Nghiên cứu hệ nguồn phát điện sức gió và mặt trời có áp dụng phương pháp điều khiển hiện đại cho bộ biến đổi dc ac

Trong đó, phụ tải điện có thể bao gồm cả phụ tải một chiều và phụ tải xoay chiều: - Nguồn cấp từ phía máy điện sức gió và pin mặt trời có ý nghĩa tận dụng nguồn năng lượng tại chỗ góp ph

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGÔ MINH ĐỨC

NGHIÊN CỨU HỆ NGUỒN PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ VÀ MẶT TRỜI CÓ ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI

CHO BỘ BIẾN ĐỔI DC/AC

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Mã số: 60520216

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

THÁI NGUYÊN 2016

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Ngô Minh Đức, học viên lớp cao học K16 chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển

và Tự động hóa, sau hai năm học tập và nghiên cứu, được sự giúp đỡ của các thầy cô giáo và đặc biệt là thầy giáo hướng dẫn tốt nghiệp TS Đặng Danh Hoằng, tôi đã hoàn thành chương trình học tập và đề tài luận văn tốt nghiệp “Nghiên cứu hệ nguồn phát điện sức gió và mặt trời có áp dụng phương pháp điều khiển hiện đại cho bộ biến đổi DC/AC”

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân dưới sự hướng dẫn của Thầy giáo TS Đặng Danh Hoằng Nội dung luận văn chỉ tham khảo và trích dẫn các tài liệu đã được ghi trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất

kỳ tài liệu nào khác

Thái Nguyên, ngày 15 tháng 03 năm 2016

Học viên

Ngô Minh Đức

LỜI NÓI ĐẦU

Từ cuối thế kỷ 20 và đặc biệt trong 10 năm trở lại đây tình hình năng lượng đang thay đổi - có một số lượng lớn các nguồn cung cấp năng lượng không phải là dạng truyền thống đang được thúc đẩy phát triển mạch mẽ không những riêng ở nước ta, mà trên phạm vi toàn cầu Đó là các dạng nguồn phát điện theo công nghệ sạch Ví dụ như: phong điện, thủy điện nhỏ, điện mặt trời, V.V Chúng có thể được khai thác dưới các loại hình mạng điện khác nhau: có thể là mạng điện cục bộ, mạng phân tán có kết nối với lưới quốc gia, mạng điện thông minh Trước đây, những loại hình mạng điện này chưa được quan tâm khai thác và phát triển, lý do chính là đặc điểm của các dạng nguồn này có tính chất mềm (siêu mềm), không ổn định, tính kinh tế của hệ thống còn thấp, chất lượng điện năng cung cấp chưa đảm bảo Ngày nay, các nguồn năng lượng sạch phát triển dưới dạng các hệ nguồn phân tán, công suất nhỏ có cơ hội được hiện thực hóa nhờ sự tiến bộ của các bộ biến đổi bán dẫn công suất và kỹ thuật điều khiển hiện đại Hiện tại, mô hình mạng điện phân tán có sự tham gia của nguồn máy phát điện sức gió và pin mặt trời đang được nghiên cứu và ứng dụng khá phổ biến Trong đó, phụ tải điện có thể bao gồm cả phụ tải một chiều và phụ tải xoay chiều:

- Nguồn cấp từ phía máy điện sức gió và pin mặt trời có ý nghĩa tận dụng nguồn năng lượng tại chỗ góp phần giảm áp lực nguồn phát trên lưới, thực hiện tái cấu trúc lưới điện phân phối mang lại lợi ích cả về kinh tế và kỹ thuật cho hệ thống điện quốc gia

- Nguồn cấp từ phía điện lưới sẽ phát huy tác dụng nhằm đảm bảo cấp điện khi các nguồn điện từ năng lượng tái tạo (máy điện sức gió và pin mặt trời) không đáp ứng đủ hoặc hoàn toàn nhu cầu sử dụng điện của hộ tiêu thụ

Việt Nam nằm trong khu vực cận nhiệt đới gió mùa có thuận lợi cơ bản để phát triển năng lượng gió và năng lượng mặt trời Vì vậy, vấn đề tiếp cận các nguồn điện năng lượng tái tạo (Solar Energy or Wind Energy Source) cho nghiên cứu và ứng dụng trong hệ thống điện Việt Nam là vấn đề cấp thiết trong giai đoạn hiện nay

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài “Nghiên cứu hệ nguồn phát điện sử dụng năng lượng gió và mặt trời có áp dụng phương pháp điều khiển hiện đại cho bộ biến đổi DAC” là xây dựng một mô hình khai thác một cách hiệu quả nhất cho các nguồn điện

sử dụng năng lượng tái tạo và cụ thể là cho hai dạng điển hình nhất phù hợp với điều

kiện thực tế ở Việt Nam là máy điện sức gió và pin mặt trời Trong đó, đề xuất phương pháp điều khiển hiện đại áp dụng cho điều khiển bộ biến đổi DC/AC

Nội dung luận văn được trình bày thành 4 chương:

- Tổng quan về năng lượng tái tạo

- Mô hình hệ nguồn phát điện sử dụng năng lượng mặt trời

- Mô hình hệ nguồn phát điện sử dụng năng lượng gió

- Hệ nguồn phát điện lai sử dụng pin mặt trời và máy điện gió

Trong đó, áp dụng hệ điều khiển hiện đại cho các bộ biến đổi DAC trong máy phát không đồng bộ nguồn kép (DFIG) và mô hình hóa mô phỏng hệ máy phát DFIG trong một số chế độ vận hành thực tế

Do kiến thức còn hạn chế, bản thân chưa thể nghiên cứu được hết khối lượng kiến thức liên quan đến đề tài Nên nội dung luận văn không thể tránh khỏi những hạn chế, thiếu sót Em kính mong nhận được sự đóng góp ý kiến từ phía các Thầy Cô và người đọc quan tâm

Nhân đây, em xin trân thành cám ơn Nhà trường, các thầy cô và cán bộ Phòng Ban chức năng đã tạo điều kiện cho lớp học K16 nói chung và bản thân em hoàn thành khóa học Đặc biệt em xin trân thành cám ơn thầy giáo TS Đặng Danh Hoằng, người đã dành nhiều thời gian và sự giúp đỡ em hoàn thành bản luận văn này

Thái Nguyên, ngày 10 tháng 03 năm 2016

Học viên

Ngô Minh Đức

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI NÓI ĐẦU iii

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 1

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG[8] 1

1.2 NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 3

1.2.1 Năng lượng mặt trời 4

1.2.2 Thủy điện nhỏ 6

1.2.3 Năng lượng gió 8

1.2.4 Năng lượng địa nhiệt 10

1.2.5 Năng lượng sinh khối (BIOMASS) 11

1.3 MÔ HÌNH SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 12 1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 15

CHƯƠNG 2 NGUỒN ĐIỆN PIN MẶT TRỜI 16

2.1 NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI [1-4] 16

2.1.1 Quang phổ mặt trời 16

2.1.2 Vị trí mặt trời tại các thời điểm trong ngày 18

2.2 PIN MẶT TRỜI [1-3] 20

2.2.1 Giới thiệu chung 20

2.2.2 Quang phổ mặt trời tác động đến PV cell 21

2.2.3 Tế bào quang điện (PV cell) 22

2.2.3.1 Sơ đồ mạch điện tương đương của một PV cell 23

2.2.3.2 Những ảnh hưởng khác tác động đến PV Cell 26

2.2.4 Phương thức tổ hợp nguồn PV từ cells đến modules đến arrays 29

2.2.4.1 Tổ hợp các Cell thành Module 30

2.2.4.2 Tổ hợp các modules thành Arrays 30

2.2.4.3 Thử nghiệm đường cong V-I của pin mặt trời trong điều kiện tiêu chuẩn 32

2.2.4.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ và cường độ ánh sáng đến đặc tính V-I của PV module 33

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 35

CHƯƠNG 3 NGUỒN PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ 36

3.1 NĂNG LƯỢNG GIÓ [1-4], [8] 36

3.2 TURBINE GIÓ [1-4], [8] 37

3.3 CÔNG SUẤT GIÓ [1-4] 41

3.4 MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ (WG) [1-4] 42

3.4.1 Các máy phát đồng bộ 42

3.4.2 Máy phát cảm ứng không đồng bộ 43

3.4.3 Máy phát không đồng bộ cảm ứng từ hai phía - DFIG 44

3.5 ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ CHO CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI [1-4] 46

3.5.1 Tầm quan trọng của sự thay đổi tốc độ rotor 46

3.5.2 Các hệ thống kết nối lưới gián tiếp 48

3.6 CÔNG SUẤT GIÓ TRUNG BÌNH [1-4] 48

3.7 ƯỚC TÍNH GẦN ĐÚNG NĂNG LƯỢNG GIÓ [1-4] 49

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 49

CHƯƠNG 4 XÂY DỰNG HỆ NGUỒN PHÁT ĐIỆN LAI SỬ DỤNG PIN MẶT TRỜI VÀ MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ 50

4.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 50

4.2 HỆ NGUỒN PHÁT ĐIỆN LAI PIN MẶT TRỜI VÀ MÁY ĐIỆN GIÓ[5-8] 51

4.2.1 Mô hình hóa hệ thống 51

4.2.2 Nguồn pin mặt trời và bộ biến đổi DC/DC (Converter) 53

4.2.2.1 Bộ biến đổi DC-DC không cách ly 54

4.2.2.2 Bộ biến đổi DC-DC có cách ly 59

4.2.2.3 Điều khiển bộ biến đổi DC-DC 59

4.2.3 Máy phát điện sức gió và các bộ biến đổi AC/DC/AC 61

4.3 MÔ HÌNH TOÁN HỌC VÀ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN DFIG [6-7] 65

4.3.1 Phép biến đổi hệ tọa độ 65

4.3.2 Mô hình máy điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG)[6-7] 67

4.3.3 Mô hình điều khiển phía máy phát Converter 2 [6-7] 69

4.3.4 Mô hình điều khiển phía lưới Converter 1, [6-7] 75

4.4 MÔ PHỎNG MỘT SỐ CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG [8] 77

4.4.1 Cấu trúc mô phỏng 77

4.4.2 Mô phỏng hoạt động của hệ nguồn lai 78

KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 84

KẾT LUẬN và KIẾN NGHỊ 85

KẾT LUẬN 85

KIẾN NGHỊ 86

TÀI LIỆU THAM KHẢO 87

DANH MỤC BẢNG BIỂU

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

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

Bảng 1.3 Sự phát triển điện gió giai đoạn từ 1985 đến 2004 9

Bảng 1.4 Nhiệt độ địa nhiệt của một số địa điểm ở Việt Nam 11

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Nhu cầu năng lượng trên thế giới 4

Hình 1.2 Tiêu thụ các loại năng lượng trên thế giới 4

Hình 1.3 Tốc độ triển khai năng lượng gió giai đoạn 2000-2011 trên thế giới 9

Hình 1.4 Mô hình mạng điện độc lập nguồn pin mặt trời cấp điện cho một hộ gia đình 13

Hình 1.5 Mô hình mạng điện cục bộ nguồn thủy điện nhỏ công suất từ 100 kW đến 2000 kW cấp điện cho thôn bản 14

Hình 1.6 Mô hình mạng hỗn hợp có điều tiết (thông minh) năng lượng giữa nguồn năng lượng tái tạo và lưới kết nối 14

Hình 2.1 Quang phổ phát ra từ một vật đen ở nhiệt độ 288 K 17

Hình 2.2 Quang phổ của bức xạ mặt trời tương ứng với một vật đen ở 5800K 18

Hình 2.3 Mô tả vị trí của mặt trời theo góc độ cao và góc phương vị 18

Hình 2.4 Mô tả các khái niệm về kinh tuyến mặt trời, kinh tuyến địa phương và góc giờ 19

Hình 2.5 Quang phổ mặt trời tại AM 1.5 22

Hình 2.6 Tác động của photon tạo ra các cặp electron-lỗ gần đường giao nhau, điện trường trong vùng nghèo sẽ đẩy lỗ vào vùng p và đẩy electron vào vùng n của PV cell 23

Hình 2.7 Mô tả mạch điện nguồn PV với tải và quy ước chiều của dòng điện 23

Hình 2.8 Sơ đồ mạch tương đương đơn giản cho một PV cell 23

Hình 2.9 Sơ đồ mô tả hai thông số quan trọng đối với PV cell là dòng ngắn mạch ISC và điện áp hở mạch VOC 24

Hình 2.10 Biểu diễn mối quan hệ dòng – áp của PV cell cho hai điều kiện "dark" (không được chiếu sáng) và “light” (được chiếu sáng) 25

Hình 2.11 Điện áp và công suất của PV cell phụ thuộc cường độ sáng w/m2 25

Hình 2.12 Mạch tương đương của một chuỗi các PV cell nối tiếp khi có hiệu ứng che khuất và giải pháp khắc phục 26

Hình 2.13 Mô phỏng đặc tính của Array có các module nhận được cường độ chiếu xạ không đều nhau 27

Hình 2.14 Mô hình một PV cell tổng quát trong thực tế gồm đầy đủ cả RP và RS 28

Hình 2.15 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ V-I cho một PV cell tổng quát 29

có Rp = 1 và RS = 0.05 29

Hình 2.16 Những tổ hợp cơ bản của pin mặt trời cell, module, và array 30

Hình 2.17 Mô tả tổ hợp 36 cells mắc nối tiếp 30

Hình 2.18 Sơ đồ nối và đặc tính V-I của array gồm 3 module nối tiếp 31

Hình 2.19 Sơ đồ nối và đặc tính V-I của array gồm 3 module song song 31

Hình 2.20 Hai phương thức tổ hợp cho array với 6 modules 32

Hình 2.21 Mô tả thí nghiệm mạch điện nguồn PV và tải 33

Hình 2.22 Mô tả đặc tính V-I ; P-V và điểm công suất tối đa (MPP) của một PV module 33

Hình 2.23 Mô tả đặc tính của một PV module khi thay đổi cường độ ánh sángvà khi thay đổi nhiệt độ PV (đo tại tiếp giáp của PV) 34

Hình 3.1 Tốc độ phát triển năng lượng gió trên thế giới 36

Hình 3.2 Các nước dẫn đầu về năng lượng gió năm 2012 37

Hình 3.3 Mô hình kết cấu một số loại turbine trục ngang và trục đứng 38

Hình 3.4 Một số kiểu dáng mới của turbine trục đứng 38

Hình 3.5 Turbine trục ngang 40

Hình 3.6 Mô hình turbine và tổ hợp phễu đón gió 41

Hình 3.7 Một số loại máy phát dùng trong hệ phát điện turbine gió 42

Hình 3.8 Mô hình máy phát đồng bộ 3 pha và turbine sức gió 43

Hình 3.9 Mô tả nguyên lý cấu tạo phần stator và rotor của máy điện không đồng bộ 44

Hình 3.10 Các chế độ vận hành của DFIG [7] 45

Hình 3.11 Mô tả dòng chảy năng lượng ở các chế độ trên đồng bộ và dưới đồng bộ 45

Hình 3.12 Biểu đồ quan hệ giữa tốc độ gió và hiệu suất cánh với 3 cấp tốc độ rotor 47

Hình 3.13 Biểu đồ xác định thời điểm chuyển cấp tốc độ rotor để đạt hiệu xuất cánh cao nhất 47

Hình 3.14 Mô hình turbine – máy phát cảm ứng kết nối lưới gián tiếp 48

Hình 4.1 Mô hình hệ thống và cấu trúc điều khiển mạng điện nguồn lai PV-DFIG-B 50

Hình 4.2 Mô hình hệ thống mạng điện nguồn lai PV-DFIG-B 51

Hình 4.3 Biểu đồ năng lượng hệ nguồn lai pin mặt trời và máy phát điện sức gió 52

Hình 4.4 Sơ đồ nguyên lý bộ giảm áp Buck 54

Hình 4.5 Sơ đồ nguyên lý mạch Boost 55

Hình 4.6 Sơ đồ nguyên lý mạch Buck - Boost 56

Hình 4.7 Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi Curk 56

Hình 4.8 Sơ đồ mạch bộ Curk khi khoá SW mở thông dòng 57

Hình 4.10 Bộ chuyển đổi DC-DC có cách ly 59

Hình 4.11Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển điện áp 60

Hình 4.13 Mô hình máy phát điện kiểu DFIG 61

Hình 4.14 Hệ thống máy phát điện turbine gió gió 62

Hình 4.15 Các vùng làm việc của một turbine gió 63

Hình 4.16 Các phương pháp điều khiển DFIG 65

Hình 4.17 Biến đổi các hệ trục tọa độ 66

Hình 4.18 Sơ đồ khối điều khiển phía máy phát 70

Hình 4.19 Cấu trúc điều khiển kinh điển phía máy phát 71

Hình 4.20 Mạch điện phía lưới a) và mô hình phía lưới b) 75

Hình 4.21 Cấu trúc mô phỏng hoạt động chính của hệ thống 78

Hình 4.22 Mô phỏng tốc độ rotor thay đổi theo tốc độ gió 79

Hình 4.23 Mô phỏng điện áp 3 pha stator của DFIG 79

Hình 4.24 Mô phỏng dòng stator có giá trị biên độ thay đổi 80

Hình 4.25 Mô phỏng dòng stator có tần số không đổi và biên dạng luôn sin (trích trong khoảng thời gian từ 4,0s đến 4,2s 80

Hình 4.26 Mô phỏng dòng điện rotor phát lên lưới quaInverter 1 80

Hình 4.27a Mô phỏng dòng điện trao đổi giữa lưới và Inverter 1 81

Hình 4.7b Mô phỏng dòng và áp 3 pha giữa Converter 1 với lưới để thấy rõ sự đổi chiều dòng điện tại 3,3s 81

Hình 4.29 Mô phỏng dòng Converter 2 đcưa vào mạch kích từ rotor tại các thời điểm tốc độ rotor thay đổi qua điểm đồng bộ 82

Hình 4.30 Mô phỏng dòng một chiều giữa Inverter 2 và ắc quy 82

Hình 4.31 Mô phỏng điện áp một chiều đo trên ắc quy 83

Hình 4.32 Mô phỏng dung lượng đo trên ắc quy thay đổi theo chế độ tích phóng năng lượng trao đổi với mạch rotor của DFIG 83

Hình 4.32a Khi Vdc=1 (pu), dòng điện qua Converter 1 phát vào lưới không có đổi chiều 84

Hình 4.32b Khi tăng Vdc=1,1 (pu), dòng điện qua Converter 1 phát vào lưới tăng lên 84

CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG[8]

Để tồn tại và phát triển, từ xa xưa loài người đã biết sử dụng nhiều dạng năng lượng khác nhau Theo đà phát triển của lịch sử, con người đã phát hiện và sử dụng thêm nhiều dạng năng lượng khác Năng lượng là động lực cho mọi hoạt động vật chất

và tinh thần của con người Trình độ sản xuất phát triển ngày càng cao càng tiêu tốn nhiều năng lượng và tạo ra thách thức to lớn đối với môi trường sống

Trong thực tế, mọi thực thể đều hàm chứa năng lượng và chúng chỉ có thể được giải phóng năng lượng khi thỏa mãn những điều kiện nhất định Ví dụ như than, gỗ hay các khí đốt sẽ giải phóng nhiệt năng khi bị đốt cháy, nước sẽ chuyển hóa từ thếnăng sang động năng trên các dòng chảy, gió sẽ chuyền động năng khi tác động lên cánh buồm hay turbine, kim loại nặng sẽ giải phóng năng lượng nhiệt khổng lồ trong lò phản ứng hạt nhân, V.V Các quá trình chuyển hóa năng lượng có thể là diễn ra theo quy luật

tự nhiên, hoặc có thể diễn ra một cách cưỡng bức bởi tác động của con người Từ lâu con người đã biết khai thác và sử dụng năng lượng trong tự nhiên và phương thức sửv dụng ngày càng tiến bộ

Ngày nay vấn đề năng lượng càng trở nên có tính chất sống còn đối với nhân loại, bởi vì: một mặt nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt, mặt khác sự phát triển của sản xuất và các hoạt động của con người đặt ra những vấn đề hết sức cấp bách về nhu cầu năng lượng, làm mất cân bằng cung - cầu và có nguy cơ hủy hoại môi trường nghiêm trọng Đứng trước bối cảnh này, nhiệm vụ chung của nhân loại là phải thực hiện tốt đồng thời hai vấn đề: thứ nhất là phải sử dụng năng lượng một cách tiết kiệm và hiệu quả; thứ hai là phải nghiên cứu phát triển các nguồn năng lượng thay thế có đủ tiềm năng và thân thiện với môi trường

Hiện tại, các dạng năng lượng được con người sử dụng là rất phong phú, chúng có thể được phân biệt theo nhiều góc nhìn khác nhau

 Phân biệt theo bản chất và nguồn gốc hình thành:

- Nhóm 1: Năng lượng tự nhiên (năng lượng sơ cấp), ví dụ như than đá, dầu mỏ,

đặc biệt là các kim loại nặng (năng lượng hạt nhân), năng lượng gió, năng lượng mặt trời, V.V

- Nhóm 2: Năng lượng nhân tạo (năng lượng thức cấp), ví dụ như điện năng, nhiệt

năng, cơ năng, quang năng, V.V

 Phân biệt theo hàm lượng (trữ năng):

- Nhóm 3: Chất giàu năng lượng, ví dụ như than đá, dầu mỏ, đặc biệt là các kim

loại nặng (năng lượng hạt nhân)

- Nhóm 4: Các chất nghèo năng lượng, ví dụ như các chất đốt có nguồn gốc từ

thảo mộc, biomass, than bùn, V.V

 Phân biệt theo vị trí có:

- Nhóm 5: Năng lượng tập trung: như các mỏ than, dầu, khí đốt hay thủy điện lớn,

V.V

- Nhóm 6: Năng lượng phân tán: như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, thủy

điện dòng suối, thủy điện thủy triều, thủy điện sóng biển, V.V

 Phân biệt theo tiềm năng và khả năng tái tạo:

-Nhóm 7: Năng lượng hữu hạn (không có khả năng tái tạo), ví dụ như than, dầu

mỏ, khí đốt, kim loại nặng, V.V

- Nhóm 8: Năng lượng có khả năng tái tạo hoặc không cạn kiệt, ví dụ như năng

lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng đại dương, năng lượng dòng chảy, biomass, biogas, V.V

 Phân biệt theo khái niệm mới:

-Nhóm 9: Năng lượng mới, đó là dạng năng lượng mới tìm ra, mới được phát

minh Hiện tại trong thời điểm này con người chưa khẳng định phát minh thêm được dạng năng lượng mới nào, có chăng là đang phôi thai như TOKAMAK đó là một dạng mặt trời nhân tạo Còn lại là một số dạng năng lượng được nhân tạo hóa theo những công nghệ mới như: biomass, pin nhiên liệu, V.V Đôi khi, người ta cũng gọi một số dạng năng lượng tái tạo (nhóm 8) mới được khai thác sử dụng là năng lượng mới

- Nhóm 10: Năng lượng truyền thống, đó là những dạng năng lượng tự nhiên

(nhóm 1) đã được khai thác sử dụng từ lâu và giữ vai trò chủ đạo cho đến những năm gần đây

 Phân biệt theo tác động môi trường:

- Nhóm 11: Năng lượng có ảnh hưởng đến ô nhiêm môi trường, ví dụ như than

đá, dầu mở, khí đốt, các hồ đập thủy điện lớn, V.V

- Nhóm 12: Năng lượng thân thiện với môi trường hay còn có nhiều tên gọi khác

là năng lượng sạch, năng lượng xanh Đó là năng lượng mà sạch trong mọi công đoạn

từ khai thác đến vận chuyển, sử dụng và sau sử dụng, ví dụ như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng đại dương, thủy điện nhỏ, biomass, V.V

1.2 NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO

Năng lượng tái tạo (NLTT) hay năng lượng tái sinh là năng lượng từ những nguồn liên tục mà theo chuẩn mực của con người là vô hạn Nguyên tắc cơ bản của việc sử dụng năng lượng tái tạo là tách một phần năng lượng từ các quy trình diễn biến liên tục trong môi trường tự nhiên và đưa vào trong các ứng dụng cho một mục đích nào đó của con người Các quy trình này luôn tuân theo quy luật được thúc đẩy từ mặt trời Vô hạn

có hai nghĩa: hoặc là năng lượng tồn tại nhiều đến mức mà không thể cạn kiệt (ví dụ như năng lượng Mặt trời) hoặc là NLTT tự tái tạo theo quy luật của tự nhiên trong chu trình thời gian ngắn và liên tục còn diễn tiến trong một thời gian dài trên trái đất (ví dụ như biomass, phong năng, thủy năng dưới các dạng sóng biển, thủy triều hay các dòng suối…) Tình hình NLTT trên toàn cầu được thống kê qua biểu đồ trên hình 1.1 và hình 1.2

Hình 1.1 Nhu cầu năng lượng trên thế giới

Hình 1.2 Tiêu thụ các loại năng lượng trên thế giới Trong phần thổng quan, xin phép được giới thiệu khái quát một số dạng năng lượng tái tạo đang được ứng dụng phổ cập trên trên giới và bước đầu áp dụng có hiệu quả ở Việt Nam, với công nghệ khai thác là chuyển hóa thành điện năng nhằm bổ sung công suất cho hệ thống điện quốc gia Cụ thể là: Năng lượng mặt trời, Năng lượng gió, Thủy năng (thủy điện nhỏ), Năng lượng địa nhiệt, Năng lượng sinh khối

1.2.1 Năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời thu được trên trái đất là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ mặt trời đến Trái đất Mặt trời là quả cầu lửa khổng lồ, trong lòng nó diễn

ra phản ứng nhiệt hạch với nhiệt độ rất cao lên tới hàng triệu độ C Trái đất sẽ tiếp tục nhận được dòng năng lượng này cho đến khi phản ứng hạt nhân trên mặt trời cạn kiệt, ước chừng của các Nhà khoa học là khoảng 5 tỷ năm nữa Như vậy năng lượng mặt trời được coi là như vô tận so với chuẩn mực của đời sống con người Mặt trời liên tục bức

xạ ra không gian xung quanh với mật độ công suất khoảng 1353 W/m2đo được tại gianh giới ngoài cùng của khí quyển trái đất, đó chính là nguồn gốc của mọi sự sống trên trái đất Khi xuyên qua khí quyển của trái đất một phần năng lượng mặt trời bị hấp thụ Kết quả tính toán cho thấy năng lượng mặt trời phân bố trên bề mặt trái đất với mật độ năng lượng trung bình, cứ mỗi mét vuông hàng năm nhận được năng lượng từ mặt trời tương đương với khoảng 1,5 thùng dầu

Các nghiên cứu của con người đem lại có thể trực tiếp thu lấy năng lượng này thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển năng lượng của bức xạ mặt trời (BXMT) thành điện năng (pin mặt trời) Năng lượng của các photon cũng có thể được hấp thụ để làm

nóng các vật thể, tức là chuyển thành nhiệt năng, ứng dụng cho bình đun nước mặt trời, các nhà máy nhiệt điện Mặt trời, các hệ thống máy điều hòa mặt trời, v.v Trường hợp khác, năng lượng của các photon có thể được hấp thụ và chuyển hóa thành năng lượng trong các liên kết hóa học của các phản ứng quang hóa, v.v

Tiềm năng của năng lượng mặt trời trên thế giới:

Tiềm năng về năng lượng mặt trời của các nước trên thế giới là rất lớn Tuy nhiên, phân bố không đều, mạnh nhất ở vùng xích đạo và những khu vực khô hạn, giảm dần

về phía hai địa cực Tiềm năng kinh tế của việc sử dụng năng lượng Mặt trời phụ thuộc vào vị trí địa điểm trên Trái đất, phụ thuộc vào đặc điểm khí hậu, thời tiết cụ thể của vùng miền

Theo số liệu thống kê bức xạ trung bình của một địa điểm trên thế giới vào khoảng

Công suất có thể khai thác [1000 TWh/năm]

Tiềm năng của năng lượng mặt trời ở Việt Nam:

Về mặt vị trí địa lý, Việt Nam được hưởng một nguồn năng lượng mặt trời vô cùng lớn Trải dài từ vĩ độ 23023’ Bắc đến 8027’ Bắc, Việt Nam nằm trong khu vực có cường

độ bức xạ mặt trời tương đối cao Trong đó, nhiều nhất phải kể đến thành phố Hồ Chí Minh, tiếp đến là các vùng Tây Bắc (Lai Châu, Sơn La, Lào Cai) và vùng Bắc Trung

Bộ (Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh), bảng 1.2

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

trong năm

Bức xạ kcal/cm2/năm

Khả năng ứng dụng

Tiềm năng của thuỷ điện nhỏ trên thế giới:

Trong những năm gần đây, các thuỷ điện nhỏ đã đóng một vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng cho nhiều nước trên thế giới Ở các nước phát triển, tổng công suất của các thuỷ điện nhỏ trong mỗi nước đã vượt quá 1 triệu kW (Mỹ, Canađa, Thụy Điển, Tây Ban Nha, Pháp, Italia) Việc sử dụng các trạm thuỷ điện nhỏ không những

tiết kiệm các nguồn năng lượng truyền thống khác mà còn góp phần làm sạch môi trường, làm giảm hẳn lượng phát thải khí điôxít cácbon

Tiềm năng kinh tế của các nhà máy thủy điện toàn thế giới vào khoảng 7300 TWh/năm Trong số này, 32% là đã khai thác, trong đó có sự đóng góp của thuỷ điện nhỏ Ước tính đến năm 2010 từ thuỷ điện nhỏ lượng điện sẽ nhận được 220 TWh/năm, còn tổng công suất của chúng sẽ đạt đến 55 GW

Hiện nay, Trung Quốc là nước đi đầu trong việc phát triển thuỷ điện nhỏ, với tổng công suất các thuỷ điện nhỏ đã đạt hơn 13 triệu kW Ở nhiều nước khác như Hà Lan,

Bỉ, Belaruxia,… mặc dù điều kiện tự nhiên không thuận lợi cho việc xây dựng thuỷ điện nhỏ, nhưng phát triển thuỷ điện nhỏ vẫn được định hướng ưu tiên Nguyên nhân là các thuỷ điện nhỏ không những góp phần tiết kiệm các nguồn năng lượng khác như than, dầu mỏ, khí đốt v.v mà còn nhu cầu nguồn năng lượng điện tại chỗ cho các vùng sâu, vùng xa và góp phần bảo vệ môi trường Một trạm thuỷ điện nhỏ với công suất 1 MW

có thể cung cấp nguồn điện 6000 MWH/năm mà không làm tổn hại đáng kể môi trường xung quanh, trong khi một nhà máy nhiệt điện chạy bằng than cùng cho một lượng điện như thế sẽ phát tán ra không khí 4000 tấn điôxit cácbon/năm

Viện nghiên cứu năng lượng điện của Mỹ đã có tính toán về năng lượng điện sóng biển dọc theo bờ biển của U.S có thể sản xuất ra khoảng 2100TWh/năm Sản lượng đó chiếm một nửa yêu cầu sử dụng điện của nước Mỹ Ở nước Anh, giới chuyên gia ước tính rằng, nước biển có thể đảm bảo cho họ tới 25% nhu cầu năng lượng cần thiết Việc phát triển các dự án năng lượng sóng biển được thực hiện ở châu Âu và châu Mỹ Ở châu Âu các thiết bị điện sóng biển đã được thử nghiệm từ năm 60 của thế kỷ trước Ở Tây ban nha trong các năm 2011-2020 Viện Kế hoạch Năng lượng Tái tạo đã mạnh dạn đầu tư nghiên cứu phát triển tương đối mạnh năng lượng sóng biển, đã thực hiện nhiều

dự án Người ta tính toán rằng ở Tây Ban Nha có thể đảm bảo 42.3% năng lương điện tiêu thụ là năng lượng tái tạo vào năm 2020 Hiện có nhiều công nghệ để biến năng lượng sóng biển vào thực tiễn

Pháp chế tạo và lắp đặt thủy điện hải lưu ở cửa sông từ năm 1967.Công trình đó đến nay vẫn còn hoạt động và có công suất 240 MW Những nhà máy điện cùng loại thí điểm cũng xuất hiện ở Trung Quốc, Ấn Độ, Canađa và Liên bang Nga

Tiềm năng của thuỷ điện nhỏ ở Việt Nam:

Ở Việt Nam, với đặc điểm địa lý của đất nước có nhiều đồi núi, cao nguyên và sông hồ, lại có mưa nhiều Hàng năm mạng lưới sông suối vận chuyển ra biển hơn 870

tỷ m3 nước, tương ứng với lưu lượng trung bình khoảng 37.500 m3/giây Đó là tiềm năng lớn cho việc phát triển các nhà máy thủy điện nói chung và thủy điện nhỏ nói riêng

Tập đoàn Ðiện lực Việt Nam cùng nhiều doanh nghiệp trong và ngoài ngành điện cũng mạnh dạn tự đầu tư xây dựng các thủy điện công suất vừa và nhỏ, với gần 300 dự

án có tổng công suất lắp máy khoảng 2.500 MW đến 3.000 MW, tương ứng với lượng điện hàng năm khoảng 10 tỷ kWh

Đối với thủy điện đại dương, Việt Nam có một tiềm năng rất với hơn 3000 km bờ biển kèm theo một vùng lãnh hải dọc suốt chiều dài đất nước Tuy nhiên thủy điện đại dương đòi hỏi một trình độ công nghệ và năng lực quan lý vận hành ở mức độ cao hơn

so với thủy điện trên đất liền

1.2.3 Năng lượng gió

Gió là dòng chuyển dời của các khối khí mang năng lượng mà các thiết bị thu chủ yếu nhận được dưới dạng động năng Bức xạ mặt trời chiếu xuống bề mặt trái đất không đồng đều làm cho bầu khí quyển, nước và không khí nóng không đều nhau Một nửa bề mặt của trái đất (mặt ban đêm), bị che khuất không nhận được bức xạ của mặt trời và thêm vào đó là bức xạ mặt trời ở các vùng gần xích đạo nhiều hơn ở các cực Do đó, hình thành sự chênh lệch về nhiệt độ và áp suất dẫn đến sự dịch chuyển của các khối không khí tạo thành gió Mặt khác, trái đất tự quay tròn theo một trục nghiêng 23o5 so với mặt phẳng quỹ đạo trái đất quay xung quanh mặt trời

Ngoài ra, gió còn chịu ảnh hưởng bởi địa hình tại từng địa phương, do nước và đất

có nhiệt dung khác nhau nên ban ngày đất nóng lên nhanh hơn nước, tạo nên khác biệt

về áp suất và vì thế có gió thổi từ biển hay hồ vào đất liền Vào ban đêm đất liền nguội

đi nhanh hơn nước và hiệu ứng này xảy ra theo chiều ngược lại Như vậy, năng lượng gió là động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển Trái đất

Tiềm năng điện gió của một số nước trên thế giới:

Điện gió được nghiên cứu và triển khai với tốc độ rất nhanh trong những năm gần đây Biểu đồ trên hình 1.3 cho thấy tốc độ triển khai năng lượng gió trên thế giới giai đoạn 2000-2011

Hình 1.3 Tốc độ triển khai năng lượng gió giai đoạn 2000-2011 trên thế giới

Các turbine gió hiện đại bắt đầu được sản xuất từ năm 1979 ở Đan Mạch với công suất từ 200-300 kW Từ năm 2000 đến 2006 công suất các turbine gió được tăng lên nhiều lần, thông dụng là các turbine từ 1 đến 2 MW, lớn có thể đến 15 MW được áp dụng tại Hoa kỳ Ngày nay, tổng công suất turbine gió trên thế giới ước tính đạt 93.849

MW, trong đó châu Âu chiếm tới 65% Đan Mạch là nước sử dụng năng lượng gió rộng rãi nhất, chiếm 1/5 sản lượng điện quốc gia

Theo Hội Năng lượng gió Hoa Kỳ năm 2008 sản lượng điện gió chiếm 1% tổng điện năng quốc gia Ấn Độ đứng thứ tư trên thế giới về năng lượng gió với 8.000 MW, công suất đặt năm 2007 chiếm 3% tổng công suất toàn quốc

Tiềm năng điện gió của Việt Nam:

Việt Nam nằm ở khu vực gần xích đạo trong khoảng 8o đến 23o vĩ Bắc thuộc khu vực nhiệt đới gió mùa Gió ở Việt Nam có hai mùa rõ rệt: Gió Đông Bắc và gió Tây Nam với tốc độ trung bình ở vùng ven biển từ 4,5- 6 m/s (ở độ cao 10-12m) Tại các vùng đảo xa, tốc độ gió đạt tới 6- 8 m/s Như vậy, tuy không cao bằng tốc độ gió ở các nước Bắc Âu ở cùng độ cao nhưng cũng đủ lớn để sử dụng điện gió có hiệu quả Tiềm năng gió của Việt Nam có thể đánh giá thông qua số liệu về sự phát triển điện gió của Tổng Cục Khí tượng Thủy văn như bảng 1.4

Bảng 1.3 Sự phát triển điện gió giai đoạn từ 1985 đến 2004

1.2.4 Năng lượng địa nhiệt

Nhiệt năng trong lòng đất hay còn gọi là địa nhiệt, là năng lượng nhiệt mà trái đất

có được từ các phản ứng hạt nhân âm ỉ dưới lòng đất Nhiệt năng này làm nóng chảy các lớp đất đá trong lòng trái đất, gây ra hiện tượng di dời thềm lục địa và sinh ra núi lửa Các phản ứng hạt nhân trong lòng đất sẽ tắt dần và nhiệt độ lòng trái đất trong quá trình nguội dần hình thành các vùng nhiệt dư phân tán ở nhiều nơi trong kiến tạo của vỏ trái đất Mỗi vùng có đặc điểm về cấu trúc vật chất và quá trình nhiệt có hầu như không giống nhau

Địa nhiệt có thể được xem là nguồn năng lượng sản xuất công nghiệp quy mô vừa

và lớn trong nhiều các lĩnh vực, đặc biệt kể ra ở đây là điện địa nhiệt

Tiềm năng của địa nhiệt trên thế giới:

Nhà máy điện địa nhiệt đầu tiên trên thế giới được xây dựng từ năm 1904 ở Italia Trong khi đó, nhà máy địa nhiệt đầu tiên ở Hoa Kỳ được xây dựng từ năm 1922 cung cấp nhiệt và điện cho khu nghỉ mát Nhà máy điện địa nhiệt lớn nhất thế giới The Geysers của Hoa Kỳ có công suất 1360 MW được xây dựng từ năm 1960 Điện lực Bắc Califonia có các nhà máy điện địa nhiệt có tổng công suất 740 MW Hoa Kỳ là nước khai thác địa nhiệt hàng đầu Thế giới Năm 2005 Hoa Kỳ đã hợp đồng xây dựng các nhà máy địa nhiệt tổng công suất 500 MW cho 11 nước Mehicô là nước khai thác địa nhiệt thứ ba trên thế giới, năm 2007 đã lắp đặt 959 MW, chiếm 3,24% điện năng toàn quốc Iceland cũng là nước có tiềm năng địa nhiệt lớn, điện địa nhiệt chiếm 19,1% và nhiệt năng chiếm 87% Nguồn địa nhiệt của Philipin đảm bảo 17,5% điện năng Tiềm năng địa nhiệt thế giới khoảng 100 GW và đã được sử dụng vì mục đích thương mại trên 70 nước Năng lượng địa nhiệt đã cung cấp 1% nhu cầu năng lượng của thế giới

Tiềm năng của địa nhiệt ở Việt Nam:

Việt Nam có nguồn địa nhiệt phong phú, cả nước có hơn 300 nguồn nước khoáng nóng có nhiệt độ bề mặt lên tới 1050C Miền Bắc đã phát hiện và đăng ký 119 nguồn, hầu hết là nguồn nước nóng Theo tính toán sơ bộ năng lượng địa nhiệt của các tỉnh phía Bắc có thể dùng để phát điện bước đầu với công suất 100 MW Bắc Trung Bộ cũng

là vùng có nhiều triển vọng địa nhiệt có thể khai thác công nghiệp phát điện từ 40 MW đến 60 MW tương đương với Nam Trung Bộ Gần đây với sự hợp tác của công ty ORMAT Hoa Kỳ các chuyên gia địa chất đã đánh giá địa hóa học trên 60 nguồn nước nóng và đã chọn 6 địa điểm thuộc các tỉnh Quảng Ngãi, Bình Định, Khánh Hòa và Bà Rịa-Vũng Tàu có khả năng phát triển các nhà máy điện địa nhiệt với tổng công suất 200

MW Đặc điểm về nhiệt độ địa nhiệt của các địa điểm được cho trong bảng 1.5

Bảng 1.4 Nhiệt độ địa nhiệt của một số địa điểm ở Việt Nam

1.2.5 Năng lượng sinh khối (BIOMASS)

Biomass có sự khác biệt đáng kể với các nguồn năng lượng tái tạo khác ở chỗ nó

là một dạng nhiên liệu có thể được lưu trữ và sử dụng để phát điện khi có yêu cầu giống như nhiên liệu hóa thạch Tuy nhiên, có điểm khác là biomass thường bị hạn chế bởi mật độ năng lượng (nhiệt hàm) Vì vậy, nó thường được sản xuất và tiêu thụ tiêu thụ năng lượng trong phạm vi nội hạt (khu vực), tương ứng với bán kính của phạm vị sử dụng các sản phẩm chính của nó Điều này có nghĩa rằng các đơn vị phát điện từ Biomass là tương đối nhỏ so với cây trồng thông thường, và có các đặc điểm thuận lợi cho hình thành các trạm phát điện cục bộ

Tiềm năng của Biomass trên thế giới:

Sử dụng năng lượng Biomass được mệnh danh là “cuộc cách mạng nâu” trong lĩnh vực năng lượng mới (The Brown Revolution), Biomass hiện nay được nghiên cứu

và ứng dụng rộng rãi trên thế giới, đặc biệt ở các nước đang phát triển có khí hậu nhiệt đới thích hợp cho quá trình lên men kỵ khí các chất thải hữu cơ để tạo khí sinh học làm nhiên liệu chạy các trung tâm nhiệt điện, ví dụ như:Trung Quốc, Ấn Độ, Brazil, Nepal, Kenia, Thái Lan, Việt Nam, V.V

Biomass sử dụng nguyên liệu đa dạng, thường là tận dụng các chất thải, phế thải, phế phẩm trong nông lâm ngư nghiệp Quy mô gia đình thường sử dụng phân gia súc, quy mô lớn hơn có thể phát triển sử dụng các loại rác đô thị và rác công nghiệp làm nguyên liệu Ví dụ như: Nhà máy Biogas ở Tilburg (Ấn Độ) khai thác nguyên liệu từ rác thải của các thành phố

Tiềm năng của Biomass ở Việt Nam:

Ở Việt Nam cũng có những đề tài nghiên cứu sản xuất Biomass từ việc ứng dụng

mô hình bể lọc kỵ khí UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) để xử lý nước thải của những ngành công nghiệp giàu chất hữu cơ (nước thải nhà máy chế biến thực phẩm, đường, rượu…) trong điều kiện khí hậu nhiệt đới Sản xuất mêtan sinh học từ chất thải lưu giữ cơ chất trong thời gian dài (khoảng một vài tuần) ở điều kiện kỵ khí cho phép làm giảm đến 90% ký sinh trùng gây bệnh, khử được mùi khó chịu Do đó, vấn đề vệ sinh môi trường được cải thiện Ngoài ra, Việt Nam có nhiều loại cây trồng làm nguyên liệu cho sản xuất khí biogas như mía, sắn, V.V phân bố trồng trong diện rộng khắp cả nước

1.3 MÔ HÌNH SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO TRONG HỆ THỐNG

ĐIỆN

Như đã phân tích, đặc điểm chung của các nguồn điện sử dụng năng lượng tái tạo

đó là có đặc tính phân tán, công suất nhỏ và đang được hoàn thiện dần về chất lượng điện năng cung cấp Hiện tại, các nguồn điện điện thuộc dạng này chủ yếu được khai thác dưới các hình thức sau: Mạng điện độc lập, mạng điện phân tán có kết nối lưới và dần dần tiến đến trong tương lai gần là mạng điện thông minh

Đối với những vùng sâu vùng xa, nơi mà điện lưới quốc gia không có điều kiện vươn tới, như những khu vực biên giới hải đảo thì việc thiết lập một mạng điện độc lập

là giải pháp duy nhất Trước đây, nguồn cung cấp cho mạng điện độc lập chủ yếu là máy phát điện diesel với công suất từ vài chục đên một vài trăm kW Ngày nay, việc sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo cho mạng điện độc lập đang được phổ cập Ví dụ như: hệ pin mặt trời, điện sức gió, điện đại dương, V.V Mô hình mạng điện độc lập nguồn năng lượng tái tạo được phát triển đa dạng cả về loại nguồn và cấu trúc sơ đồ, đa dạng về công suất từ nhỏ đến vừa phù hợp cho các đối tượng ứng dụng khác nhau, thậm chí dùng riêng cho một phụ tải hay một hộ gia đình Ví dụ một số mô hình như được thể hiện trên các hình vẽ sau:

Sơ đồ trên hình 1.4:Mô tả một mạng điện cục bộ với nguồn được sử dụng ở đây

là dạng pin mặt trời gồm các module kết nối thành hệ nguồn PV Array có điện áp và công suất phù hợp Pin sản sinh ra điện một chiều qua bộ điều khiển nạp cho ắc quy có dung lượng

3116 Wh/ ngày Từ ắc quy, một nhánh cấp trực tiếp cho tủ lạnh chạy điện dc, một nhánh khác thông qua biến tần dc/ac cấp cho các tải xoay chiều trong gia đình

Hình 1.4 Mô hình mạng điện độc lập nguồn pin mặt trời cấp điện cho một hộ gia đình

Sơ đồ trên hình 1.5: Mô tả cấu trúc một mạng điện độc lập với nguồn là một

trạm thủy điện nhỏ, công suất khoảng vài trăm kW đến một vàingàn kW thích ứng với các địa phương có sẵn có những dòng chảy nhỏ Mạng có thể hoạt động độc lập khi nguồn nước đáp ứng đủ công suất, còn khi thiếu thì lại được kết nối lưới để nhận được

P 1 +jQ 1

Hình 1.5 Mô hình mạng điện cục bộ nguồn thủy điện nhỏ công suất từ 100 kW đến 2000 kW

cấp điện cho thôn bản

Sơ đồ trên hình 1.6:Mô tả cấu trúc một mạng điện nguồn lai sử dụng kết hợp

nguồn năng lượng tái tạo Một dạng của mạng mạng điện thông minh đang được nghiên cứu phát triển áp dụng cho mạng điện phân tán, trong đó:

- Hệ nguồn có sử dụng 2 loại là pin mặt trời và điện gió, đồng thời kết hợp với kho lưu trữ năng lượng ắc quy;

- Hệ có điểm kết nối với lưới điện phân phối trong khu vực;

- Hệ được quản lý thông qua các thiết bị điều khiển có khả năng điều tiết dòng công suất trong sơ đồ nhằm khai thác triệt để công năng của nguồn pin mặt trời và điện gió Ngoài ra còn có thêm lưới phân phối làm nhiệm vụ điều hòa năng lượng, lưới sẽ hấp thụ công suất khi dư thừa và bổ sung công suất khi thiếu

AC DC

DC C

AC

Ắc quy

DC/DC MPPT

Gió

Grid

DC/DC PWM

PVM PVM

DFIG

PVg

AC-3 pha

AC- 3 pha Tải

AC- 3 pha Lưới

AC- 1 pha Tải

Hình 1.6 Mô hình mạng hỗn hợp có điều tiết (thông minh) năng lượng giữa nguồn năng

lượng tái tạo và lưới kết nối

1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Nội dung chương 1 đã giới thiệu tổng quan được các dang năng lượng tái tạo đang được cả thế giới khuyến khích phát triển nhằm đáp ứng nhu cầu năng lượng của loài ngươi đồng thời phải đảm bảo các tiêu chuẩn vệ sinh môi trường trên phạm vi toàn cầu Tiềm năng của năng lượng tái tạo hiện tại trên thế giới cũng như ở Việt Nam là rất phong phú Tuy nhiên, việc khai thác và sử dụng còn phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố chi phối,

ví dụ như về điều kiện tự nhiên, trình độ khoa học công nghệ và chính sách ưu đãi của nhà nước, V.V

Trên cơ sở đó, đề tài của luận văn là tập trung nghiên cứu cho hai dạng năng lượng

là năng lượng mặt trời và năng lượng gió nhằm xây dựng một mô hình mạng điện phân tán sử dụng hệ nguồn lai giữa pin mặt trời (PVg) và máy phát điện sức gió (Wg) có kết hợp với kho lưu trữ điện ắc quy

CHƯƠNG 2 NGUỒN ĐIỆN PIN MẶT TRỜI

2.1 NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI [1-4]

Để thiết lập một hệ thống sử dụng năng lượng mặt trời, cần phải lựa chọn được vị trí có khả năng thu nhận được ánh sáng mặt trời tốt nhất Từ hệ tọa độ Kinh-Vỹ tuyến trái đất có thể ước đoán được bức xạ mặt trời chiếu đến thay đổi theo giờ trong ngày, năng lượng mặt trời trung bình nhận được trong các ngày trong tháng và tháng trong năm,V.V đồng thời phải kể đến các ảnh hưởng của yếu tố thời tiết Điều này có thể được thực hiện thông qua phương pháp tính toán kết hợp với đo đạc trực tiếp, tra cứu dữ liệu từ kho lưu trữ của các tổ chức nghiên cứu khoa học thuộc lĩnh vực chuyên ngành

2.1.1 Quang phổ mặt trời

Nguồn gốc của ánh sáng có được trên trái đất là từ mặt trời, đó là một quả cầu lửa khổng lồ có đường kính khoảng 1,4 triệu km Tại mặt trời, các phản ứng nhiệt hạch tạo thành Heli từ các nguyên tử Hydro đã giải phóng ra một năng lượng rất lớn, tương đương với 3,8.1020 MW phát tán vào không gian xung quanh, trong đó trái đất đón nhận được chỉ là một phần nhỏ

Về bản chất vật lý, một quá trình cân bằng năng lượng được diễn ra dưới hình thức bức xạ khi nhiệt độ của nó tăng tăng lên Nếu như xem mặt trời như một “vật đen” tuyệt đối, năng lượng nó phát ra theo định luật Planck:

8

5

3.74 10 14.400

x E

- T là nhiệt độ tuyệt đối của vật đen (K)

Hình 2.1 mô tả một phổ bức xạ của vật đen tại nhiệt độ 288 K (tương đương 15oC) theo định luật Stefan-Boltzmann:

T

A

Năng lượng phát ra của một dải sóng giữa hai bước sóng 1 và 2 được tính chính

T A

E  giữa 1 và 2, tung độ tại 1 và

2 và hiệu hoành độ (2 - 1) Trong đó:

- E là tổng năng lượng vật đen phát ra (W),

- σ = 5.67 × 10-8 W / m2 K4 là hằng số Stefan-Boltzmann,

- T là nhiệt độ tuyệt đối của vật đen (K),

- và A là diện tích bề mặt của vật đen (m2)

Ngoài ra, trên hình 2.1 còn chỉ ra điểm năng lượng phát ra cực đại ứng với bước sóng max:

)(

2898

max

K T



Trong đó, bước sóng tính bằng µm và nhiệt độ tính theo độ K

Hình 2.1 Quang phổ phát ra từ một vật đen ở nhiệt độ 288 K Trên đường đi của bức xạ mặt trời tới trái đất thì khí quyển xung quanh trái đất là môi trường cản trở cuối cùng và có những phản ứng khác nhau với từng bước sóng trong phổ bức xạ còn lại của mặt trời trước khi chạm tới khí quyển

Một số liệu đáng tin cậy cho rằng nhiệt độ tại tâm của mặt trời khoảng 15 triệu độ Kelvin, theo định luật Planck bức xạ ánh sáng phát ra từ bề mặt của mặt trời tương đương với một phổ bức xạ của một vật đen ở nhiệt độ 5800 K Sự so sánh này được chỉ

ra trên hình 2.2

Hình 2.2 Quang phổ của bức xạ mặt trời tương ứng với một vật đen ở 5800K Diện tích bao bởi đường cong năng lượng và trục hoành trên hình 2.2 biểu thị cho tổng năng lượng của quang phổ mặt trời trên 1 m2 khi chiếu đến bề mặt khí quyển có giá trị khoảng 1370W/m2 với dải bước sóng nhìn thấy từ 380 nm (cực tím) đến 780 nm (hồng ngoại) Trong đó: những bước sóng thuộc về tia cực tím chiếm khoảng 7%; thuộc

về ánh sáng nhìn thấy chiếm 47% và thuộc về tia hồng ngoại chiếm 46%

2.1.2 Vị trí mặt trời tại các thời điểm trong ngày

Các vị trí của mặt trời tại bất kỳ thời điểm trong ngày có thể được mô tả thông qua góc độ cao β và góc phương vị φS như thể hiện trong hình 2.3 Chỉ số dưới s ở góc phương vị gợi ý rằng đây là góc phương vị của mặt trời Mặt khác, để chỉ góc phương

vị cho các bộ thu năng lượng mặt trời được phản ánh qua một chỉ số c Theo định nghĩa, góc phương vị là dương vào buổi sáng với ánh nắng mặt trời ở phía Đông và là âm vào buổi chiều với ánh nắng mặt trời ở phía Tây Chú ý rằng các góc phương vị thể hiện trong hình 2.3 sử dụng hướng về phía Nam như đã giả thiết cho các nghiên cứu hầu như được thực hiện ở các vị trí thuộc về bắc bán cầu (nếu ở nam bán cầu thì hướng ngược lại về phía bắc bán cầu)

Hình 2.3 Mô tả vị trí của mặt trời theo góc độ cao và góc phương vị Các góc phương vị và độ cao của mặt trời phụ thuộc vào vĩ độ, ngày, và quan trọng nhất là thời điểm trong ngày Còn bây giờ, chúng ta sẽ thể hiện thời gian trước khi hoặc

sau khi mặt trời buổi trưa Ví dụ: tại lúc 11AM, mặt trời ở vị trí còn một giờ nữa trước khi đi qua kinh tuyến địa phương Sau đó là tìm hiểu làm thế nào để thực hiện việc điều chỉnh thời gian giữa mặt trời và giờ địa phương Hai phương trình sau đây cho phép tính được góc độ cao và góc phương vị góc của mặt trời:

Lưu ý rằng, về thời gian trong các phương trình được biểu diễn bằng một đại lượng gọi là góc giờ H Góc giờ là số độ mà trái đất phải xoay để đến khi đạt được thời điểm mặt trời nằm trên kinh tuyến địa phương Như thể hiện trong hình 2.4, tại thời điểm bất

kỳ, mặt trời đang ở trên một kinh độ nào đó gọi là kinh tuyến của mặt trời Sự khác biệt giữa kinh tuyến địa phương và kinh tuyến của mặt trời là góc giờ, với những giá trị dương xảy ra vào buổi sáng trước khi mặt trời đi qua kinh tuyến địa phương

Xét trái đất xoay 360o trong 24H, hoặc 15o/H, góc giờ có thể được mô tả như sau:

0 15

H

gio

Như vậy, tại 11AM tương ứng góc giờ H sẽ là + 15◦ (trái đất cần xoay một góc +15o, hoặc 1 giờ nữa mới đến thời điểm giữa trưa) Vào buổi chiều, các góc giờ là âm,

ví dụ, lúc 2PM góc giờ H sẽ là - 30◦

Hình 2.4 Mô tả các khái niệm về kinh tuyến mặt trời, kinh tuyến địa phương và góc giờ

Có một sai số nhỏ khi tính toán góc phương vị mặt trời theo (2.5) Trong suốt mùa xuân và mùa hè vào buổi sáng sớm và chiều tối, độ lớn của góc phương vị của mặt trời

có giá trị hơn 90◦ đi từ phía Nam (mà không bao giờ xảy ra vào mùa thu và mùa đông)

Từ giá trị sinx = sin180 - x), ta có thể kiểm tra xem liệu để kết luận góc phương vị

là lớn hơn hoặc nhỏ hơn 90o thông qua biểu thức:

2.2.1 Giới thiệu chung

Một tế bào quang điện (gọi tắt là PV cell) là một thiết bị có thể chuyển đổi năng lượng của các photon ánh sáng mặt trời thành năng lượng điện Một photon có bước sóng đủ ngắn sẽ có đủ năng lượng để bật một electron ra khỏi liên kết nguyên tử của

nó, tương tự như vậy đối với nhiều quá trình bứt phá electron khỏi liên kết sẽ tạo nên

sự phân thế trong vật liệu khi có liên tục các tác động của ánh sáng chiếu vào Đó là nguyên lý cơ bản hình thành pin năng lượng mặt trời và nếu như nguyên lý này được

áp dụng thì mặt trời có khả năng đáp ứng một nguồn năng lượng là vô tận, gấp 6000 lần nhu cầu về năng lượng điện của loài người trên toàn trái đất

Lịch sử của PV cell đã bắt đầu từ rất sớm vào năm 1839 khi một nhà vật lý người Pháp 19 tuổi, Edmund Becquerel, đã có thể gây ra một điện áp xuất hiện khi ông cho một điện cực kim loại được chiếu sáng trong dung dịch điện ly yếu (Becquerel, 1839) Gần 40 năm sau, Adams là người đầu tiên nghiên cứu hiệu ứng quang điện trong chất rắn (Adams và Day, 1876) Họ đã có thể xây dựng các PV cell làm bằng selen có hiệu suất khoảng 1% đến 2% Tế bào quang điện selen đã nhanh chóng được chấp nhận bởi các ngành công nghiệp nhiếp ảnh mới có chất lượng rõ nét hơn; trong thực tế, ứng dụng này vẫn được giữ nguyên cho đến ngày nay

Là một phần của sự phát triển của ông về lý thuyết lượng tử, Albert Einstein công

bố thuyết giải thích về hiệu ứng quang điện trong năm 1904, dẫn đến một giải thưởng Nobel vào năm 1923 Cùng thời gian đó, trong những gì sẽ bật ra được một nền tảng của thiết bị electron hiện đại nói chung, và quang điện nói riêng, một nhà khoa học Ba Lan tên là Czochralski bắt đầu phát triển một phương pháp để tạo ra tinh thể silicon tinh khiết Vào những năm 1940 và 1950, Czochralski bắt đầu được sử dụng để làm cho các thế

hệ đầu tiên của PV cell silicon đơn tinh thể, và kỹ thuật mà tiếp tục thống trị quang điện (Photovoltaic – viết tắt là PV) ngành công nghiệp hiện nay

Vào những năm 1950 đã có nhiều nỗ lực để thương mại hóa PV, nhưng giá thành của chúng là quá cao Sự xuất hiện thực sự của PV như một nguồn cung cấp năng lượng thực tế này vào năm 1958 khi họ đã đầu tiên được sử dụng trong không gian cho các vệ tinh nhân tạo đầu tiên Đối với các vận chuyển trong không gian, chi phí là ít quan trọng hơn so với trọng lượng và độ tin cậy, và các tế bào năng lượng mặt trời đã từ bao giờ đóng một vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện cho các vệ tinh, máy bay và tàu

vũ trụ khác Được thúc đẩy bởi các cuộc khủng hoảng năng lượng đang nổi lên trong những năm 1970, công tác phát triển PV được hỗ trợ bắt đầu quay trở lại trên mặt đất Vào cuối những năm 1980, hiệu suất cao hơn và chi phí thấp hơn đã đưa PV gần hơn với thực tế, và họ bắt đầu ứng dụng trong nhiều thiết bị tách rời nguồn điện lưới như máy tính bỏ túi, các phao bơi ngoài biển, đèn đường cao tốc, các đèn hiệu và hộp gọi báo khẩn cấp, bơm nước nông thôn, và các hệ thống điện gia đình Trong khi chi phí khấu hao của thiết bị quang điện đã giảm đáng kể trong những năm 1990 và một thập

kỷ sau đó nó vẫn là khoảng gấp đôi, vì thế vẫn cần thiết phải có một chính sách hỗ trợ thỏa đáng cho phát triển PV

2.2.2 Quang phổ mặt trời tác động đến PV cell

Như đã được mô tả ở trên, bề mặt của mặt trời phát ra năng lượng ánh sáng với các đặc tính quang phổ giống như với một vật đen có nhiệt độ 5800 K Bên ngoài bầu khí quyển của trái đất, mật độ năng lượng trung bình của ánh sáng mặt trời là 1.377 kWh/m2, giá trị này được gọi là hằng số mặt trời Nhưng ánh sáng mặt trời đi qua bầu khí quyển, một số được hấp thụ bởi các thành phần khác nhau trong không khí Vì vậy, trên suốt quãng đường đi trong khí quyển đến bề mặt của trái đất, quang phổ bị méo dạng và suy yếu đi

Lượng năng lượng mặt trời chiếu xuống đất, cũng như phân phối quang phổ của

nó phụ thuộc rất nhiều vào quãng đường trong khí quyển mà nó đã phải vượt qua Điều này cũng được phản ánh thông qua hệ số m với quy định như sau:

- Khi m = 1 nghĩa là mặt trời ở vị trí trên đỉnh đầu, khí hiệu là AM1,

- Với ánh sáng ngoài khí quyển ký hiệu là AM0

Đối với hầu hết công trình PV cell thường lựa chọn giá trị phù hợp nhất là có m = 1.5 (AM1.5), tương ứng với ánh sáng mặt trời có góc độ cao là 42o so với mặt phẳng ngang Quang phổ mặt trời ứng với AM1.5 được thể hiện trong hình 2.5 Trong đó: đối

với AM1.5, quang phổ của ánh sáng mặt trời sẽ bao gồm: 2% thuộc về tia cực tím, 54% thuộc về ánh sáng nhìn thấy, và 44% thuộc về tia hồng ngoại

Hình 2.5 Quang phổ mặt trời tại AM 1.5 Trên hình 2.5, những photon có bước sóng dài hơn 1,11 mm không có đủ năng lượng để kích thích các electron bứt ra khỏi liên kết nguyên tử của nó (chiếm 20,2% năng lượng mặt trời đến); Ngược lại, những tia có bước sóng ngắn hơn thì lại không thể

sử dụng tất cả năng lượng của chúng, còn lại 30,2% những tần số khác đã bị mất mát trong khí quyển, không thể đến với PV cell silicon

2.2.3 Tế bào quang điện (PV cell)

Để hiểu rõ cấu tạo và nguyên lý biến đổi quang – điện của một PV cell chúng ta hãy nghiên cứu những gì sẽ xảy ra trong vùng lân cận của một tiếp giáp p-n dưới tác động của ánh sáng mặt trời Khi photon được hấp thụ, cặp electron-lỗ có thể được hình thành Nếu các hạt mang điện di chuyển đến các vùng lân cận của tiếp giáp, điện trường trong vùng nghèo sẽ đẩy lỗ trống vào vùng p và đẩy electron vào vùng n, như thể hiện trong hình 2.6 Vùng p tích lũy lỗ và vùng n tích lũy các electron, tạo ra một điện áp có thể được sử dụng để cung cấp một dòng điện cho tải

Hình 2.6 Tác động của photon tạo ra các cặp electron-lỗ gần đường giao nhau, điện trường trong vùng nghèo sẽ đẩy lỗ vào vùng p và đẩy electron vào vùng n của PV cell

Nếu một mạch điện được kết nối vào phía trên và dưới của PV cell, dòng electron

sẽ đi ra từ vùng n vào dây kết nối, thông qua tải và trở lại vùng p như trong hình 2.7 Các lỗ không thể di chuyển, mà chỉ là các electron đã thực sự di chuyển trong mạch khép kín Khi chúng đến được vùng p sẽ tái hợp với lỗ hoàn thành mạch kín Theo quy ước, dòng điện dương chạy theo hướng ngược so với dòng electron, do đó, các mũi tên thể hiện trong hình vẽ cho thấy dòng điện đi từ vùng p qua tải và trở lại vào vùng n

Hình 2.7 Mô tả mạch điện nguồn PV với tải và quy ước chiều của dòng điện

2.2.3.1 Sơ đồ mạch điện tương đương của một PV cell

Một mô hình mạch tương đương đơn giản cho một PV cell bao gồm một diode mắc song song với một nguồn dòng lý tưởng như trong hình 2.8 Các nguồn dòng lý tưởng cung cấp dòng điện tương ứng với năng lượng ánh sáng mặt trời mà nó nhận được

Hình 2.8 Sơ đồ mạch tương đương đơn giản cho một PV cell

Hình 2.9 Sơ đồ mô tả hai thông số quan trọng đối với PV cell là dòng ngắn mạch ISC và

điện áp hở mạch VOC

Có hai chế độ quan tâm đặc biệt cho các PV cell thực tế và sơ đồ tương đương của

nó Như thể hiện trong hình 2.9:

(a) Dòng điện khi ngắn mạch hai đầu của PV (dòng ngắn mạch, ISC),

(b) Điện áp trên hai đầu cực PV khi hở mạch (điện áp hở mạch, VOC)

Khi ngắn mạch Vd = 0, dòng ngắn mạch được ký hiệu là ISC Có thể viết phương trình điện áp và dòng điện của các PV cell PV trong trạng thái ngắn mạch:

Từ hình 2.9, viết phương trình Kirchooff 1:

I = I SC − I d (2.6) thay thế (2.3) vào (2.6) để có được

I = I SC − I 0 (e qV/kT − 1) (2.7) Chú ý rằng thành phần thứ hai trong (2.7) chính là phương trình dòng điện ngược qua diode nhưng khác dấu Điều đó có nghĩa là biểu đồ của (2.7) chỉ là biểu đồ đường cong của dòng điện ngược diode được cộng thêm vào một giá trị ISC

Hình 2.10 biểu diễn mối quan hệ dòng áp của một PV cell khi trời tối (không có ánh sáng) và khi có ánh sáng (chiếu sáng) dựa trên phương trình (2.7) Thực chất đường cong Dark (tối) chính là sự lật ngược úp xuống của đường cong dòng điện ngược của diode

Hình 2.10 Biểu diễn mối quan hệ dòng – áp của PV cell cho hai điều kiện "dark"

(không được chiếu sáng) và “light” (được chiếu sáng)

Khi không có tải khách hàng trên đầu ra của các PV cell PV, I = 0 và từ (2.7) có thể tính được điện áp hở mạch VOC:

0

OC

I kT

a) Đặc tính V-I phụ thuộc cường độ sáng; b) Đặc tính P-V phụ thuộc cường độ sang

Hình 2.11 Điện áp và công suất của PV cell phụ thuộc cường độ sáng w/m2

Tương tự, trong điều kiện phòng thí nghiệm có thể chỉ ra được hiệu suất của PV cell trên mỗi cm2 diện tích của tiếp giáp p-n, trong trường hợp này dòng điện trong các phương trình trên được xem như mật độ dòng điện

2.2.3.2 Những ảnh hưởng khác tác động đến PV Cell

Trường hợp có một PV cell bị che khuất: Nghiên cứu sơ đồ tương đương của PV cho

một trường hợp phức tạp hơn so với trong hình 2.9 Ví dụ, hãy xem xét các tác động của che khuất một PV cell trong chuỗi mắc nối tiếp như hình 2.12 Nếu bất kỳ PV cell nào trong chuỗi bị che khuất ánh sáng mặt trời (tối), nó sẽ không có khả năng tạo ra dòng điện Trong sơ đồ tương đương cho thấy không thể hình thành dòng điện qua phần

tử bị che khuất để cấp cho tải của hệ thống, trừ một lượng nhỏ không đáng kể là thành phần dòng bão hòa ngược Trong khi đó các PV cell lại hết sức nhạy cảm với cường độ bức xạ mặt trời Trong thực tế hiện tượng che khuất không đồng đều đối với các PV cell nối tiếp xảy ra khá phổ biến bởi các đám mây, bóng cây, V.V Như vậy, để tổ hợp một

hệ nguồn PV nối tiếp cần phải có những thiết kế phức tạp hơn

Hình 2.12 Mạch tương đương của một chuỗi các PV cell nối tiếp khi có hiệu ứng che

khuất và giải pháp khắc phục

Giả thiết, trong một Array có các module nhận được cường độ chiếu xạ không giống nhau, khí đó đặc tính của Array thu được như kết quả mô phỏng trên hình 2.13a,b

a)

b)

Hình 2.13 Mô phỏng đặc tính của Array có các module nhận được cường độ chiếu xạ

không đều nhau

Trên hình a) Mô tả cấu trúc mô phỏng 6 module nối tiếp nhau, trong đó 5 module nhận được cường độ chiếu xạ 1000 w/m2 và 1 module nhận được 600 w/m2

Trên hình b) là kết quả mô phỏng các đặc tính của Array

ECEN2060 6-module PV Array

.5 fac_out1

Vpv Ppv

PV module (I)

PV6

Ipv Insolation

Vpv Ppv

PV module (I)

PV5

Ipv Insolation

Vpv Ppv

PV module (I)

PV4

Ipv Insolation

Vpv Ppv

PV module (I)

PV3

Ipv Insolation

Vpv Ppv

PV module (I)

PV2

Ipv Insolation

Vpv Ppv

Vpv Vpv

Ipv Ipv

Một PV cell tổng quát trong thực tế có sơ đồ thay thế như trên hình 2.14 và đặc tính P-V của nó được mô tả bằng phương trình đầy đủ sau đây:

Hình 2.14 Mô hình một PV cell tổng quát trong thực tế gồm đầy đủ cả RP và RS

Giả thiết trong điều kiện nhiệt độ tiếp giáp của PV cell là tiêu chuẩn 25◦ C, biểu thức (2.12) được viết lại:

SC

R

V e

I I

Một đồ thị của (2.12) thu được theo cách này đối với một mạch tương đương có

RS = 0,05  và RP = 1  được thể hiện trong hình 2.15

Hình 2.15 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ V-I cho một PV cell tổng quát

có Rp = 1 và RS = 0.05

2.2.4 Phương thức tổ hợp nguồn PV từ cells đến modules đến arrays

Từ một PV cell hay vẫn gọi là một PV cell riêng lẻ được sản xuất chỉ có điện áp danh dịnh khoảng 0.5V và hầu như không được áp dụng trực tiếp cho một hệ nguồn nào trong thực tế Thay vào đó, các khối cơ bản được xây dựng cho các ứng dụng PV là một module bao gồm một số cell kết nối thành một khối được bảo vệ chắc chắn có khả năng chịu được các điều kiện thời tiết khác nghiệt, thuận tiện cho vận chuyển và lắp đặt Một module điển hình có 36 cell nối tiếp với điện áp danh định 12 V "module 12V" mặc dù

nó có khả năng cung cấp điện áp cao hơn nhiều đó Một số module 12V chỉ có 33 cell

có ưu điểm thuận tiện cho việc nạp điện Lơn hơn nữa có loại module 72 cell, loại này bây giờ là khá phổ biến Để tăng công suất thông qua việc tăng dòng điện làm việc bằng cách tổ hợp module hỗn hợp gồm nhiều mạch song song, trong mỗi mạch là nối tiếp của nhiều cell Ví dụ module 72 cell gồm 2 mạch song song, trong mỗi mạch đó gồm

có 36 cell nối tiếp Dựa trên cơ sở này, các nhà sản xuất cho ra đời các module thường mại với nhiều kích cỡ khác nhau

Tương tự như tổ hợp các cell thành module các kỹ sư thiết kế sẽ tổ hợp các module thành một khối nguồn theo mong muốn, mỗi tổ hợp như vậy gọi là một array (mảng hay khối) Hình 2.16 giúp cho việc nhận dạng một cách dễ ràng các cell, module, và array

Hình 2.16 Những tổ hợp cơ bản của pin mặt trời cell, module, và array

2.2.4.1 Tổ hợp các Cell thành Module

Nguyên tắc chung khi tổ hợp module là: các cell nối tiếp phải cùng loại, dòng điện làm việc chảy qua các cell là như nhau và điện áp của cả mạch nối tiếp là điện áp của các cell cộng lại Trên hình 2.17 thể hiện đặc tính V-I của 36 cell loại 0.6V mắc nối tiếp

Hình 2.17 Mô tả tổ hợp 36 cells mắc nối tiếp

Điện áp V của module bằng tích số của điện áp một cell với số lượng cell, n Chính xác hơn là:

) (

Tổ hợp 3 module nối tiếp:

sơ đồ đấu nối và đặc tính V-I thu được thể hiện trên hình 2.18