển cũng đồng nghĩa với việc khai thác, chế biến và sử dụng chưa hợp lý các nguồn tài nguyên thiên nhiên dẫn đến nhu cầu về năng lượng ngày một gia tăng

4

Từ biểu đồ Hình 1.1 cho thấy so sánh tương quan giữa tăng trưởng kinh tế GDP

và tổng nhu cầu năng lượng, từ năm 2025 đến năm 2030 khả năng thiếu năng lượng đáp ứng nhu cầu tăng trưởng kinh tế là không tránh khỏi, đòi hỏi ngay từ bây giờ chúng ta phải có chiến lược sớm trong việc đáp ứng tổng nhu cầu năng lượng

1.2 SỰ CẦN THIẾT TRONG VIỆC TIẾT KIỆM ĐIỆN NĂNG

Không ai một ngày lại không sử dụng ít nhiều đến điện, do đó việc tìm lời giải cho bài toán tiết kiệm điện năng không thể là trách nhiệm của riêng Chính phủ và những nhà chức trách mà nó phải là trách nhiệm của toàn xã hội Từ gia đình đến doanh nghiệp và những người trong cuộc cần phải có những cách thức để tiết kiệm điện năng hợp lý để nhanh chóng hóa giải được bài toán đau đầu này

Sở dĩ chúng ta phải tiết kiệm điện năng là vì:

- Điện năng tiêu thụ rất lớn trong khi khả năng cung cấp điện của các nhà máy điện không đáp ứng đủ nhu cầu, dẫn đến mất điện, ảnh hưởng rất lớn đến đời sống sinh hoạt, sản xuất của chúng ta

- Khi điện năng tiêu thụ lớn làm điện áp của mạng điện bị giảm xuống, ảnh hưởng xấu đến chế độ làm việc của đồ dùng điện

- Công suất làm việc của các đồ dùng điện càng lớn thì tiêu thụ điện càng nhiều làm ảnh hưởng đến tuổi thọ của các đồ dùng điện

- Nếu tiết kiệm điện năng thì chúng ta sẽ tiết kiệm tiền cho gia đình, hạn chế điện năng trong giờ cao điểm và tránh hỏng hóc đồ dùng điện trong gia đình

- Hơn nữa điện là nhân tố gây ra hiệu ứng nhà kính, làm trái đất nóng lên, ô nhiễm môi trường… vì thế tiết kiệm điện nghĩa là chúng ta đã và đang bảo vệ tính mạng của bản thân, gia đình và xã hội

- Tiết kiệm điện là tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên của chính chúng ta Sự cạn kiệt dần nguồn năng lượng của trái đất đặt ra nhiều thách thức đối với mỗi chúng ta Cuộc khủng hoảng năng lượng đang trở nên hết sức cấp bách, không chỉ đe dọa đến tăng trưởng kinh tế thế giới, mà còn đe dọa trực tiếp hoà bình, an ninh quốc tế Nguồn năng lượng hoá thạch, món quà cực kỳ quý báu của thiên nhiên ban tặng con người đang cạn kiệt Năng lượng chỉ có hạn, con người càng ngày càng sinh ra nhiều, nhu cầu năng lượng ngày càng lớn, nếu ko sử dụng tiết kiệm và nghiên cứu các giải pháp năng lượng mới, thì khủng hoảng năng lượng sẽ xảy ra

- Nguồn cung cấp điện luôn thiếu và là vấn đề khó khăn đối với bất cứ quốc gia nào Hầu hết năng lượng bây giờ được tạo ra từ các nguồn tài nguyên thiên nhiên Ví

5

dụ như điện thì được tạo ra từ nước, than, dầu, khí Vì vậy nếu không tiết kiệm năng lượng thì dẫn đến việc các nguồn tài nguyên thiên nhiên sẽ bị cạn kiệt nhanh chóng Qua các vấn đề đã nêu trên, ta thấy được tầm quan trọng của việc tiết kiệm điện năng

1.3 CÁC GIẢI PHÁP ĐÁP ỨNG NHU CẦU NĂNG LƯỢNG

Tài nguyên nhiên liệu và năng lượng là nguồn lực cơ bản đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế-xã hội của đất nước, quốc gia nào giàu có về nguồn tài nguyên này là cơ

sở tiền đề tốt nhất cho đáp ứng đầu vào của hệ thống kinh tế

Để đáp ứng nhu cầu năng lượng cho phát triển kinh tế và xã hội trong những năm tới, Việt Nam cần có những giải pháp phù hợp với thể chế kinh tế thị trường trong hoàn cảnh chúng ta ngày càng hội nhập sâu vào nền kinh tế thế giới, tính chất cạnh tranh ngày càng khốc liệt

Bên cạnh đó, việc lựa chọn thiết bị tiết kiệm điện; lắp đặt hợp lý, khoa học; điều chỉnh thói quen sử dụng đồ điện là những giải pháp giúp tiết kiệm điện năng trong các hộ gia đình hoặc các khu chung cư

Chẳng hạn một số ví dụ thực tế điển hình đang được áp dụng phổ biến như sau:

 Lựa chọn thiết bị tiết kiệm điện

Các thiết bị điện, thế hệ càng mới khả năng tiết kiệm điện càng cao Khi chọn lựa thiết bị điện quay (bơm nước, quạt điện, máy giặt ), nên chọn động cơ có nhiều nấc tốc độ hoặc có biến tần đi kèm để tiết kiệm điện Với bóng đèn, nên sử dụng đèn tuýp

và compact thay cho bóng đèn tròn, vì bóng đèn tròn tiêu thụ điện gấp 3-4 lần

 Lắp đặt thiết bị hợp lý, khoa học

Biện pháp này cũng góp phần tiết kiệm điện rất lớn

Lắp đặt thiết bị điện hợp lý sẽ góp phần tiết kiệm lượng lớn điện năng tiêu thụ trong gia đình bạn Ví dụ: Máy bơm đặt ở vị trí thích hợp sẽ giúp bể nước nhanh đầy hơn Trong nhà nên quét vôi hoặc lăn tường bằng màu sáng, tận dụng ánh sáng tự nhiên để tiết kiệm một phần ánh sáng điện Nên lắp đặt quạt trần, vì khi quạt trần hoạt động gió sẽ tỏa ra khắp phòng, mát và tiết kiệm hơn so với quạt cây

 Thay đổi thói quen sử dụng đồ điện trong gia đình

Tủ lạnh:

Nên hạn chế mở tủ lạnh để đỡ tốn điện Nhiệt độ bên trong tủ lạnh nên để ở chế

độ 3-6 độ C Với chế độ đông lạnh, để -15 độ C đến -18 độ C Cứ lạnh hơn 10 độ C là

6

tốn thêm 25% điện năng Cũng nên thường xuyên kiểm tra gioăng cao su, nếu bị hở thì

bộ phận nén khí của tủ lạnh sẽ phải làm việc nhiều nên rất tốn điện

Máy điều hoà nhiệt độ:

- Để nhiệt độ ở mức trên 20 độ C Cứ cao hơn 10 độ C là đã tiết kiệm được 10% điện năng

- Nếu thường xuyên lau chùi bộ phận lọc thì sẽ tiết kiệm được từ 5 - 7% điện năng Nếu đặt máy xa tường thì sẽ tiết kiệm được 20 - 25% điện năng

- Nên tắt máy điều hòa nếu vắng nhà 1 giờ trở lên

Quạt:

- Nên cho quạt chạy ở tốc độ thích hợp để tiết kiệm điện vì quạt càng chạy nhanh càng tốn điện

- Sau mỗi lần sử dụng rút phích cắm điều khiển từ xa ở quạt

Ngoài những phương pháp thông dụng đã được ứng dụng nhiều như đã nêu trên, trong luận văn này sẽ đề cập đến một phương án đó là cần có cơ chế chính sách khuyến khích sử dụng đối với nguồn năng lượng tái tạo, trước hết là năng lượng gió, năng lượng mặt trời và năng lượng sinh học Tuy nhiên trong bối cảnh hiện nay, do đầu tư công nghệ và chi phí lớn, nên sản phẩm năng lượng đầu ra của các loại năng lượng và nhiên liệu này còn cao

1.4 VAI TRÒ CỦA VIỆC SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN ĐỘC LẬP VÀ NỐI LƯỚI

Năng lượng tái tạo đã và đang là một xu hướng và sẽ chiếm phần lớn trong việc tạo ra điện trên thế giới Các nhà máy điện truyền thống sẽ dần bị thay thế bởi các Trang trại điện mặt trời/điện gió (Solar Farm/Wind Farm)

Trong bối cảnh nhu cầu năng lượng của Việt Nam ngày một gia tăng, khả năng cung cấp các nguồn năng lượng nội địa hạn chế (phải nhập than cho điện với khối lượng lớn) trong khi tiềm năng nguồn năng lượng tái tạo của Việt Nam rất lớn, kèm theo nhu cầu sử dụng điện và nhiệt cho sản xuất rất cao thì việc xem xét khai thác nguồn năng lượng tái tạo sẵn có cho sản xuất điện, đồng phát năng lượng (cả điện và nhiệt) là rất khả thi cả về công nghệ lẫn hiệu quả kinh tế, môi trường

Ưu thế trong việc sử dụng của năng lượng mặt trời:

Năng lượng hiện tại trong cuộc sống hằng ngày, chúng ta sử dụng khối lượng năng lượng khổng lồ Cuộc sống của chúng ta xoay quanh sự tiêu thụ các nguồn tài nguyên thiên nhiên và tiêu thụ năng lượng Phần lớn trong tỷ lệ tiêu thụ năng lượng

7

được dùng cho sưởi ấm (58%) một phần trong số này có thể cung cấp từ năng lượng mặt trời Kế tiếp là nấu nước, chiếm 24% tổng năng lượng tiêu thụ, hoàn toàn có thể nấu nước bằng năng lượng mặt trời Điều dó có nghĩa là có thể đáp ứng 83% nhu cầu năng lượng bằng công nghệ năng lượng mặt trời Phần năng lượng, 13% được dùng để tạo ra điện năng cung cấp cho chiếu sáng và các thiết bị gia dụng Năng lượng được dùng cho nấu ăn, 5% cũng có thể tạo ra từ năng lượng

Việt Nam có tiềm năng về nguồn năng lượng mặt trời, có thể khai thác cho các

sử dụng như: đun nước nóng, phát điện và các ứng dụng khác như: sấy, đun nấu Việt Nam được xem là một quốc gia có tiềm năng rất lớn về năng lượng mặt trời, đặc biệt ở các vùng miền trung và miền nam của đất nước, với cường độ bức xạ mặt trời trung bình khoảng 5 kWh/m2 Ở Việt Nam, với tổng số giờ nắng trong năm dao động trong khoảng 1.400-3.000 giờ/năm, bức xạ mặt trời trung bình 230-250 kcal/cm2 theo hướng tăng dần về phía Nam, chiếm khoảng 2.000 - 5.000 giờ trên năm, với ước tính tiềm năng lý thuyết khoảng 43,9 tỷ TOE Với kết quả này có thể đánh giá Việt Nam có tiềm năng lớn, là cơ sở tốt về phát triển công nghệ năng lượng mặt trời Năng lượng mặt trời ở Việt Nam có sẵn quanh năm, khá ổn định và phân bố rộng rãi trên các vùng miền khác nhau của đất nước Đặc biệt, số ngày nắng trung bình trên các tỉnh của miền trung và miền nam là khoảng 300 ngày/năm Năng lượng mặt trời được khai thác sử dụng chủ yếu cho các mục đích như: sản xuất điện và cung cấp nhiệt

Tuy nhiên hiện nay việc khai thác và sử dụng nguồn năng lượng này còn hạn chế, nhất là sử dụng cho phát điện, đun nước nóng và vào sấy khô… một trong những nguyên nhân cơ bản là giá sử dụng nguồn năng lượng này so với các nguồn năng lượng khác kém cạnh tranh trên thị trường, mặt khác cơ chế chính sách khuyến khích

sử dụng năng lượng mặt trời và nhận thức của người dân cũng còn hạn chế Trong tương lai khi mà khai thác các nguồn năng lượng khác đã đến mức tới hạn thì nguồn năng lượng mặt trời sẽ là một tiềm năng lớn

Những tiện ích mà điện năng lượng mặt trời mang lại:

- Năng lượng mặt trời không đòi hỏi bất cứ nguồn nhiên liệu nào, hoàn toàn miễn phí và thiết thực;

- Giúp tiết kiệm tiền điện cho người sử dụng hàng tháng;

- Tạo ra một nguồn điện độc lập, xanh sạch và bảo vệ môi trường;

- Cung cấp nguồn điện liên tục kể cả khi điện lưới bị cắt

Việc sử dụng điện năng lượng mặt trời như một nguồn năng lượng tại chỗ thay thế cho các dạng năng lượng truyền thống không những góp phần tiết kiệm điện, giảm

Từ những ứng dụng nhỏ như máy tính bỏ túi ở Việt Nam, đến những chiếc xe ô

tô mặt trời tại Úc, rồi vệ tinh dùng năng lượng mặt trời của Mỹ Người ta cũng bắt gặp những chiếc đèn sạc bằng năng lượng mặt trời ở các ngôi làng chưa có điện lưới ở Châu Phi, tới những bộ điện mặt trời quy mô hộ gia đình ở Bangladesh, hay những trang trại điện mặt trời rộng hàng ngàn mét vuông ở Đức

Cả thế giới đã có tới gần 40GW điện sản xuất từ năng lượng mặt trời Trong đó, công suất lắp đặt mới năm 2010 là 16.6GW, nước Đức đóng góp gần 50% lượng điện sản xuất ra từ năng lượng mặt trời năm 2010, bằng một nửa nhu cầu điện năng của cả nước ta

Trong vòng 5 năm qua, công suất lắp đặt điện mặt trời đã tăng một cách ngoạn mục nhờ những nỗ lực về chính sách nghiên cứu phát triển, hỗ trợ công nghiệp và đặc biệt là chính sách biểu giá FIT, hỗ trợ điện từ năng lượng mặt trời Bình quân mỗi năm công suất lắp đặt tăng 50%, trong vòng 5 năm trở lại đây Năm 2008, tổng công suất lắp đặt điện mặt trời đạt 16GW, chỉ một năm sau đã tăng lên tới 22GW và năm 2010 đạt xấp xỉ 40GW

Trong đó Châu Âu chiếm tới 75% sản lượng điện từ năng lượng mặt trời Trung Quốc cũng là một thị trường mới nổi nhờ sự đầu tư lớn vào ngành công nghiệp sản xuất pin mặt trời cũng như chính sách trợ giá cho người tiêu dùng Năm 2011 đánh dấu 1GW công suất lắp đặt đầu tiên của nước này Ba khu vực sản xuất điện mặt trời chính của thế giới là EU, Asia Pacific (Nhật Bản, Trung Quốc, Hàn Quốc, Úc, Đài Loan, Thái Lan) và Bắc Mỹ

Xu hướng hiện nay trên thế giới là phân tán các nguồn cung năng lượng quy mô lớn, và nhờ đó, điện mặt trời có chỗ đứng với công suất cho một nhà máy ngày càng tăng Theo khảo sát của PVR Partners (http://www.pvresource.com), thì một phần tư công suất lắp đặt mới năm 2010 là cho các hệ thống lớn từ 500kWp trở lên

9

Nhờ những nỗ lực trong nghiên cứu đưa hiệu suất pin tăng lên (tới 40% theo kết quả của NREL), hay từ 16-20% cho các loại pin tinh thể Silic thông thường Đây là 1 động lực lớn góp phần tăng tính cạnh tranh cho điện mặt trời nhờ giảm được nhược điểm về diện tích lắp đặt và giá thành của pin mặt trời

Dự án lớn nhất thế giới về xây dựng nhà máy điện mặt trời tại sa mạc Sahara với công suất 100GW, cung cấp cho nhu cầu 15% năng lượng của châu Âu, dự kiến hoàn thành vào năm 2050 với sự tham gia của 12 tập đoàn lớn trên thế giới với giá trị dự án lên đến 555 tỷ USD (http://inhabitat.com/ginormous-saharan-renewable-project-movingforward)

Một số dự án điện mặt trời trên thế giới được trình bày trong Bảng 1.1

Bảng 1.1 Nhà máy điện mặt trời lớn nhất thế giới tính đến tháng 5 năm 2011

(Nguồn: Denis Lenardic, pvresources.com/Solarserver)

1 Nhà máy điện mặt trời Sarnia PV Canada 97 2010

2 Nhà máy điện mặt trời Montalto di

3 Solarpark Finsterwalde I,II,III Đức 80 2010

4 Nhà máy điện mặt trời Rovigo Ý 71 2010

5 Nhà máy điện mặt trời Parque

Fotovoltaico Olmedilla de Alarcón Tây Ban Nha 60 2008

6 Nhà máy điện mặt trời Solarpark

7 Nhà máy điện mặt trời Solarpark

8 Nhà máy điện mặt trời Copper

9 Nhà máy điện mặt trời Parque

Fotovoltaico Puertollano Tây Ban Nha 48 2008

10 Nhà máy điện mặt trời Moura Bồ Đào Nha 46 2008

10

Hình 1.2 Nhà máy điện mặt trời Ivanpah tại California, nước Mỹ

Điện mặt trời tại Việt Nam

Tiềm năng điện mặt trời ở Việt Nam

Đối với cuộc sống của loài người, năng lượng Mặt Trời là một nguồn năng lượng tái tạo quý báu

Theo các nhà chuyên môn thì trong tương lai, nhu cầu sử dụng các thiết bị chạy bằng năng lượng mặt trời ở nước ta là rất lớn, kể cả khu vực thành thị cũng như khu vực nông thôn Pin mặt trời vừa có thể thay thế cho thuỷ điện nhỏ khi mùa hanh khô, vừa có thể là nguồn năng lượng dự trữ khi điện lưới quốc gia không đủ cung cấp cho người dân Do đó việc sử dụng năng lượng mặt trời ở nước ta sẽ đem lại hiệu quả kinh

tế rất lớn

Những dự án điện mặt trời ở Việt Nam

Bảng 1.2 Các nhà máy điện Mặt trời ở Việt Nam

1 Nhà máy quang điện mặt trời Thiên Tân 800 tỉ 19,2 2015

2 Nhà máy điện mặt trời Tuy Phong 1.454 tỉ 30 2017

11

Hình 1.3 Khởi công xây dựng nhà máy điện mặt trời Thiên Tân Như vậy, nếu xét về cả mặt kinh tế lẫn môi trường thì rõ ràng nhà máy điện mặt trời tỏ ra có quá nhiều ưu điểm so với hai kiểu nhà máy năng lượng cũ là thủy điện và nhiệt điện khi nó sử dụng năng lượng sạch và gần như không bao giờ cạn, mặc dù chi phí đầu tư ban đầu cao nhưng nó lại không gây ra bất kỳ hậu quả tiêu cực nào đến môi trường cũng như cuộc sống của con người

Đề tài này cho ta cái nhìn tổng quan về năng lượng mặt trời, đồng thời có được

sự thay thế sử dụng năng lượng mặt trời một cách tối ưu trong các giờ cao điểm cho các tải tiêu thụ điện, góp phần tiết kiệm năng lượng cũng như giảm tải cho lưới điện quốc gia một phần năng lượng Bên cạnh đó, nguồn năng lượng mặt trời có thể được

dự trữ góp phần giảm quá tải của nguồn lưới vào giờ cao điểm

12

CHƯƠNG 2 - CẤU TRÚC HỆ THỐNG 2.1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG

Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống Các bộ phận chính của hệ thống nối lưới được thể hiện trong Hình 2.1, gồm có:

bộ phát điện bằng pin mặt trời (PV), hệ thống pin lưu trữ năng lượng (batteries), các tải tiêu thụ (Loads), nguồn điện lưới (Grid) và các bộ chuyển đổi điện áp (converters) [2]

Đây là một trong các giải pháp mô hình Microgrid sử dụng điện mặt trời kết hợp bình ắc quy dự trữ (pin) [1] Năng lượng dự trữ trong bình ắc quy được biến đổi thành điện AC nhờ vào bộ nghịch lưu, cấp cho tải sử dụng

Ưu điểm giải pháp:

 Không phụ thuộc điện lưới

 Được thiết kế dạng module, dễ dàng nâng cấp công suất sau này

 Có nhiều loại ắc quy linh động trong việc lựa chọn sử dụng: 12V, 24V, 36V, 48V hay 60V

 Giải pháp đã có các chức năng bảo vệ cho hệ thống khi hoạt động: quá dòng, quá áp, quá tải, ngược cực…

13

 Chế độ làm việc của inverter hoàn toàn tự động, có màn hình theo dõi kiểm soát hệ thống và có các cảnh báo lỗi kịp thời khi có sự cố

 Hệ thống có thể giám sát từ xa qua hệ thống Ethernet Người dùng có thể

dễ dàng truy cập mọi lúc, mọi nơi trên tất cả các thiết bị có kết nối Ethernet Thông tin về tình trạng hệ thống được đo bởi các cảm biến và được đảm bảo cập nhật liên tục

Với hệ thống đã giới thiệu như hình 2.1 là một hệ thống điện mặt trời nối lưới là giải pháp tối ưu về chi phí đầu tư và chi phí sử dụng điện, đặc biệt thích hợp cho hộ gia đình, nhà máy, tòa nhà… những nơi đã có điện lưới Hiện nay, việc điện mặt trời tạo ra này có thể bán lại cho các công ty điện lực đang là xu hướng tại nhiều nước trên thế giới, kể cả Việt Nam

Hệ thống chuyển hóa thành nguồn điện một chiều (DC) từ các tấm pin năng lượng mặt trời thành nguồn điện xoay chiều (AC) thông qua bộ chuyển đổi điện nối lưới (inverter) Bộ chuyển đổi này được lập trình tự dò điểm công suất cực đại (Maximum Power Point Tracker_MPPT) từ các tấm pin nhằm tối ưu điện năng nhận được từ năng lượng mặt trời Ngoài ra, hệ thống sẽ đồng bộ pha và kết nối giữa điện mặt trời và điện lưới; trong đó, ưu tiên sử dụng điện mặt trời cung cấp trực tiếp cho tải Một số ưu điểm khác của hệ thống

 Hệ thống đơn giản, dễ vận hành và sử dụng

 Dễ dàng nâng cấp mở rộng hệ thống

 Tuổi thọ của hệ thống pin năng lượng mặt trời cao, lên đến hơn 20 năm

 Thể hiện sự hiện đại của công trình

 Giảm thiểu chi phí điện, góp phần bảo vệ môi trường từ việc giảm lượng khí thải

 Hệ thống tự động ngưng hoạt động trong trường hợp điện lưới bị mất để đảm bảo an toàn cho lưới điện và người sử dụng

 Vẫn sử dụng được thiết bị điện khi cúp điện bằng nguồn dự trữ từ ắc quy (đã được ưu tiên sạc đầy từ nguồn điện mặt trời) Số lượng ắc quy được tính toán tối ưu dựa vào nhu cầu tải sử dụng

 Phù hợp cho các nhu cầu cần sử dụng thiết bị 24/24, không phụ thuộc vào điện lưới

là một hệ thống năng lượng tích hợp bao gồm các nguồn năng lượng phân tán (DER - distributed energy resources), một số phụ tải và hệ thống đo đếm, hệ thống này có thể hoạt động như một lưới điện độc lập, tách khỏi lưới điện phân phối hiện hành” Chính tính năng hoạt động độc lập đã tạo cho lưới điện siêu nhỏ sự quan tâm đặc biệt tại Châu Mỹ và một số thị trường khác

Microgrid là một nhóm các bộ lưu trữ năng lượng phân tán dước dạng các máy phát phân tán và các phụ tải liên kết với nhau qua hệ thống phân phối Microgrid là những lưới điện độc lập, có thể/không liên kết với lưới điện quốc gia, điện áp làm việc thấp, công suất vận chuyển nhỏ, cung cấp cho một nhóm hộ tiêu thụ nhỏ, chủ yếu sử dụng các nguồn phát tại chỗ Microgrid chủ yếu liên kết các cụm nguồn phát công suất phân tán có công suất nhỏ từ nguồn năng lượng tái tạo như: Gió, mặt trời, sinh khối … cung cấp trực tiếp cho khách hàng, sử dụng nhiều ở các vùng sâu, vùng xa chưa có lưới quốc gia hay lưới liên kết yếu

VẬN HÀNH MICRO GRID: Microgrid có thể hoạt động trong các chế độ: nối lưới điện quốc gia, chế độ độc lập, chế độ lai ghép

15

+ Chế độ nối lưới, mục tiêu điều khiển là kiểm soát điểm dừng công suất bằng cách điều khiển công suất phát của các DG, đặc biệt là các DG dùng công nghệ nghịch lưu nối lưới

+ Chế độ độc lập, mục tiêu điều khiển là kiểm soát biên độ điện áp và tần số ở mức chấp nhận được trong ràng buộc hợp lý về công suất phát của các DG trong lưới Đặc biệt là việc khai thác các lưới điện siêu nhỏ sẽ giảm thiểu thiệt hại của toàn

bộ hệ thống điện, đồng thời giảm thiệt hại cho khách hàng sử dụng điện trong trường hợp xảy ra thiên tai

Minh chứng cho nhận định trên là một nghiên cứu của Viện Perfect Power tại Hoa Kỳ: nếu 24 tiểu bang của Hoa Kỳ bị ảnh hưởng của siêu bão Sandy sử dụng khoảng 2.000 lưới điện siêu nhỏ tại các cơ quan thiết yếu của xã hội như cảnh sát, cứu hỏa, y tế, trường học, trạm xăng, khách sạn v…v thì các tiểu bang đều có thể đảm bảo các sinh hoạt thiết yếu cho cộng đồng trong vòng một tháng mà không phải kết nối với lưới điện phân phối tập trung vốn đã bị thiệt hại nghiêm trọng do siêu bão Sandy gây

ra

Sự thông minh của hệ thống lưới điện siêu nhỏ còn thể hiện ở khả năng linh hoạt trong quản lý điện, cung cấp mức độ sử dụng phù hợp với con người và môi trường Nếu lượng điện năng cung cấp vượt quá nhu cầu của tải thì bộ xử lý của hệ thống sẽ báo số liệu đến các máy phát điện để các máy phát điện tự kết nối với nhau và điều chỉnh nguồn điện cung cấp cho phù hợp hoặc có thể đưa nguồn năng lượng dư thừa đó vào hệ thống pin để lưu trữ dự phòng sau này Bên cạnh đó, việc lắp mới các thiết bị vào hệ thống lưới điện siêu nhỏ cũng dễ dàng hơn nhiều so với hệ thống điện hiện nay

2.2.2 Cấu tạo và hoạt động pin mặt trời (PV)

Mặt trời là một trong những ngôi sao phát sáng mà con người có thể quan sát được trong vũ trụ Mặt trời cùng với các hành tinh và các thiên thể của nó tạo nên hệ mặt trời trong dãi ngân hà cùng với hàng tỷ hệ mặt trời khác Mặt trời luôn phát ra nguồn năng lượng khổng lồ và một phần nguồn năng lượng đó truyền bức xạ đến trái đất chúng ta Trái đất và mặt trời có mối quan hệ chặt chẽ, chính bức xạ mặt trời là yếu

tố quyết định cho sự tồn tại của sự sống trên hành tinh của chúng ta Năng lượng mặt trời là một trong các nguồn năng lượng sạch và vô tận vì nó là nguồn gốc của các nguồn năng lượng khác trên trái đất Con người đã biết tận hưởng nguồn năng lượng quý giá này từ rất lâu tuy nhiên việc khai thác sử dụng nguồn năng lượng này một cách hiệu quả nhất thì vẫn là vấn đề mà chúng ta đang quan tâm

Pin mặt trời hay pin quang điện (ký hiệu là PV), là hệ thống các tấm vật liệu đặc biệt có khả năng chuyển đổi quang năng của ánh sáng mặt trời thành điện năng Pin

16

mặt trời được cấu tạo bằng các tế bào quang điện (cells) đơn tinh thể (monocrystalline)

và đa tinh thể (polycrystalline) có hiệu suất cao (15% - 18%), công suất từ 25Wp đến 240Wp và có tuổi thọ trung bình 30 năm

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

tế bào quang điện (solar cells) - 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 pin mặt trời (thông thường 60 hoặc 72 tế bào quang điện trên một tấm pin mặt trời) 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 (vd cảm biến hồng ngoại), hoặc các phát xạ điện từ gần ngưỡng ánh sáng nhìn thấy hoặc

đo cường độ ánh sáng

Hình 2 3 Tế bào quang điện thông dụng được làm từ tinh thể Silicon

Pin mặt trời là phương pháp sản xuất trực tiếp từ năng lượng mặt trời qua thiết bị biến đổi quang điện Pin mặt trời có ưu điểm là gọn nhẹ có thể lắp ở bất kỳ đâu có ánh nắng mặt trời, đặc biệt là trong lĩnh vực tàu vũ trụ Ngày nay con người đã ứng dụng pin mặt trời trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, để chạy xe và trong sinh hoạt thay thế dần nguồn năng lượng truyền thống Công suất và điện áp của một hệ thống sẽ phụ thuộc vào cách chúng ta nối ghép các tấm pin mặt trời lại với nhau Các tấm pin mặt trời được lắp đặt ở ngoài trời để có thể hứng được ánh nắng tốt nhất từ mặt trời nên được thiết kế với những tính năng và chất liệu đặc biệt, có thể chịu đựng được sự khắc nghiệt của thời tiết, khí hậu, nhiệt độ…

Pin năng lượng mặt trời (pin mặt trời/pin quang điện) là thiết bị giúp chuyển hóa trực tiếp năng lượng ánh sáng mặt trời (quang năng) thành năng lượng điện (điện năng) dựa trên hiệu ứng quang điện

17

2.2.2.1 Hiệu ứng quang điện

Hiệu ứng quang điện là một hiện tượng điện - lượng tử, trong đó các điện tử được thoát ra khỏi nguyên tử (quang điện trong) hay vật chất (quang điện thường) sau khi hấp thụ năng lượng từ các photon trong ánh sáng làm nguyên tử chuyển sang trạng thái kích thích làm bắn electron ra ngoài Hiệu ứng quang điện đôi khi được người ta dùng với cái tên Hiệu ứng Hertz, do nhà khoa học Heinrich Hertz tìm ra

Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật lý người pháp Alexandre Edmond Becquerel Tuy nhiên cho đến năm 1883 một pin năng lượng mới được tạo thành, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối thiết bị chỉ có hiệu suất 1%, Russell Ohl xem là người tạo ra pin năng lượng mặt trời đầu tiên năm 1946 Sau đó Sven Ason Berglund

đã có các phương pháp liên qian đến việc tăng khả năng cảm nhận ánh sáng của pin

Hình 2 4 Hiệu ứng quang điện

Hiện tượng: Khi bề mặt của một tấm kim loại được chiếu bởi bức xạ điện từ có

tần số lớn hơn một tần số ngưỡng (tần số ngưỡng này là giá trị đặc trưng cho chất làm nên tấm kim loại này), các điện tử sẽ hấp thụ năng lượng từ các photon và sinh ra dòng điện (gọi là dòng quang điện) Khi các điện tử bị bật ra khỏi bề mặt của tấm kim loại,

ta có hiệu ứng quang điện ngoài (external photoelectric effect) Các điện tử không thể phát ra nếu tần số của bức xạ nhỏ hơn tần số ngưỡng bởi điện tử không được cung cấp

đủ năng lượng cần thiết để vượt ra khỏi rào thế (gọi là công thoát) Điện tử phát xạ ra dưới tác dụng của bức xạ điện từ được gọi là quang điện tử Ở một số chất khác, khi được chiếu sáng với tần số vượt trên tần số ngưỡng, các điện tử không bật ra khỏi bề mặt, mà thoát ra khỏi liên kết với nguyên tử, trở thành điện tử tự do (điện tử dẫn) chuyển động trong lòng của khối vật dẫn, và ta có hiệu ứng quang điện trong (internal

18

photoelectric effect) Hiệu ứng này dẫn đến sự thay đổi về tính chất dẫn điện của vật dẫn, do đó, người ta còn gọi hiệu ứng này là hiệu ứng quang dẫn

Hình 2 5 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

2.2.2.2 Cấu tạo của pin mặt trời

Hiện nay, Silic tinh thể là vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời Pin mặt trời từ tinh thể silic chia ra thành 3 loại:

 Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình Czochralski Đơn tinh thể loại này có hiệu suất tới 16% Chúng thường rất mắc 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 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

19

Hình 2 6 Các tấm pin mặt trời Một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện bên trong gọi là bức xạ mặt trời Pin mặt trời được sản xuất và ứng dụng phổ biến hiện nay là các pin mặt trời được chế tạo

từ vật liệu tinh thể bán dẫn silicon (Si) có hóa trị 4 Từ tinh thể Si tinh khiết, để có vật liệu tinh thể bán dẫn Si loại n, người ta pha tạp chất donor là photpho có hóa trị 5 Còn

có thể vật liệu bán dẫn tinh thể loại p thì tạp chất acceptor được dùng để pha vào Si là

Bo có hóa trị 3 Đối với pin mặt trời từ vật liệu tinh thể Si khi bức xạ mặt trời chiếu đến thì hiệu điện thế hở mạch giữa hai cực khoảng 0.55V và dòng điện đoản mạch của

nó khi bức xạ mặt trời có cường độ 1000W/m2 vào khoảng 25-30 mA/cm2

Hiện nay người ta đã thay thế tạo pin mặt trời bằng vật liệu SI vô định hình (aSi)

So với pin mặt trời a-Si giá thành rẻ hơn nhưng hiệu suất thấp hơn và kém ổn định Ngoài Si, hiện nay người ta đang nghiên cứu và thử nghiệm các loại vật liệu khác

có nhiều triển vọng như Sunfit cadimi – đồng (CuCds), galium –arsenit (GaAs) …

2.2.2.3 Đặc tính làm việc của pin mặt trời

Đặc tính làm việc của pin mặt trời thể hiện qua hai thông số là điện áp hở mạch lớn nhất VOC lúc dòng ra bằng 0 và dòng điện ngắn mạch ISC khi điện áp ra bằng 0 Công suất của pin được tính theo công thức:

Hình 2 7 Đặc tính làm việc U - I của pin mặt trời

Hình 2 8 Sơ đồ tương đương của pin mặt trời

Từ sơ đồ tương đương, có thể dễ dàng viết được những phương trình đặc trưng Volt – Ampere của pin mặt trời như sau:

21

Id : Dòng qua diode (A/m2)

Ish : Dòng dò (A/m2)

Is : Dòng bão hòa (A/m2)

n : Hệ số lý tưởng phụ thuộc vào mức độ hoàn thiện công nghệ pin mặt

trời Gần đúng có thể lấy n=1

Rs : Điện trở nối tiếp (điện trở trong) của pin mặt trời (Ω/m2)

Rsh : Điện trở Shunt (Ω/m2)

q : Điện tích của điện tử (C)

Ta có thể bỏ qua số hạng cuối trong biểu thức trên vì thông thường điện trở Shunt Rsh rất lớn Đường đặc trưng sáng V-A của pin mặt trời cho bởi biểu thức có dạng như đường cong như trong hình Trên đường đặc trưng này có ba điểm quan trọng:

 Dòng ngắn mạch Isc

 Điện áp hở mạch Voc

 Điểm công suất cực đại PM

Hình 2 9 Đường đặc trưng theo độ chiếu sáng của Pin mặt trời

Hình 2 11 Sự phụ thuộc của đặc tính pin mặt trời vào nhiệt độ

23

2.2.2.4 Điểm làm việc cực đại

Xét một đường đặc tính V-A của pin mặt Trời đối với một cường độ bức xạ cho trước và ở nhiệt độ xác định Nếu các cực của pin mặt trời được nối với tải tiêu thụ điện R thì điểm cắt nhau của đường đặc tính V-A của pin mặt Trời và đường đặc trưng của tải trong tọa độ OIV là điểm làm việc của pin mặt Trời Nếu tải tiêu thụ điện của một pin mặt Trời là một tải điện trở Ohm thuần, thì đường đặc trưng tải là một đường thẳng đi qua gốc tọa độ và có độ nghiêng α đối với trục OV và tgα = 1/R Trong trường hợp này, công suất pin mặt trời cấp cho tải chỉ phụ thuộc vào giá trị điện trở R Trong tọa độ OIV, diện tích hình chữ nhật giới hạn bởi hoành độ và tung độ của điểm làm việc cũng chính là công suất pin mặt Trời cấp cho tải R Với các giá trị R khác nhau, các điểm làm việc sẽ khác nhau và do đó tải tiêu thụ cũng khác nhau Tồn tại một giá trị R=ROPT mà tại đó công suất tải tiêu thụ là cực đại Điểm làm việc ứng với công suất cực đại, điểm A trên hình dưới, là điểm tiếp xúc giữa đường đặc tính V-

A của pin mặt Trời và đường công suất không đổi (các đường hyperbol)

Hình 2 12 Điểm làm việc và điểm công suất cực đại Theo định luật Ohm, giá trị điện trở tải tối ưu ROPT được xác định như sau:

𝑅𝑂𝑃𝑇 =𝑉𝑂𝑃𝑇

24

Ở điều kiện cường độ bức xạ không đổi và nhiệt độ cho trước ta thấy:

 Nếu điện trở tải nhỏ, R << ROPT, pin mặt trời làm việc trong miền MN là miền

mà cường độ dòng điện gần như không đổi và gần bằng dòng đoản mạch ISC

 Nếu điện trở tải R lớn, R >> ROPT, pin mặt Trời làm việc trong miền PS với hiệu điện thế gần như không đổi và gần bằng điện thế hở mạch VOC

Ta thấy rằng chỉ khi tải tiêu thụ điện có giá trị lân cận ROPT thì pin mặt Trời mới làm việc có hiệu quả Điều này không phải lúc nào cũng dễ dàng đạt được bởi vì điểm làm việc ngay đối với một máy tiêu thụ điện cũng thay đổi Ngoài ra, đường đặc tính V-A của pin mặt Trời cũng thay đổi bởi bức xạ mặt Trời và nhiệt độ của môi trường thay đổi liên tục theo thời gian và do đó làm dịch chuyển điểm làm việc ra khỏi điểm làm việc tối ưu

Dưới điều kiện cường độ bức xạ và nhiệt độ nhất định thì công suất lúc này của pin mặt trời là công suất cực đại và là công suất đỉnh Thường được tính dưới điều kiện thử nghiệm chuẩn (STC : Standard Test Condition) là cường độ bức xạ 1000W/m2 và nhiệt độ 250C

Công suất đỉnh thường được đo bằng Wp (Watt peak), để chỉ ra giá trị công suất đỉnh ở điều kiện phòng thí nghiệm, giá trị này rất khó đạt được khi pin mặt trời làm việc dưới điều kiện thực tế

2.2.2.5 Hiệu suất chuyển đổi năng lượng

Hiệu suất chuyển đổi quang năng là tỉ lệ phần trăm năng lượng photon đã chuyển hóa thành điện năng khi pin được nối với tải trên năng lượng photon thu vào

ƞ =𝑃𝑚𝑎𝑥

Với: E (W/m2) : cường độ bức xạ tới

A (m2) : diện tích bề mặt của pin

Hệ số lấp đầy Kf (Fill factor)

Hệ số lấp đầy là tỉ số giữa công suất cực đại với tích của điện áp hở mạch VOC và dòng ngắn mạch ISC

𝐾𝑓 = 𝑃𝑚𝑎𝑥

25

Các thông số quang điện hóa gồm dòng ngắn mạch ISC, điện thế mạch hở VOC, và công suất cực đại Pmax được xác định từ đường đặc trưng V-A

2.2.2.6 Tấm năng lượng mặt trời

Nhiều pin mặt trời tạo thành tấm năng lượng pin mặt trời có thể gồm 36 đến 72 pin mặt trời mắc nối tiếp với nhau Năng lượng mặt trời được chuyển hóa thành điện năng qua những tấm pin mặt trời này Mỗi pin mặt trời cung cấp một lượng nhỏ năng lượng, nhưng nhiều pin được đặc trải dài trên một diện tích lớn tạo nên nguồn năng lượng lớn hơn đủ để cung cấp năng lượng cho các thiết bị sử dụng Mỗi tấm pin mặt trời có công suất khác nhau tùy vào mỗi hãng sản xuất như: 30Wp, 40Wp, 45Wp, 50Wp, 75Wp, 100Wp, 125Wp, 150Wp Điện áp của các tấm pin thường là 12VDC Công suất và điện áp của hệ thống tùy thuộc vào cách ghép nối các tấm pin lại với nhau Nhiều tấm năng lượng mặt trời có thể ghép nối tiếp hoặc song song với nhau để tạo thành một dàn pin mặt trời Các tấm năng lượng phải luôn được phơi nắng và hướng trực tiếp về phía mặt trời để đạt được hiệu năng tốt nhất

Do bức xạ mặt trời trên bề mặt trái đất không đồng đều nhau nên hiệu suất thu được điện năng từ pin mặt trời ở các vùng miền vào các giờ khác nhau trong ngày là khác nhau

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của pin mặt trời:

 Chất liệu bán dẫn làm pin

 Vị trí các tấm năng lượng mặt trời

 Thời tiết khí hậu và các mùa trong năm

 Thời gian trong ngày: sáng, trưa, chiều

Trong khâu thiết kế sản xuất đã tính đến việc đảm bảo các tấm năng lượng mặt trời khi đặt ngoài trời chịu được các thay đổi của khí hậu, thời tiết, mưa bão, sự ăn mòn của nước biển, sự oxi hóa… Tuổi thọ của mỗi tấm pin khoảng 25 đến 30 năm, tùy vào từng hãng sản xuất

2.2.2.7 Cách ghép nối các tấm năng lượng mặt trời

Như ta đã biết, từ các nhà sản xuất các modun pin mặt trời điều có công suất và hiệu điện thế xác định Do đó, để tạo ra công suất và hiệu điện thế theo yêu cầu thì phải ghép nối nhiều tấm modul lại với nhau Có hai cách ghép cơ bản:

 Ghép nối tiếp các tấm modun lại sẽ cho điện áp ra lớn hơn

 Ghép song song các tấm modun lại sẽ cho dòng điện lớn hơn

26

Trong thực tế, để đáp ứng cả yêu cầu về điện áp và dòng điện phương pháp ghép hỗn hợp được sử dụng nhiều hơn

 Phương pháp ghép nối tiếp các tấm modul mặt trời

Hình 2 13 Ghép nối hai modul mặt trời với nhau

Hình 2 14 Đường đặc tính V-A của modul và cả hệ Giả sử các modul đều giống nhau, có đường đặc tính V – A giống nhau, các thông số dòng đoản mạch Isc, điện thế hở mạch VOC bằng nhau Giả sử cường độ chiếu sáng trên các tấm là đồng đều nhau Khi ghép nối tiếp các tấm modul này ta sẽ có:

𝑉 = ∑ 𝑉𝑖𝑛

𝑖=1

(2.7)

I, P, V, … là dòng điện công suất và hiệu điện thế của cả hệ

Ii, Vi, Pi, … là dòng điện, công suất, hiệu điện thế của modun thứ i trong hệ Iopti, Vopti, Popti,… là dòng điện làm việc tối ưu, điện thế làm việc tối ưu, công suất làm việc tối ưu của các modun thứ i trong hệ

Iopt, Vopt, Popt, … là dòng điện làm việc tối ưu, hiệu điện thế làm việc tối ưu, công suất làm việc tối ưu của hệ

Khi có giá trị 0<R< ∞, các modul làm việc như các máy phát tương đương Đường đặc tính vôn – ampe của hệ bằng tổng hình học của hai đường đặc trưng của mỗi modul

 Phương pháp ghép song song các tấm modul mặt trời

Ở cách ghép này, ta cũng giả sử các modul đều giống nhau, có đường đặc tính

V-A giống nhau, các thông số dòng đoản mạch Isc, điện thế hở mạch Voc bằng nhau Giả

sử cường độ chiếu sáng trên các tấm đồng đều nhau

Hình 2 15 Ghép song song hai modul pin mặt trời

2.2.3 Bộ biến đổi DC/DC

Bộ biến đổi DC/DC được sử dụng nhiều trong nguồn điện một chiều với mục đích chuyển đổi nguồn một chiều không ổn định thành nguồn một chiều có thể điều khiển được Trong hệ thống pin mặt trời, MPPT được kết hợp cùng với bộ biến đổi DC/DC Nguồn điện áp vào lấy từ nguồn pin mặt trời được bộ biến đổi DC/DC điều chỉnh để tìm MPPT, chuyển đổi và cung cấp điện áp lớn nhất phù hợp với tải Nhìn

Để giúp cho người sử dụng kiểm soát được các phụ tải, bộ điều khiển còn cho biết tình trạng nạp điện của pin mặt trời vào ắc-quy Bộ điều khiển còn thực hiện việc bảo vệ nạp quá mức điện áp hoặc dưới ngưỡng cho phép Khi bộ điều khiển xác nhận bình ắc-quy đã được nạp đầy hoặc điện áp bình quá thấp thì mạch bảo vệ của bộ điều khiển sẽ thực hiện việc ngắt mạch

Các bộ biến đổi DC/DC thường được chia làm 2 loại có cách ly và loại không cách ly Loại cách ly sử dụng máy biến áp cách ly về điện và tần số cao kích thước nhỏ

để cách ly nguồn điện một chiều đầu vào với nguồn một chiều đầu ra và tăng áp hay giảm áp bằng cách điều chỉnh hệ số biến áp Loại này thường sử dụng cho các nguồn cấp một chiều sử sụng khóa điện từ Trong nhiều thiết bị quang điện, vì lý do an toàn nên hệ thống làm việc với lưới thường dùng loại có cách ly về điện Loại biến đổi DC/DC không cách ly không sử dụng máy biến áp cách ly, thường được dùng trong các bộ điều khiển động cơ một chiều Trong hệ PV, các loại bộ biến đổi DC/DC thường dùng gồm:

 Bộ giảm áp (buck)

 Bộ tăng áp (boost)

 Bộ đảo dấu điện áp (buck – boost)

 Bộ biến đổi tăng – giảm áp cúk

Yêu cầu của tải đối với điện áp ra của dãy pin mặt trời sẽ quyết định đến việc lựa chọn bộ biến đổi DC/DC nào để sử dụng trong hệ PV

Mỗi khi điện áp vào vượt quá điện áp ra của bộ biến đổi, bộ giảm áp Buck sẽ định được điểm làm việc có công suất tối ưu Khi cường độ bức xạ của ánh sáng xuống thấp thì trường hợp này khó thực hiện được

Ở trong hệ thống này, hệ thống có thể làm việc tối ưu ngay cả với cường độ ánh sáng yếu bằng việc sử dụng bộ tăng áp boost

2.2.3.1 Mạch Buck