Nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện lai sức gió và mặt trời tại tỉnh lào cai

Tính cấp thiết của đề tài Đề tài nghiên cứu khảo sát tiềm năng phát triển khai thác nguồn năng lượngmặt trời tại tỉnh Lào Cai bằng việc thiết kế hệ thống điều khiển nhằm khai thácđược ng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN TRUNG THAO

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN LAI SỨC GIÓ

VÀ MẶT TRỜI TẠI TỈNH LÀO CAI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT ĐIỆN

Thái Nguyên - năm 2020

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN TRUNG THAO

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN LAI SỨC GIÓ VÀ

MẶT TRỜI TẠI TỈNH LÀO CAI

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên tác giả luận văn: Nguyễn Trung Thao

Đề tài luận văn: Nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện lai sức gió và

mặt trời tại tỉnh Lào Cai

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số: 8.52.02.01

Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhậntác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày03/10/2020 với các nội dung sau:

- Sửa sai sót về lỗi chính tả

- Sửa tên chương 1, sửa lại hình 2.17, 2.18 và hình 3.8

Thái Nguyên, ngày 15 tháng 10 năm 2020

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

PGS.TS Võ Quang Lạp

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Nguyễn Trung Thao

Sinh ngày: 19 tháng 10 năm 1990

Học viên lớp cao học khoá 21 – Kỹ thuật điện - Trường Đại học Kỹ ThuậtCông Nghiệp – Đại học Thái Nguyên

Hiện đang công tác tại: Trường Cao đẳng Lào Cai

Tôi cam đoan toàn bộ nội dung trong luận văn do tôi làm theo định hướngcủa giáo viên hướng dẫn, không sao chép của người khác

Các phần trích lục các tài liệu tham khảo đã được chỉ ra trong luận văn.Nếu có gì sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm

Tác giả luận văn

Nguyễn Trung Thao

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tác giả xin chân thành cảm ơn tới các thầy giáo, cô giáo Khoasau đại học, Khoa Điện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp cùng các thầygiáo, cô giáo, các anh chị tại Trung tâm thí nghiệm đã giúp đỡ và đóng gópnhiều ý kiến quan trọng cho tác giả để tác giả có thể hoàn thành bản luận văncủa mình

Trong quá trình thực hiện đề tài tôi đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình củacác thầy, cô giáo trong khoa Điện của trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệpthuộc Đại học Thái Nguyên và các bạn đồng nghiệp Đặc biệt là dưới sự hướngdẫn và góp ý của thầy TS Đặng Danh Hoằng đã giúp cho đề tài hoàn thànhmang tính khoa học cao Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ quý báu của cácthầy, cô

Do thời gian, kiến thức, kinh nghiệm và tài liệu tham khảo còn hạn chế nên

đề tài khó tránh khỏi những thiếu sót Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiếncủa các thầy, cô giáo và các bạn đồng nghiệp để tôi tiếp tục nghiên cứu, hoànthiện hơn nữa trong quá trình công tác sau này

Học viên

Nguyễn Trung Thao

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

2 Mục tiêu nghiên cứu

3 Nội dung của luận văn

CHƯƠNG 1: ĐÁNH GIÁ TIỀM NĂNG KHAI THÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ MẶT TRỜI TẠI TỈNH LÀO CAI

1.1 Tổng quan nguồn năng lượng gió và mặt trời

1.1.1 Tổng quan về nguồn năng lượng mặt trời [17, 19]

1.1.2 Tổng quan về nguồn năng lượng gió [11, 21]

1.2 Tiềm năng, thực trạng khai thác điện gió và mặt trời tại tỉnh Lào Cai [17]

1.2.1 Tiềm năng, thực trạng khai thác năng lượng mặt trời

1.2.1.1 Thuận lợi

1.2.1.2 Khó khăn

1.2.2 Tiềm năng, thực trạng khai thác năng lượng gió

1.3 Kết luận chương 1

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG LAI GIÓ VÀ PIN MẶT TRỜI

2.1 Cấu trúc hệ thống điện mặt trời [16]

2.1.1 Pin mặt trời (PV - Photovoltaic)

2.1.1.1 Khái niệm

2.1.1.2 Mô hình toán và đặc tính làm việc của pin mặt trời 23

2.1.1.3 Khối xác định và duy trì điểm làm việc có công suất lớn nhất 26 2.2 Cấu trúc điều khiển hệ thống năng lượng gió 34

2.2.1 Điều khiển turbine 36

2.2.2 Điều khiển Crowbar hoặc Stator switch 39

2.2.3 Điều khiển phía lưới và phía máy phát 39

2.3 Cấu trúc điều khiển của hệ thống lai gió và mặt trời 40

2.4 Thiết kế bộ điều khiển cho bộ nghịch lưu DC/AC 41

2.4.1 Mở đầu 41

2.4.2 Chuyển đổi khung tham chiếu 41

2.5 Thiết kế điều khiển nghịch lưu nối lưới DC/AC 46

2.6 Kết luận chương 2 47

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG 48 3.1 Xây dựng mô hình hệ thống điều khiển nguồn lai gió và mặt trời trên phần mềm Matlab/Simulink [4] 48

3.2 Kết quả mô phỏng 50

3.3 Đánh giá chất lượng điều khiển hệ thống 54

3.4 Kết luận chương 3 54

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

21 R cg

vi

vii

viii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Mô hình điện mặt trời cho cơ quan, hộ gia đình 4

Hình 1.2: Cánh đồng pin năng lượng mặt trời (ven biển) 5

Hình 1.3: Lắp đặt pin năng lượng mặt trời trên mái nhà 5

Hình 1.4: Lắp đặt pin năng lượng mặt trời trên đồi núi 6

Hình 1.5: Phương pháp tổ hợp pin mặt trời 7

Hình 1.6: Tuabin gió - Ngày càng có nhiều các tua bin gió hiện đại được thiết kế và lắp đặt ở độ cao trên 100m Độ cao đặt tua bin tăng lên cho phép tăng được đường kính cánh quạt (tăng công suất) và giải phóng được diện tích đất cho các hoạt động kinh tế khác 8

Hình 1.7: Đồ thị công suất điện (We) của tua bin ở các tốc độ gió (m/s) khác nhau 10

Hình 1.8: Đồ thị giá thành 1 MWe từ các nguồn năng lượng 14

Hình 1.9: Đồ thị thể hiện số giờ nắng trong các tháng tại tỉnh Lào Cai 15

Hình 1.10: Phân bố nắng tại tỉnh lào Cai theo Global Solaratlas 17

Hình 2.1: Mô hình tương đương của module PV 23

Hình 2.2: Quan hệ I(U) và P(U) của PV 24

Hình 2.3: Họ đặc tính của PV 25

Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý bộ giảm áp Buck 27

Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý mạch tăng áp 28

Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý mạch Buck-Boost 29

Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi Cuk 30

Hình 2.8: Sơ đồ mạch Cuk khi khóa SW mở thông dòng 30

Hình 2.9: Sơ đồ mạch Cuk khi khóa SW đóng 31

Hình 2.10: Lưu đồ thuật toán tìm điểm công suất cực đại 32

Hình 2.11: Sơ cấu trúc điều của khiển hệ thống điện mặt trời nối lưới 33

Hình 2.12: Máy phát đồng bộ 3 pha kích thích vĩnh cửu hoặc không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc 34

Hình 2.13: Máy phát không đồng bộ 3 pha nguồn kép 34

Hình 2.14: Hệ thống phát điện sức gió sử dụng crowbar 35

Hình 2.15: Hệ thống phát điện sức gió sử dụng stator switch 36

Hình 2.16: Các đường cong sử dụng trong giải pháp điều khiển turbine 38

Hình 2.17: Hệ thống lai phát điện sức gió và pin mặt trời sử dụng crowbar 40

Hình 2.18: Hệ thống lai phát điện sức gió và pin mặt trời sử dụng stator switch41 Hình 2.19: Chuyển đổi từ hệ tọa độ abc sang hệ tọa độ αβ 42

Hình 2.20: Chuyển đổi từ hệ qui chiếu αβ sang hệ qui chiếu dq 44

Hình 2.21: Cấu trúc của SOGI 45

Hình 2.22: Sơ đồ cấu trúc điều khiển mạch vòng dòng điện phía lưới sử dụng khâu PI 46

Hình 3.1: Sơ đồ mô phỏng toàn hệ thống 49

Hình 3.2: Khối mô tả máy phát điện sức gió 49

Hình 3.3: Khối bộ DC/DC của Pin mặt trời và nghịch lưu DC/AC 50

Hình 3.4: Đáp ứng công suất của pin theo bức xạ mặt trời 50

Hình 3.5: Đáp ứng công suất của pin mặt trời theo bức xạ mặt trời 51

Hình 3.6: Đáp ứng điện áp pha đầu ra của bộ nghịch lưu DC/AC 51

Hình 3.7: Đáp ứng dòng điện 3 pha đầu ra của bộ nghịch lưu DC/AC 52

Hình 3.8: Đáp ứng tốc độ của máy phát gió 52

Hình 3.9: Đáp ứng mô men của máy phát gió 53

Hình 3.10: Đáp ứng công suất phản kháng của hệ thống 53

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Đề tài nghiên cứu khảo sát tiềm năng phát triển khai thác nguồn năng lượngmặt trời tại tỉnh Lào Cai bằng việc thiết kế hệ thống điều khiển nhằm khai thácđược nguồn năng lượng mặt trời đưa vào phục vụ sản xuất và đời sống, nhất là

áp dụng cho các cơ quan cấp sở của tỉnh Lào Cai nhằm góp phần giảm tiêu haonăng lượng hóa thạch, đồng thời giảm phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính.Nguồn năng lượng gió và mặt trời phong phú với nguồn gió ở các khu vực núicao và bức xạ nắng trung bình là 5kWh/m2 /ngày Bên cạnh đó việc sử dụngnăng lượng mặt trời như là một nguồn năng lượng tại chỗ để thay thế cho cácdạng năng lượng truyền thống đáp ứng nhu cầu năng lượng của các vùng dân cưkhông tập trung là một kế sách có ý nghĩa về mặt kinh tế, an ninh quốc phòng vàphát triển văn hoá giáo dục…

Từ những đánh giá quan trọng trên chúng ta cần phải tiến hành nghiên cứutiềm năng khai thác nguồn năng lượng gió và mặt trời tại tỉnh Lào Cai cũng nhưnghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển hệ thống này để cung cấp cho một số

phụ tải tại tỉnh Lào Cai Vì vậy em chọn đề tài: "Nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện lai sức gió và mặt trời tại tỉnh Lào Cai".

2. Mục tiêu nghiên cứu

- Nghiên cứu khảo sát tiềm năng năng lượng gió và mặt trời tại tỉnh làoCai

- Đánh giá khả năng khai thác nguồn năng lượng gió và mặt trời để cung cấp cho một số phụ tải tại tỉnh Lào Cai

- Xây dựng mô tả toán học của hệ thống phát điện nguồn áp xoay chiều (AC) được biến đổi từ năng lượng gió và mặt trời (DC)

- Thiết kế bộ điều khiển hệ thống khai thác nguồn năng lượng gió và mặttrời

3 Nội dung của luận văn

Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm các chương sau:

Chương 1: Đánh giá tiềm năng khai thác năng lượng gió và mặt trời tại tỉnh Lào Cai

Chương 2: Xây dựng cấu trúc điều khiển hệ thống khai thác nguồn năng lượng gió và mặt trời

Chương 3: Mô phỏng và đánh giá chất lượng hệ thống

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 ĐÁNH GIÁ TIỀM NĂNG KHAI THÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ

MẶT TRỜI TẠI TỈNH LÀO CAI 1.1 Tổng quan nguồn năng lượng gió và mặt trời

1.1.1 Tổng quan về nguồn năng lượng mặt trời [17, 19]

Như đã phân tích, đặc điểm chung của các nguồn điện sử dụng năng lượngtái tạo đó là phân tán, công suất nhỏ và đang được hoàn thiện dần về chất lượngđiện năng cung cấp Hiện tại, các nguồn điện điện thuộc dạng này chủ yếu đượckhai thác dưới các hình thức sau: Mạng điện độc lập, mạng điện có kế 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 điềukiện vươn tới, như những khu vực biên giới hải đảo thì việc thiết lập một mạngđiện độc lập là giải pháp duy nhất Trước đây, nguồn cung cấp cho mạng điệnđộc lập chủ yếu là máy phát điện diesel với công suất từ vài chục đên một vàitrăm kW Ngày nay, việc sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo cho mạng điệnđộc lập đang được phổ cập Ví dụ như: hệ pin mặt trời, điện sức gió, điện đạidương, V.V Mô hình mạng điện độc lập nguồn năng lượng tái tạo được pháttriển đa dạng cả về loại nguồn và cấu trúc sơ đồ, đa dạng về công suất từ nhỏđến vừa phù hợp cho cắc đối tượng ứng dụng khác nhau, thậm chí dùng riêngcho một phụ tải hay một hộ gia đình Ví dụ như trên các hình vẽ sau;

Sơ đồ trên hình 1.1 mô tả một mạng điện với nguồn được sử dụng ở đây làdạng 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 tủlạnh chạy điện dc, một nhánh khác thông qua biến tần DC/AC cấp cho các tảixoay chiều trong cơ quan, hộ gia đình

Hình 1.1: Mô hình điện mặt trời cho cơ quan, hộ gia

đình Phương pháp khai thác nguồn năng lượng pin mặt trời

Hệ thống điện sử dụng năng lượng tái tạo nối lưới là một hệ thống chophép tích hợp điện năng của năng lượng điện của nhiều loại năng lượng tái tạonói chung và của năng lượng mặt trời nói riêng trong một bộ biến đổi điện tửcông suất để biến đổi thành điện xoay chiều 1 pha hoặc 3 pha có tần số 50Hz(hoặc 60Hz) cung cấp trực tiếp cho tải hoặc nối với lưới điện quốc gia hoặc lướiđiện khu vực Hệ thống này rất linh hoạt trong lắp đặt và sử dụng và là một bộphận không thể thiếu được của lưới điện thông minh

Việc khai thác nguồn năng lượng mặt trời hiện nay đang phát triển rấtmạnh mẽ, nhất là ở các nước có nền kinh tế phát triển như Mỹ, Trung Quốc, …

Có nhiều phương thức lắp đặt các tấm pin mặt trời để khai thác nguồn nănglượng này như: Lắp đặt ở ven biển thành dạng cánh đồng pin mặt trời (hình 1.2),lắp trên các mái nhà (hình 1.3), lắp đặt trên đồi núi (hình 1.4), v.v…

Hình 1.2: Cánh đồng pin năng lượng mặt trời (ven biển)

Hình 1.3: Lắp đặt pin năng lượng mặt trời trên mái nhà

Hình 1.4: Lắp đặt pin năng lượng mặt trời trên đồi núi

Nguồn pin mặt trời phổ biến hiện nay được cấu thành từ các chất bán dẫncấu trúc tinh thể (các nguyên tố thuộc phân nhóm chính nhóm IV trong bảngtuần hoàn các nguyên tố hóa học) như Silicon, Germanium và hình thành mộtlớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặttrời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện bên trong Các nguyên tố nhưBoron, Photpho, Gallium, Cadmium và Tellurium cũng được sử dụng như cácchất phụ gia để gia tăng khả năng dẫn điện cho PVg Khi chiếu sáng lớp tiếp xúcp-n, các cặp điện tử - lỗ trống được tạo thành, do tác dụng của điện trường tiếpxúc nên các cặp bị tách ra, bị gia tốc về các phía đối diện và tạo nên một sứcđiện động quang điện

Một đặc điểm cơ bản của pin mặt trời là luôn phát dòng điện một chiều ramạch ngoài khi có tải và bức xạ mặt trời chiếu vào Mối quan hệ giữa dòng điện

ipv và điện áp vpv phát ra từ PVg là một mối quan hệ phi tuyến phức tạp, trong

đó công suất phát ra tại mỗi thời điểm phụ thuộc vào nhiệt độ T của lớp tiếp giápp-n, công suất của bức xạ mặt trời G và mức tiêu thụ của phụ tải Đồng thời, quátrình chuyển từ trạng thái vận hành này sang trạng thái vận hành khác là tức thời

và không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố liên quan đến quán tính

Mặt khác, pin mặt trời luôn tồn tại một trạng thái vận hành mà công suấtphát ra là lớn nhất tương ứng với mỗi cặp giá trị (G, T) Khai thác được trạngthái vận hành này sẽ giúp khắc phục được nhược điểm hiệu suất thấp, giá thànhcao của dạng nguồn này Điều này có thể đạt được nhờ điều chỉnh lượng tải hấpthụ tương ứng với công suất tại MPP.

Xuất phát từ các cell đơn lẻ với công suất và điện áp nhỏ, PVg thường được

sử dụng dưới dạng tổ hợp các cell thành module, tổ hợp các module thành panel, tổhợp các panel thành array như mô tả trên hình 1.1 Trong đó, các nhà sản xuất cungcấp ra thị trường các sản phẩm được đóng gói dưới dạng các panel

Hình 1.5: Phương pháp tổ hợp pin mặt

trời 1.1.2 Tổng quan về nguồn năng lượng gió [11, 21]

Điện gió - là một lĩnh vực của ngành năng lượng, chuyên về chuyển đổiđộng năng của không khí trong khí quyển thành điện năng, cơ năng, nhiệt năng,hay một dạng năng lượng khác để phục vụ cho nền kinh tế Việc chuyển đổi nàyđược thực hiện bằng các tổ hợp thiết bị, như máy phát điện bằng tua bin gió (đểthu được điện năng), cối xay gió (để thu được cơ năng), cánh buồm (trong vậntải), v.v

Năng lượng gió có được nhờ hoạt động của mặt trời, vì vậy thuộc dạng tựtái tạo, dễ tiệm cận, sạch về sinh thái và có chi phí vận hành thấp Các trạm điệntua bin gió lớn thường được nối với hệ thống điện, các trạm nhỏ hơn thườngđược xây dựng và vận hành để cung cấp điện cho những vùng ở xa lưới điện

Hình 1.6: Tuabin gió - Ngày càng có nhiều các tua bin gió hiện đại được thiết

kế và lắp đặt ở độ cao trên 100m Độ cao đặt tua bin tăng lên cho phép tăng được đường kính cánh quạt (tăng công suất) và giải phóng được diện tích đất

cho các hoạt động kinh tế khác.

Việc phát triển điện gió thường gặp một số khó khăn mang tính kỹ thuật vàkinh tế Khi tỷ trọng của điện gió trong lưới điện tăng lên, sự không ổn định củagió sẽ làm gia tăng sự không ổn định trong cung cấp điện, đòi hỏi phải áp dụngcông nghệ thông minh trong vận hành và quản lý hệ thống phân phối điện Cácnhược điểm cơ bản của việc phát triển điện gió gồm:

1/ Sản lượng điện phát ra của các tua bin gió phụ thuộc hoàn toàn vào sứcgió - một đại lượng rất không ổn định trong ngày, trong tháng, trong năm vàtrong cả nhiều năm Không có hệ thống điện nào có thể chấp nhận được sự bấtđịnh như vậy

2/ Trong khi biểu đồ phụ tải của hệ thống điện vốn rất không ổn định, cáctua bin gió dù lớn hay nhỏ không những không có khả năng tham gia vào việc

điều tần của hệ thống điện (vì phụ thuộc 100% vào tự nhiên), mà còn gây ranhiều bất cập trong điều độ của hệ thống, đòi hỏi hệ thống điện phải có nguồn

dự phòng cao

3/ Khi tỷ trọng công suất điện gió lớn, để có dự phòng cao, đòi hỏi phải xâydựng thêm các nguồn điện đắt tiền khác như nhiệt điện chạy khí, nhiệt điện chạydầu, thủy điện, và thủy điện tích năng Điều này sẽ dẫn đến một rào cản khác vềmặt kinh tế là giá thành điện bình quân của hệ thống sẽ tăng lên rất cao Vì vậy,trên thế giới, chủ quản của các hệ thống điện thường không “mặm mà” với điệngió, và không muốn đấu nối điện gió vào hệ thống, trừ khi có sự ép buộc củaChính phủ và/hoặc có cơ chế bù đắp chi phí

4/ Khi tỷ trọng điện gió trong hệ thống đạt mức 20÷25%, sẽ xuất hiện cácvấn đề nghiêm trọng trong lưới điện (lưới điện sẽ bị mất kiểm soát - không điềuphối được) Đây là điều bắt buộc phải tính đến trong qui hoạch phát triển ngànhđiện trên quan điểm đảm bảo an toàn và ổn định về cung cấp điện cho nền kinhtế

5/ Đối với các tua bin gió nhỏ lẻ, việc đấu nối với lưới quốc gia có thể trởnên không khả thi về mặt kinh tế Vấn đề này chỉ có thể giải quyết được mộtphần nếu tua bin gió được nối với lưới điện cục bộ (tại chỗ) với điều kiện cácthiết bị phân phối, truyền tải hiện có và tua bin gió phải có công suất phù hợpvới nhau

6/ Đối với các tua bin gió công suất lớn, vấn đề khó khăn nhất liên quanđến các qui trình sửa chữa, duy tu, bảo dưỡng (khi phải sửa chữa hay thay thếcác chi tiết/bộ phận có kích thước lớn và trọng lượng lớn như rotor, cánh quạt) ở

độ cao hơn 100m

Các máy phát điện gió (tua bin gió) có thể chia thành 2 loại: công nghiệp vàgia dụng Các máy tua bin gió công nghiệp hiện đại có công suất lên tới7,5MWe Công suất của tua bin gió phụ thuộc vào diện tích hứng gió của cáccánh quạt (rotor của tua bin) và chiều cao của tua bin so với mặt đất

Ví dụ, loại tua bin gió công suất 3MWe (V90) của hãng Vestas (Đan Mạch)

có tổng chiều cao 115m, chiều cao tháp 70m, và đường kính cánh quạt 90m

Theo lý thuyết về khí động học, các luồng không khí chuyển động ở gầnmặt đất hay mặt biển thuộc loại các dòng chảy theo lớp/tầng (laminar), trong đó,các lớp nằm thấp hơn sẽ cản các lớp nằm ở phía trên cao hơn Hiệu ứng này rất

rõ nét ở độ cao đến 1000m, nhưng giảm mạnh ở độ cao trên 100m Vì vậy, ngàycàng có nhiều các tua bin gió hiện đại được thiết kế và lắp đặt ở độ cao trên100m Độ cao đặt tua bin tăng lên cho phép tăng được đường kính cánh quạt(tăng công suất) và giải phóng được diện tích đất cho các hoạt động kinh tếkhác

Các tua bin gió hiện đại được thiết kế phát điện ở tốc độ gió từ 3m/s và tựđộng dừng phát điện khi tốc độ gió lớn hơn 25m/s Hiệu suất tối đa của tua bingió thường đạt được ở tốc độ gió 15m/s Công suất phát điện của tua bin gió tỷ

lệ bậc 3 với tốc độ gió Ví dụ, nếu tốc độ gió tăng lên 2 lần (từ 5m/s lên 10m/s),công suất phát điện sẽ tăng lên 8 lần

Hình 1.7: Đồ thị công suất điện (We) của tua bin ở các tốc độ gió (m/s) khác

nhau

Đồ thị trên cho thấy, một tua bin gió có công suất khoảng 500W ở tốc độgió 5m/s, và có công suất khoảng 4.900W ở tốc độ gió 10m/s (tăng gần 10 lần)

Trên thế giới, tua bin gió phổ biến nhất hiện nay có 3 cánh, trục nằm ngang.Đôi khi cũng có loại 2 cánh Đối với những nơi có tốc độ gió thấp, loại tua bin

có trục đứng được coi là có hiệu quả nhất (kiểu con quay, chong chóng) Loạitua bin trục đứng cũng đang có thị trường mở rộng vì phần lớn dân cư nằm trongđất liền, nơi có tốc độ gió trung bình 3÷12m/s thấp hơn so với vùng ven biển Ởnhững nơi có tốc độ gió thấp, tua bin trục thẳng đứng có hiệu suất cao hơn hẳn

so với tua bin trục nằm ngang

Ngoài ra, tua bin trục đứng còn có nhiều ưu điểm đáng kể khác như: hầunhư không có tiếng ồn, không đòi hỏi bất kỳ công việc duy tu/bảo dưỡng nào,thời hạn làm việc hơn 20 năm Hệ thống hãm theo các thiết kế mới nhất chophép tua bin làm việc ổn định ngay cả khi tốc độ gió tăng vọt (giật) lên đến 60m/s

Điện gió ngoài khơi

Các vùng biển ngoài khơi gần bờ (cách bờ 10÷60km) được coi là (khôngchiếm đất, có độ sâu nước không quá lớn, có gió biển điều hòa, và không nhậnthấy từ đất liền) có triển vọng nhất để sản xuất điện bằng tua bin gió Tuy nhiên,chi phí đầu tư xây dựng các tua bin gió ngoài khơi thường cao hơn 1,5-2 lần sovới trong đất liền (tháp gió phải cao hơn, nền móng phải vững bền hơn, chịuđược nước mặn, v.v ) Ở ngoài khơi, các tháp tua bin được đặt trên móng cọc,các cọc móng được đóng sâu tới 30m, hoặc được đặt trên các giàn nổi

Tua bin gió nổi ngoài biển đầu tiên được công ty H Technologies BV thiếtlập vào cuối năm 2007 có công suất 80kW, nằm cách bờ biển phía Nam Ý 10,6hải lý, ở nơi nước biển có độ sâu 108m Công ty StatoilHydro của Na Uy đãthiết kế các tua bin gió nổi cho các trạm điện gió ngoài khơi có độ sâu lớn

Từ năm 2009, công ty StatoiHydro đã xây dựng một tua bin gió “Hywind”trình diễn có công suất 2,3MW, nặng 5.300 tấn, đường kính rotor 82,4m, vớitháp của tua bin có độ cao 65m trên mực nước biển và 100m nằm trong nướcbiển, cách đảo Carma 10km phía tây - nam Na Uy

Điện gió trên đất liền

Một trạm điện gió có thể bao gồm nhiều tua bin gió (có thể lên tới hơn 100tua bin) được lắp đặt gần nhau và thường được thiết lập ở những nơi có có tốc

độ gió trung bình cao nhất từ 4,5m/s Trạm điện gió ở gần thành phố Roscoe,bang Texas, Mỹ được công ty E.ON của Đức xây dựng đưa vào vận hành từ

2009 có tới 627 tua bin gió do Mitsubishi, General Electric và Siemens chế tạo,với tổng công suất gần 780MW và có diện tích không nhỏ hơn 400 km2

Gió trong đất liền thường không ổn định (về tốc độ và về hướng) như gió ởngoài khơi Việc xây dựng các trạm điện gió trong đất liền đỏi hỏi phải khảo sátrất bài bản về tốc độ gió và hướng gió

Việc khảo sát (đo) tốc độ và hướng gió cần được tiến hành ở độ cao từ trên30m và trong thời gian 1÷2 năm Thông thường, các số liệu thống kê có sẵn vềtốc độ gió của các trạm khí tượng không dùng được cho việc thiết kế tua bin gió

vì các trạm khí tượng chỉ đo gió ở độ cao khoảng 10m và nằm trong các vùnggần khu dân cư hay tại các sân bay

Ở nhiều nước, các tua bin gió được thiết kế theo bản đồ gió do các cơ quannhà nước thành lập, hoặc được thiết lập bằng vốn ngân sách Ví dụ, ở Canada BộPhát triển và Bộ Tài nguyên đã thành lập tập bản đồ (atlat) gió và phần mềm môphỏng về năng lượng gió (Wind Energy Simulation Toolkit- WEST) cho

phép khảo sát để lập phương án xây dựng tua bin gió ở bất kỳ vị trí nào Chươngtrình Phát triển của Liên hợp quốc từ năm 2005 đã thành lập bản đồ gió cho 19nước đang phát triển

Để giảm thiểu ảnh hưởng của các tua bin gió đến môi trường, người ta phảiđưa ra một số qui định cụ thể đối với các tua bin gió Ví dụ, ở Anh, Đức, ĐanMạch độ ồn tối đa của các tua bin gió nhỏ hơn 45 dB vào ban ngày và nhỏ hơn

35 dB vào ban đêm; khoảng cách tối thiểu đến các nhà có người ở là 300m,trong thời kỳ chim di cư, các tua bin gió phải ngừng hoạt động, v.v

Nguồn điện gió có thay thế được các nguồn điện truyền thống?

Viện nghiên cứu Năng lượng của Mỹ và Liên minh về Năng lượng Thansạch của Mỹ đã phối hợp nghiên cứu, đánh giá và so sánh về giá so sánh tiêuchuẩn của điện năng thu được từ các nguồn năng lượng mới và nguồn nănglượng truyền thống

Giá so sánh tiêu chuẩn của điện năng (levelized cost of electricity - LCOE)

là giá thành sản xuất trung bình được tính cho toàn bộ thời gian tồn tại của nhàmáy phát điện (bao gồm tất cả các đầu tư cần thiết, các chi phí và thu nhập) Đây

là công cụ đánh giá các nguồn năng lượng, cho phép so sánh các phương phápsản xuất điện khác nhau trên cùng một cơ sở ổn định Giá được xác định chomột chu kỳ sống của nhà máy điện có thời hạn 20-40 năm và được tính trênkWh

Dựa trên các số liệu do các nhà sản xuất điện cung cấp, kết quả nghiên cứuđánh giá của Viện Năng lượng Mỹ đã chỉ ra nhiều yếu tố quan trọng đã khôngđược tính đến trong các báo cáo khác về LCOE Trong đó, có các chi phí quantrọng chưa được tính đến, cần được chi bổ sung cho điện gió và điện mặt trời,gồm:

1/ Các chi phí phát sinh liên quan đến việc phải có các nguồn năng lượngthường trực dự phòng ở mức độ sẵn sàng đưa vào thay thế cho điện gió và điệnmặt trời theo yêu cầu của phụ tải và chi phí cho việc duy trì các nguồn điện dựphòng này khi điện gió và điện mặt trời tham gia phát điện vào lưới

2/ Các chi phí liên quan đến việc phải tìm kiếm và đưa vào khai thác thêmcác nguồn năng lượng truyền thống để phục vụ cho việc xây dựng thêm cácnguồn điện dự phòng này

Việc tính đủ các thành phần chi phí như nêu trên mới cho phép đánh giáđầy đủ và so sánh chính xác về chi phí của các nguồn năng lượng

Kết quả nghiên cứu đã cho thấy, giá thành 1 MWe từ các nguồn như sau:nhiệt điện than- 41$, nhiệt điện khí- 36$, điện nguyên tử 33$, thủy điện- 38$,điện gió- 90$, điện mặt trời- 88,7$ (xem đồ thị sau).

Hình 1.8: Đồ thị giá thành 1 MWe từ các nguồn năng lượng

Đồ thị trên cho thấy, giá so sánh tiêu chuẩn của điện năng từ nguồn nănglượng tái tạo mới (điện gió và điện mặt trời) cao hơn trên 2 lần so với giá điện từcác nguồn năng lượng truyền thống

Liên quan đến kết quả nghiên cứu này, ông Tom Pyle - Chủ tịch Viện Nănglượng Mỹ đã tuyên bố: “Nghiên cứu này cho thấy, tại sao một chính sách ngungốc như “Thỏa thuận xanh mới” (Green New Deal) và chuyển đổi 100% sangcác nguồn tài nguyên tái tạo có thể gây thiệt hại cho nền kinh tế của chúng ta vàlàm tăng đáng kể chi phí điện cho các hộ gia đình Mỹ Việc chuyển đổi sản xuấtđiện từ các nhà máy điện có giá cả phải chăng và đáng tin cậy sang các nguồnnăng lượng mặt trời và gió tốn kém và không ổn định sẽ làm tăng đáng kể chiphí điện cho các doanh nghiệp và gia đình Nghiên cứu này cung cấp cơ hội đểkiểm tra thực tế cho những người đưa ra quyết định liên quan đến chính sáchnăng lượng của Mỹ”

Bà Michelle Bloodworth - Chủ tịch kiêm Tổng giám đốc điều hành củaLiên minh vì Năng lượng Than sạch của Mỹ đã nói: “Nghiên cứu mới này rất cógiá trị ở chỗ nó cung cấp sự so sánh các nguồn điện truyền thống và nguồn điệnmới theo cùng một thông số chung Nghiên cứu cho thấy các nhà hoạch địnhchính sách nên xem xét cẩn thận LCOE khi quyết định ngừng hoạt động của cácnhà máy nhiệt điện than, vì thay thế chúng bằng khí, gió, hoặc mặt trời có thể làmột quyết định kinh tế tồi tệ”.

1.2 Tiềm năng, thực trạng khai thác điện gió và mặt trời tại tỉnh Lào Cai [17]

1.2.1 Tiềm năng, thực trạng khai thác năng lượng mặt trời

Lào Cai là tỉnh thuộc chính giữa khu vực Đông Bắc và Tây Bắc có số ngàynắng trong năm so với cả nước ở mức trung bình như thể hiện trên biểu đồ 1.3

Hình 1.9: Đồ thị thể hiện số giờ nắng trong các tháng tại tỉnh Lào Cai

Trung bình số ngày nắng trong năm của tỉnh Lào Cai là 287 ngày/nămchiếm 78,6% số ngày trong năm có nắng, cũng giống như hầu hết các tỉnh thuộckhu vực Đông Bắc và Tây Bắc, tỉnh Lào Cai có tổng số giờ nắng trong năm vàokhoảng 1660 giờ (như trong biểu đồ 1.9) tức là trung bình một ngày có từ 4 đến

5 giờ nắng như vậy có thể cung cấp năng lượng cho các nhu cầu thiết yếu trongsinh hoạt như bếp đun năng lượng mặt trời, bình nước nóng hay các thiết bị sử

dụng năng lượng điện mặt trời So sánh với các tỉnh khác trong khu vực thì LàoCai là tỉnh thường có số giờ nắng cao, trạm Lào Cai là một trong những trạm cólịch sử lâu đời với kho số liệu nhiều năm về khí tượng Các tháng thường có số

giờ nắng nhiều là các tháng mùa hè ( tháng 5, 6, 7, 8) với khoảng gần 200 giờ nắng (Hình 1.9).

Để thấy được tiềm năng khai thác năng lượng mặt trời, ta có biểu đồ bức xạmặt trời như trong bảng 1.1

Bảng 1.1: Số liệu về bức xạ năng lượng Mặt trời của các vùng ở Việt Nam

Theo đánh giá về bản đồ năng lượng mặt trời toàn cầu của tổ chứcWORLD BANK GROUP thông qua trang web đánh giá trực tuyến www.http://globalsolaratlas.info/ Kết quả đánh giá tiềm năng sử dụng năng lượng mặttrời tại thị xã Bắc Kạn – tỉnh Bắc Kạn – Việt Nam được thể hiện như trên hình1.10:

Hình 1.10: Phân bố nắng tại tỉnh lào Cai theo Global

Solaratlas Từ hình trên cho thấy:

- Tổng bức xạ mặt trời: 1292 [kWh/m2]/năm, hay 3,54 [kWh/m2]/ngày

- Số năng lượng được chuyển đổi bởi hệ thống pin mặt trời: 1033[kWh/kWp] /năm hay 2,83[kWh/kWp]/ngày

1.2.1.1 Thuận lợi

- Với việc có số ngày có nắng trong năm lớn, khoảng gần 78,5% số ngàytrong năm có nắng, tỉnh Lào Cai rất thuận lợi cho việc áp dụng các thiết bị sửdụng năng lượng mặt trời hiện nay, đặc biệt là sử dụng pin mặt trời dùng cho cácthiết bị chiếu sáng cũng như sinh hoạt

Đặc tính là khu vực miền núi, các hộ gia đình sống rải rác, việc tự cung cấpđiện đối với từng hộ gia đình, nơi mà điện lưới khó đến được, đặc biệt là ởnhững vùng sâu, vùng xa

Tổng số giờ nắng khoảng 1660 giờ/ năm đủ cung cấp nhu cầu điện thắp sáng hay các thiết bị về nhiệt khác trong thời điểm hiện tại

Quyết định số Số: 11/2017/QĐ-TTg về Cơ chế khuyến khích phát triển các

dự án điện mặt trời tại Việt Nam của Thủ tướng chính phủ chính thức có hiệu

lực kể từ ngày 01 tháng 06 năm 2017 Quyết định này có nhiều chính sách hỗ trợphát triển năng lượng mặt trời và đặc biệt cho phép các dự án điện mặt trời quy

mô nhỏ trên mái nhà được phép nối lưới và thực hiện cơ chế mua bán điện vớiđơn vị điện lực, đồng thời quy định giá mua bán điện mặt trời là 2.086đ/kWh(tương ứng 9,35 Uscents/kWh); Các dự án trên mái nhà được thực hiện cơ chế

bù trừ điện năng (net-metering) sử dụng hệ thống công tơ hai chiều Trong mộtchu kỳ thanh toán, lượng điện phát ra từ các dự án trên mái nhà lớn hơn lượngđiện tiêu thụ sẽ được chuyển sang chu kỳ thanh toán kế tiếp Khi kết thúc nămhoặc khi kết thúc hợp đồng mua bán điện, lượng điện phát dư sẽ được bán chobên mua điện với giá bán điện theo quy định;

- Khi đời sống của người dân được nâng cao, nhu cầu sử dụng điện cũngnhư các thiết bị năng lượng mặt trời lớn hơn, với các thiết bị điện năng lượngmặt trời phụ thuộc vào thiết bị công nghệ của nước ngoài, giá thành cao, trongnước chưa làm chủ được công nghệ thiết bị nên gặp khó khăn trong quá trìnhtriển khai ứng dụng và sửa chữa, bảo dưỡng thiết bị

1.2.2 Tiềm năng, thực trạng khai thác năng lượng gió

Theo Quyết định số 37/2011/QĐ-TTg12, cao hơn 310 đồng/ kWh so vớimức giá điện bình quân hiện nay là 1.304 đồng/ kWh, được xem là chưa hấp dẫncác nhà đầu tư điện gió trong và ngoài nước

Do vậy, cho đến nay mới chỉ duy nhất một dự án điện gió ở xã Bình Thạnh,huyện Tuy Phong, tỉnh Bình Thuận là hoàn thiện giai đoạn 1 (dự kiến nâng tổng

công suất lên 120 MW trong giai đoạn 2 từ 2011 đến 2015), với công suất lắpđặt 30 MW (20 tuabin gió x 1,5 MW mỗi tua bin) Chủ đầu tư dự án là Công ty

Cổ phần Năng lượng Tái tạo Việt Nam (Vietnam Renewable Energy Joint StockCompany - REVN)13 Tổng mức đầu tư của dự án lên đến 1.500 tỷ đồng (tươngđương khoảng 75 triệu USD), các thiết bị tuabin gió sử dụng của Công tyFuhrlaender Đức Sản lượng điện gió năm 2011 đạt khoảng 79.000 MWh Trênđảo Phú Quý, tỉnh Bình Thuận, dự án điện gió lai tạo với máy phát điện diesel(diesel generator) (off-grid connection), của Tổng Công ty Điện lực Dầu khí,thuộc Tập đoàn Dầu khí Việt Nam (Petro Vietnam), có tổng công suất là 9 MW(gồm 3 tuabin gió x 2 MW mỗi tuabin + 6 máy phát diesel x 0,5 MW mỗi máyphát) đã lắp đặt xong và đang trong giai đoạn nối lưới Các tuabin gió sử dụngcủa hãng Vestas, Đan Mạch Giá bán điện đang đề xuất thông qua hợp đồng muabán điện với giá 13 US cents/ kWh GIá mua điện này được đánh giá là hấp dẫn

do đặc thù dự án ở ngoài đảo Tương tự, một dự án điện gió ở Côn Đảo, tỉnh BàRịa – Vũng Tàu do Công ty EAB CHLB Đức làm chủ đầu tư, giá bán điện thoảthuận là 25 UScents/ kWh Dự án đang chuẩn bị tiến hành xây dựng Tại tỉnhBạc Liêu, vùng đồng bằng Sông Cửu Long một dự án điện gió khác thuộc công

ty TNHH Thương mại và Dịch vụ Công Lý cũng đang trong giai đoạn lắp đặtcác tuabin gió (1 tuabin gió đã được lắp đặt) với công suất 16 MW trong giaiđoạn đầu (10 tuabin gió x 1.6 MW mỗi tuabin của hãng GE Mỹ) Dự kiến tronggiai đoạn 2 của dự án công suất sẽ nâng lên 120 MW (từ năm 2012 đến đầu năm2014) Ngoài ra, các dự án khác đang trong các giai đoạn tiến độ khác nhau của

dự án và danh sách các dự án điện gió đang vận hành và đăng ký ở Việt Namxem trong Bảng A2 (Phụ lục) 2.3 Các nhà cung cấp thiết bị điện gió ở ViệtNam Thị trường cung cấp tuabin gió ở Việt Nam: ngoài một số các nhà cung cấp

đã góp mặt trong các dự án như Fuhrlaender (CHLB Đức), Vestas (Đan Mạch),

và GE (Mỹ), còn có các nhà cung cấp khác cũng đang thể hiện sự quan tâm đếnthị trường Việt Nam như Gamesa (Tây Ban Nha), Nordex (CHLB Đức), IMPSA

(Agentina), Sany, Shanghai Electric và GoldWind (Trung Quốc)… Một tín hiệuđáng mừng cho thị trường điện gió Việt Nam, đó là sự góp mặt của một số nhàmáy sản xuất tuabin gió và cột cho tuabin gió (wind tower) như: • Tập đoàn GE

Mỹ có nhà máy sản xuất máy phát cho tuabin gió đặt tại khu công nghiệpNomura, thành phố Hải Phòng (vốn đầu tư lên tới 61 triệu USD); Công tyFuhrlaender Đức cũng đang dự định xây dựng nhà máy sản xuất tuabin gió ởBình Thuận (vốn đầu tư là 25 triệu USD); • Công ty TNHH CS Wind Tower14(100% vốn đầu tư của Hàn Quốc) ở khu công nghiệp Phú Mỹ 1, huyện TânThành, tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu, đang sản xuất và xuất khẩu tháp gió Công tyTNHH Công nghiệp Nặng VINA HALLA15 (100% vốn đầu tư của Hàn Quốc)

ở khu công nghiệp Mỹ Xuân B1, huyện Tân Thành, tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu.Năng lực sản xuất hàng năm của công ty là khoảng 400 tháp gió và được xuấtkhẩu đi các thị trường như Hàn Quốc, Nhật Bản, Ý, Bỉ, Brazil, Hoa Kỳ, cungcấp cho các dự án ở Hàn Quốc, Ả Rập Saudi, Ai Cập, Indonesia, Philippines,Hoa Kỳ, và Việt Nam

Từ phân tích ở trên cho thấy, tính đến thời điểm hiện tại không chỉ ở tỉnhLào Cai mà còn trong cả nước việc phát triển nguồn năng lượng gió vẫn cònnhiều hạn chế Tuy nhiên Lào Cai vẫn có những điểm thuận lợi để phát triểnđiện sức gió khi mà Lào Cai là một trong những tỉnh miền núi với địa hình nhiềuđồi núi dốc, dân cư sống không tập trung ở nhiều thôn, bản, nên có thể phát triểnnguồn điện cung cấp tại chỗ Bên cạnh đó Lào Cai là một tỉnh giáp ranh giữaTây Bắc và Đông Bắc nên phần nào sẽ chịu ảnh hưởng khí hậu của cả 2 khu vựctrên với nắng nóng từ tháng 3 đến tháng 9 trong khi vào mùa đông rất lạnh dogió Vì thế khi kết hợp điện gió và điện mặt trời là một giải pháp phù hợp vớiLào Cai, nơi có điều kiện nắng gió thay đổi liên tục trong năm

1.3 Kết luận chương 1

Chương 1 đã giải quyết được những vấn đề sau:

- Tổng quan về nguồn năng lượng gió và mặt trời

- Nghiên cứu tìm hiểu tiềm năng, thực trạng phát triển nguồn năng lượng gió và mặt trời tại tỉnh Lào Cai.

- Đánh giá được việc phối hợp khai thác nguồn năng lượng gió và mặt trời tại tỉnh Lào Cai là phù hợp

Trong các phần tiếp theo của luận văn, cần xây dựng được cấu trúc hệ thống khai thác nguồn năng lượng gió và mặt trời

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG LAI GIÓ VÀ PIN

MẶT TRỜI 2.1 Cấu trúc hệ thống điện mặt trời [16]

2.1.1 Pin mặt trời (PV - Photovoltaic)

2.1.1.1 Khái niệm

Pin năng lượng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện) là thiết bị

bán dẫn chứa lượng lớn các điôt p-n, duới sự tác động của ánh sáng mặt trời cókhả năng tạo ra dòng điện sử dụng được Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứngquang điện

Pin năng lượng mặt trời bao gồm nhiều tế bào quang điện được kết nốithành các modul hay các mảng năng lượng mặt trời Số tế bào quang điện được

sử dụng trong tấm pin tùy theo công suất và điện áp yêu cầu

Hiệu suất pin mặt trời là tỉ số giữa năng lượng điện pin mặt trời có thể phát

ra và năng lượng từ ánh sáng mặt trời tỏa nhiệt trong 1m² hiệu suất của pin mặttrời thay đổi từ 6% - 30% tùy theo loại vật liệu và hình dạng tấm pin

Pin mặt trời được sản xuất và ứng dụng phổ biến hiện nay là các pin mặt trờiđược chế tạo từ vật liệu tinh thể bán dẫn Silicon (Si) có hoá trị 4 Từ tinh thể Si tinhkhiết, để có vật liệu tinh thể bán dẫn Si loại n, người ta pha tạp chất Donor làPhotpho (P) có hoá trị 5 Còn để có vật liệu bán dẫn tinh thể loại p thì tạp chấtAcceptor được dùng để pha vào Si là Bo có hoá trị 3 Đối với pin mặt trời từ vậtliệu tinh thể Si khi được chiếu sáng thì hiệu điện thế hở mạch giữa hai cực vàokhoảng 0,55V, còn dòng ngắn mạch của nó dưới bức xạ mặt trời 1000W/m2 vàokhoảng (25÷30) mA/cm3 Hiện nay cũng đã có các pin mặt trời bằng vật liệu Si vôđịnh hình (a-Si) Pin mặt trời a-Si có ưu điểm là tiết kiệm được vật liệu trong sảnxuất do đó có thể có giá thành rẻ hơn Tuy nhiên, so với pin mặt trời tinh thể thìhiệu suất biến đổi quang điện của nó thấp và kém ổn định khi làm việc ngoài trời

Năng lượng mặt trời được tạo ra từ các tế bào quang điện (PV) là một trong

những nguồn năng lượng tái tạo quan trọng do lợi thế như không cần chi phí

nhiên liệu, bảo trì ít và không có tiếng ồn và mòn do sự vắng mặt của bộ phận

chuyển động Về lý thuyết đây là một nguồn năng lượng lý tưởng Tuy nhiên, để

hệ thống này được triển khai rộng rãi trong thực tế cần phải tiếp tục giải quyết

một số vấn đề như: Giảm chi phí lắp đặt; tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng

và các vấn đề liên quan đến sự tương tác với các hệ thống khác

2.1.1.2 Mô hình toán và đặc tính làm việc của pin mặt trời

Mô hình toán học của tế bào quang điện đã được nghiên cứu trong nhiều

thập kỷ qua [9] Mạch điện tương đương của mô hình tế bào quang điện bao

gồm: Dòng quang điện, Điôt, điện trở song song (dòng điện dò), điện trở nối

tiếp được chỉ ra trên hình 2.1 Ta có:

I

Trong đó: Igc là dòng quang điện (A); I0 là dòng bão hòa (A) phụ thuộc vào

nhiệt độ tế bào quang điện; q là điện tích của điện tử, q = 1,6.10-19C; k là hằng

số Boltzman, k = 1,38.10-23J/K; F là hệ số phụ thuộc vào công nghệ chế tạo pin,

ví dụ công nghệ Si-mono F = 1,2; công nghệ Si-Poly F = 1,3, …; Tc là nhiệt độ

tuyệt đối của tế bào (0K); Vd là điện áp trên điôt (V); Rp là điện trở song song

I gc G

Hình 2.1: Mô hình tương đương của module

Dòng quang điện Igc phụ thuộc trực tiếp vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ

pin, được tính theo công thức (2.2)

I

gc

=  µ



Với: µsc là hệ số phụ thuộc nhiệt độ của dòng ngắn mạch (A/0C); Tref là

nhiệt độ tham chiếu của tế bào quang điện (0K); Tc là nhiệt độ làm việc của tế

bào quang điện (0K); Isc là dòng điện ngắn mạch trong điều kiện chuẩn (nhiệt độ

Trong đó I0α là dòng điện bão hòa tại một bức xạ mặt trời và nhiệt độ tham

chiếu; Vg là năng lượng lỗ trống của chất bán dẫn được sử dụng làm tế bào; V0c

là điện áp hở mạch của tế bào Từ các biểu thức (2.1), (2,2), (2.3), (2.4) ta xây

dựng được mô hình mô phỏng modul PV trên Matlab Trong mô hình này các

đầu vào là bức xạ mặt trời và nhiệt độ của tế bào quang điện, các đầu ra là áp và

dòng PV Các thông số của mô hình thường được lấy từ bảng dữ liệu do nhà sản

Hình 2.2: Quan hệ I(U) và P(U) của PV

Đặc tính làm việc của pin mặt trời thể hiện qua đường đặc tính I(U) hai

thông số là điện áp hở mạch UOC (khi dòng điện ra bằng 0) và Dòng điện ngắn

mạch ISC (khi điện áp ra bằng 0)