Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện sử dụng năng lượng mặt trời và đề xuất giải pháp quản lý, kinh doanh cho năng lượng mặt trời cho thành phố Lào

Mục đích nghiên cứu của đề tài là đánh giá khả năng khai thác nguồn năng lượng mặt trời để cung cấp cho một số phụ tải tại Thành phố Lào Cai, Tỉnh Lào Cai; Cấu trúc bộ nguồn năng lượng mặt trời khi vận hành độc lập và nối lưới; Nghiên cứu đề xuất một số giải pháp quản lý, kinh doanh năng lượng mặt trời cho thành phố Lào Cai.

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

PHẠM THỊ HUÊ

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN

NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CHO THÀNH PHỐ LÀO CAI VÀ ĐỀ XUẤT

GIẢI PHÁP QUẢN LÝ, KINH DOANH NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KỸ THUẬT ĐIỆN

Thái Nguyên - năm 2020

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

PHẠM THỊ HUÊ

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CHO THÀNH PHỐ LÀO CAI VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP QUẢN LÝ,

KINH DOANH NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

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: Phạm Thị Huê

Đề tài luận văn: "Nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện sử dụng năng lƣợng mặt trời và đề xuất giải pháp quản lý, kinh doanh cho năng lƣợng mặt trời cho thành phố Lào Cai "

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số: 8.52.02.01

Tác giả, Cán bộ hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 23 / 09 /2020 với các nội dung sau:

Bổ sung mã ngành trang bìa và phụ lục, danh mục bảng biểu

Sắp xếp lại hình vẽ cho phù hợp với nội dung, đánh lại số thứ tự bảng

Sửa lại các lỗi chính tả, danh mục tài liệu theo quy định trình bày

Thái Nguyên, ngày 18 tháng 10 năm 2020

PGS TS Nguyễn Nhƣ Hiển Phạm Thị Huê

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

PGS TS Võ Quang Lạp

THÔNG TIN CHUNG

Họ và tên: Phạm Thị Huê

Điện thoại: 0919709906 ; Email: huesinhlc@gmail.com

Đơn vị công tác: Trường Cao đẳng Lào Cai

Ngành đào tạo: Kỹ thuật điện

Lớp: K21 KTĐ; Khóa học: 2018-2020

Mã ngành : 8.52.02.01

Cơ sở đào tạo: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp

Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Nhƣ Hiển

Điện thoại: 0868015995; 0913588906 Email: nhuhiendhktcn@gmail.com

Tên đề tài: "Nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện sử dụng năng lƣợng mặt trời cho thành phố Lào Cai và đề xuất giải pháp quản lý, kinh doanh cho năng

lƣợng mặt trời"

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân Các nghiên cứu

và kết quả được trình bày trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố công bố trong bất kỳ một luận văn nào trước đây

Tác giả luận văn

Phạm Thị Huê

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện luận văn của mình, tôi đã nhận được nhiều ý kiến đóng góp, động viên từ các thầy cô giáo, các bạn đồng nghiệp và người thân trong gia đình

Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới PGS, TS Nguyễn Như Hiển đã tận tình hướng dẫn, luôn hỗ trợ và khích lệ trong suốt thời gian làm luận văn để tôi có thể hoàn thành được luận văn của mình

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới toàn thể các thầy cô giáo đã tham gia giảng dạy trong khóa học chuyên ngành Kỹ thuật điện đã cho tôi ý kiến quý báu trong suốt quá trình học tập

Tôi xin gửi lời cảm ơn tới các Thầy giáo, Cô giáo của khoa Điện và Phòng Đào tạo Nhà trường đã tạo những điều kiện thuận lợi nhất về mọi mặt để tôi hoàn thành nội dung luận văn

Lào Cai, ngày tháng năm 2020

HỌC VIÊN

Phạm Thị Huê

MỤC LỤC THÔNG TIN CHUNG II LỜI CAM ĐOAN III LỜI CẢM ƠN IV MỤC LỤC V DANH MỤC CÁC CHỮ VI T TẮT VIII DANH MỤC BẢNG, BIỂU IX DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ X

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

2.1 Đối tượng nghiên cứu: 1

2.2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 1

3 Phương pháp nghiên cứu 2

4 Kết cấu của luận văn 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 3

1.1 Giới thiệu về hệ thống điện tỉnh Lào Cai và thành phố Lào Cai 3

1.1.1 Giới thiệu về hệ thống điện tỉnh Lào Cai 3

1.1.2 Giới thiệu khái quát về điện lực thành phố Lào Cai 4

1.2 Vai trò, đặc điểm và hiện trạng cấp điện của các tỉnh Tây Bắc 5

1.2.1 Vai trò và đặc điểm 5

1.2.2 Hiện trạng cấp điện cho khu vực Tây Bắc 6

1.2.3 Tiềm năng năng lượng mặt trời tại các tỉnh Tây Bắc 7

1.2 Vai trò của năng lượng mặt trời của thành phố Lào Cai 9

1.3 Một số lưu ý về năng lượng mặt trời tại thành phố Lào Cai 10

1.3.1 Tư vấn về lắp điện mặt trời: 10

1.3.2 Chi phí lắp 1 hệ thống điện năng lượng mặt trời hoàn chỉnh: 10

1.3.3 Lựa chọn tấm pin năng lượng mặt trời: 10

1.3.4 Thu hồi vốn khi lắp hệ thống năng lượng mặt trời: 11

1.4 Kết luận chương 1 11

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC HỆ ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI

CÓ LƯU TRỮ 12

2.1 Giới thiệu: 12

2.1.1 Nguyên lý hoạt động 12

2.1.2 Các mô hình lắp đặt 13

2.1.2.1 Mô hình nối lưới trực tiếp (On Grid) 13

2.1.2.2 Mô hình năng lượng mặt trời độc lập (Off Grid) 13

2.1.2.3 Mô hình vừa nối lưới vừa có lưu trữ (Hybrid) 14

2.2 Cấu trúc của hệ thống điện mặt trời 15

2.2.1 Cấu trúc hệ năng lượng mặt trời nối lưới 15

2.2.2 Cấu trúc hệ năng lượng mặt trời độc lập 15

2.2.3 Cấu trúc hệ năng lượng mặt trời lai 16

2.3 Hệ năng lượng điện mặt trời nối lưới có lưu trữ 17

2.3.1 Pin mặt trời (PV - Photovoltaic) 17

2.3.2 Bộ biến đổi một chiều - một chiều (DC/DC) 21

2.3.3 Nghịch lưu nối lưới (Grid Tie Inverter) 26

2.3.3.1 Nghịch lưu dòng một pha: 26

2.3.3.2 Sơ đồ nghịch lưu một pha có điểm giữa: 27

2.3.3.3 Nghịch lưu áp 1 pha dạng cầu: 28

2.3.3.4 Mạch công suất của bộ nghịch lưu (cầu H) 29

2.3.4 Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp 29

2.3.4.1 Dạng sóng sin mô phỏng: 30

2.3.4.2 Dạng sóng sin chuẩn: 30

2.3.5 Lọc sóng hài 31

2.3.5.1 Khái niệm về sóng hài 31

2.3.5.2 Nguyên nhân phát sinh sóng hài 33

2.3.5.3 Tác hại sóng hài 33

2.3.5.4 Giải pháp lọc sóng hài 33

2.3.6 Nguồn điện một chiều (Ắc quy) 34

2.3.6.1 Giới thiệu chung về Ắc quy 34

2.3.6.2.Tiêu chuẩn ắc quy: TCVN : 4472 : 93 35

2.3.7 Hệ thống điều khiển 37

2.3.7.1 Điều khiển điện áp một chiều 38

2.3.7.2 Điều khiển nghịch lưu một pha 38

2.4 Kết luận chương 2 40

2.4.1 Căn cứ để chọn hệ thống điện mặt trời lai: 40

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT MỘT SỐ GIẢI PHÁP QUẢN LÝ, KINH DOANH NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CHO THÀNH PHỐ LÀO CAI 43 3.1 Đánh giá khái quát 43

3.1.1 Ưu, nhược điểm của năng lượng mặt trời 43

3.1.2 Các văn bản pháp quy về điện mặt trời mái nhà 45

3.2 Quan điểm và định hướng phát triển NL tái tạo ở VN đến 2030 và tầm nhìn đến 2050 46

3.2.1 Giai đoạn từ nay đến 2030 47

3.1.2 Định hướng đến 2050 47

3.3 Thực trạng phát triển NL mặt trời ở Việt Nam và thành phố Lào Cai 50

3.3.1 Thực trạng phát triển NL mặt trời ở Việt Nam 50

3.3.2 Tình hình phát triển điện mặt trời ở Thành phố Lào Cai 53

3.4 Đề xuất một số giải pháp QL và KD NLMT ở thành phố Lào Cai 55

3.4.1 Công tác tuyên truyền 55

3.4.2 Việc thực hiện thủ tục của ngành Điện 58

3.4.3 Công tác kinh doanh, cung cấp thiết bị, phụ kiện, giá cả 59

3.4.4 Giải pháp hỗ trợ về tài chính 60

3.4.5 Công tác quản lý vận hành điện mặt trời 61

3.4 Kết luận 64

K T LUẬN VÀ KI N NGHỊ 65

1 Kết luận 65

2 Kiến nghị: 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

DANH MỤC CÁC CHỮ VI T TẮT

EVN Tập đoàn Điện lực Việt Nam

DANH MỤC BẢNG, BIỂU

Bảng 1.1: Số liệu bức xạ của cả nước 8

Bảng 2.1 Sơ đồ trạng thái đóng ngắt các khóa trên mạch cầu H 29

Bảng 2.2: Dạng sóng của một số loại phi tuyến 34

Bảng 2.3: Khả năng khởi động ban đầu của ắc quy 36

Bảng 2.4: Khả năng phóng điện của ắc quy 37

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Bản đồ số liệu bức xạ năng lượng mặt trời Việt Nam 8

Hình 2.1: Mô hình nối lưới trực tiếp 13

Hình 2.2: Mô hình năng lượng mặt trời độc lập 14

Hình 2.3: Mô hình vừa nối lưới vừa có lưu trữ (Hybrid) 14

Hình 2.4: Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời nối lưới 15

Hình 2.5: Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời độc lập 16

Hình 2.6: Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời lai 17

Hình 2.7: Các tấm pin mặt trời 17

Hình 2.8: Mô hình tương đương của module PV 19

Hình 2.9: Các họ đặc tính của PV 21

Hình 2.10: Sơ đồ nguyên lý bộ giảm áp Buck 23

Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý mạch tăng áp 24

Hình 2.12: Sơ đồ nguyên lý mạch Buck-Boost 24

Hình 2.13: Bộ chuyển đổi DC/DC có cách ly 25

Hình 2.14 Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu nguồn dòng 26

S1, S4 đóng: i0>0; S2, S3 đóng: i0<0 26

Hình 2.15: Sơ đồ nghịch lưu một pha có điểm giữa 27

Hình 2.16: Sơ đồ dạng nghịch lưu áp 1 pha dạng cầu 28

Hình 2.17: Sơ đồ đơn giản của mạch cầu H sử dụng Mosfet làm công tắc 29

Hình 2.18: Sóng sin mô phỏng (MODIRED SINE WAVE), thuần sin 30

(SINE WAVE) và xung vuông (SQUARE WAVE) 30

Hình 2.19: Sơ đồ cách tạo ra tín hiệu sin PWM 31

Hình 2.20: Mô dạng tín hiệu méo gây bởi song hài 32

Hình 2.21: Cấu tạo Ắc quy 35

Hình 2.22: Cấu trúc điều khiển điện áp một chiều sử dụng bộ điều khiển PI 38

Hình 2.23: Sơ đồ khối nghịch lưu một pha 38

Hình 2.24: Mạch vòng điều khiển dòng điện 39

Hình 2.25: Mạch vòng điều khiển công suất 39

Hình 2.26: Sơ đồ điều khiển hệ thống pin mặt trời nối lưới có lưu trữ 40

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Đề tài nghiên cứu khảo sát tiềm năng phát triển khai thác nguồn năng lượng mặt trời tại tỉnh Lào Cai bằng việc thiết kế hệ thống điều khiển nhằm khai thác được 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 hao năng lượng hóa thạch, đồng thời giảm phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính Nguồn năng lượng mặt trời phong phú với nguồn bức xạ nắng trung bình là 4kW/h/m2/ngày Bên cạnh

đó việc sử dụng năng lượng mặt trời như là một nguồn năng lượng tại chỗ để thay thế cho các dạng năng lượng truyền thống đáp ứng nhu cầu năng lượng của các vùng dân cư không tập trung là một kế sách có ý nghĩa về mặt kinh tế, an ninh quốc phòng và phát triển văn hoá giáo dục,…

Từ những đánh giá quan trọng trên chúng ta cần phải tiến hành nghiên cứu tiềm năng khai thác nguồn năng lượng mặt trời tại tỉnh Lào Cai cũng như nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển hệ thống này để cung cấp cho một số phụ tải tại tỉnh Lào Cai, thực hiện thí điểm tại Thành phố Lào Cai

Vì vậy tôi chọn đề tài: "Nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện sử dụng năng lƣợng mặt trời và đề xuất giải pháp quản lý, kinh doanh cho năng lƣợng mặt trời cho thành phố Lào Cai " là đề tài thực hiện luận văn tốt nghiệp

2 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

2.1 Đối tượng nghiên cứu:

- Nguồn năng lượng tái tạo của thành phố Lào Cai và tiềm năng về điện mặt trời trên địa bàn thành phố Lào Cai

- Đánh giá khả năng khai thác nguồn năng lượng mặt trời để cung cấp cho một số phụ tải tại Thành phố Lào Cai, Tỉnh Lào Cai

2.2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

* Các mục tiêu cụ thể là:

- Về lý thuyết:

+ Nghiên cứu khảo sát tiềm năng năng lượng mặt trời tại tỉnh Lào Cai

+ Đánh giá khả năng khai thác nguồn năng lượng mặt trời để cung cấp cho một số phụ tải tại Thành phố Lào Cai, Tỉnh Lào Cai;

+ Cấu trúc bộ nguồn năng lượng mặt trời khi vận hành độc lập và nối lưới;

- Về thực tiễn:

Nghiên cứu đề xuất một số giải pháp quản lý, kinh doanh năng lượng mặt

trời cho thành phố Lào Cai

3 Phương pháp nghiên cứu

* Phương pháp nghiên cứu:

Đề tài sử dụng kết hợp 2 phương pháp nghiên cứu khảo sát, lý thuyết và thực tiễn nhằm có những đánh giá để đưa ra tính khả thi trong việc áp dụng khai thác nguồn năng lượng mặt trời cho thành phố Lào Cai

* Các công cụ, thiết bị nghiên cứu

Sử dụng các phần mềm phục vụ cho khảo sát đánh giá kết quả lý thuyết và thực tiễn

4 Kết cấu của luận văn

Dự kiến kết cấu luận văn như sau

Chương 1 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Vai trò của năng lượng tái tạo nói chung và năng lượng mặt trời nói riêng của thành phố Lào Cai

Chương 2 Nghiên cứu cấu trúc hệ điện mặt trời nối lưới có lưu trữ

Nghiên cứu mô hình đặc trưng là nguồn năng lượng mặt trời tập trung hay phân tán dưới dạng lai nối lưới có lưu trữ

Chương 3 Nghiên cứu đề xuất một số giải pháp quản lý, kinh doanh năng lượng mặt trời cho thành phố Lào Cai

Nghiên cứu đề xuất các giải pháp kỹ thuật, kinh tế và kinh doanh điện mặt

trời từ các nguồn độc lập và nối lưới trên địa bàn thành phố Lào Cai

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Giới thiệu về hệ thống điện tỉnh Lào Cai và thành phố Lào Cai

Trong thời đại cách mạng công nghiệp 4.0, nguồn năng lượng điện luôn giữ vai trò xương sống góp phần quan trọng trong nền kinh tế của mỗi quốc gia Việc duy trì nguồn điện ổn định, liên tục luôn là bài toán đặt ra cho ngành điện hiện nay

1.1.1 Giới thiệu về hệ thống điện tỉnh Lào Cai

Hiện nay mạng lưới điện của tỉnh Lào Cai không ngừng được đầu tư xây dựng, cải tạo Lưới điện quốc gia đã đến được các thôn, bản vùng sâu, vùng xa, vùng đặc biệt khó khăn nhất của tỉnh Khi lưới điện ngày một phát triển thì yêu cầu cung cấp điện ổn định, liên tục đang là bài toán được đặt ra cho Công ty Điện lực Lào Cai và các Điện lực, đây cũng là một trong những tiêu chí hàng đầu mà Lãnh đạo Công ty đặt ra và hướng đến tương lai

Với thực trạng tổ chức sản xuất hiện nay Công ty Điện lực Lào Cai hiện đang quản lý: Trạm trung gian: 5 trạm/9 máy, dung lượng 47.500 kVA; Trạm biến

áp phân phối 1.270 trạm/1.272 máy, dung lượng 26.874,85 kVA; 2.222 km đường dây trung áp; 3.279 km đường dây hạ áp; Tụ bù trung áp 40 bộ dung lượng 23.700 kVAR, tụ bù hạ áp 3.084 bộ dung lượng 67.075 kVAR; với tổng số 20 đường dây trung áp 35 kV, trong đó số đường dây đã khép vòng 6 đường dây cấp điện từ 15 xuất tuyến

Nằm trên địa bàn một tỉnh miền núi, bên cạnh hoạt động sản xuất, kinh doanh, một trong những mục tiêu lớn Công ty Điện lực Lào Cai hướng tới là làm sao “phủ” lưới điện đến 100% các hộ nghèo trên địa bàn tỉnh Do đó, những năm qua, những đường dây cũ nát, cột tre, cột gỗ đã dần được thay thế bằng cột bê tông vững chắc, nguồn điện về nông thôn bảo đảm an toàn và chất lượng Công ty Điện lực Lào Cai phấn đấu đưa điện lưới quốc gia sẽ về khắp các bản, làng Đưa điện về vùng sâu, vùng xa là một trong những mục tiêu mà Công ty Điện lực Lào Cai đã và đang quyết liệt triển khai với mục đích tất cả người dân trên địa bàn Lào Cai sẽ được sử dụng điện lưới, kể cả những địa bàn xa xôi nhất

1.1.2 Giới thiệu khái quát về điện lực thành phố Lào Cai

- Nguồn điện

Thành phố Lào Cai hiện đang được cấp điện trực tiếp từ lưới điện Quốc Gia thông qua hai trạm biến áp 220KV và 110 KV:

+ Trạm 220 KV Lào Cai 220/110 KV - 1x125MVA

+ Trạm 110 KV Lào Cai 110/35/22/10 KV - 1x25MVA

- Lưới điện

+ Lưới 220KV: Từ trạm 220KV Lào Cai có hai tuyến 220KV đi Tân Kiều và Yên Bái: Tuyến 220KV Lào Cai - Tân Kiều (Trung Quốc) dây dẫn ACSR 300 Tuyến 220KV Lào Cai - Yên Bái dây dẫn ACSR 400

+ Lưới 110KV: Từ trạm 110KV Lào Cai có các lộ xuất tuyến sau: Tuyến 110KV Lào Cai - Hà Khẩu (Trung Quốc) dây dẫn AC 185, Tuyến 110KV Lào Cai - Tằng Loỏng dây dẫn AC 185, Tuyến 110KV Lào Cai - Phong Thổ dây dẫn AC 185

+ Lưới 35KV: Các tuyến 35KV hiện có trên địa bàn thành phố cấp điện đi nổi dây dẫn AC 70, AC90

+ Lưới 22KV: Các khu vực hành chính, đô thị phát triển mới và một số khu vực trong đô thị cũ lưới điện 22KV hiện có đã được đầu tư hạ ngầm, sử dụng cáp ngầm trung thế XLPE 3x240

+ Lưới 10KV: Trong khu vực đô thị cũ còn một số tuyến 10KV đi nổi dây dẫn AC 50, AC 70, AC90

+ Lưới điện hạ thế 0,4KV trong khu vực đô thị mới và khu vực trung tâm đô thị cũ cơ bản đã được đầu tư xây dựng mới bằng hệ thống cột bê tông ly tâm cáp vặn xoắn ABC bọc cách điện tiết diện từ 50 mm2 đến 95 mm2, điện áp ổn định Còn lại một số các khu vực dân cư ven đô thị lưới điện hạ thế 0,4KV đi nổi trên cột

bê tông chữ H dùng dây nhôm bọc và dây nhôm trần A35, A50, A70 và A95

Nhu cầu sử dụng điện trong thành phố đạt 100%, tiêu chuẩn cấp điện sinh hoạt khu vực nội thị đạt khoảng 600 kwh/người/năm

- Chiếu sáng công cộng

Tiếp tục nâng cao chất lượng chiếu sáng đô thị đảm bảo 100% các công trình giao thông, không gian công cộng và quảng cáo tại đô thị (bao gồm: xây mới, cải

tạo, nâng cấp) sử dụng các sản phẩm chiếu sáng hiệu suất cao, tiết kiệm điện, trong

đó phấn đấu các công trình sử dụng đèn năng lượng mặt trời đạt tiêu chuẩn

1.2 Vai trò, đặc điểm và hiện trạng cấp điện của các tỉnh Tây Bắc

1.2.1 Vai trò và đặc điểm

Các tỉnh thuộc Tây Bắc (trong đó có tỉnh Lào Cai) chiếm một vùng rộng lớn,

có rất nhiều tiềm năng, lợi thế về khí hậu, diện tích đất đai rộng, giàu khoáng sản và nhiều loại tài nguyên quý trữ lượng lớn, tiềm năng rừng , thuỷ điện phong phú, các

di tích lịch sử và nhiều dân tộc có truyền thống văn hóa dân tộc đặc sắc rất thuận lợi cho phát triển du lịch Nằm ở khu vực giáp biên giới 3 nước Việt Nam – Lào – Trung Quốc, các tỉnh Tây Bắc có thế mạnh kinh tế biên với cả Lào và Trung Quốc, đồng thời là tâm điểm giao thương và khu vực hợp tác giữa các nước thuộc Tiểu vùng sông Mê Công mở rộng Chính phủ Việt Nam cũng đã có chính sách đầu tư riêng cho Tây Bắc, nhưng với những bất lợi như địa hình hiểm trở, cơ sở hạ tầng thiếu và yếu kém, dân cư phân tán với nhiều dân tộc thiểu số, trình độ dân trí thấp, kinh tế chậm phát triển, đời sống nhân dân còn nhiều khó khăn, Tây Bắc vẫn là vùng kinh tế khó khăn và tỷ lệ hộ đói nghèo thuộc diện cao nhất cả nước

Các tỉnh thuộc Tây Bắc (trong đó có tỉnh Lào Cai) là địa bàn chiến lược đặc biệt quan trọng về kinh tế – xã hội, an ninh quốc phòng và là nơi có nhiều tiềm năng, lợi thế về tài nguyên khoáng sản, du lịch, kinh tế cửa khẩu, và năng lượng tái tạo như thủy điện nhỏ, năng lượng mặt trời, Do dân cư khu vực Tây Bắc tập trung nhiều ở vùng sâu vùng xa, địa hình hiểm trở, cơ sở hạ tầng còn thiếu nên việc cấp điện cho phụ tải khu vực này còn gặp rất nhiều khó khăn Vì vậy việc nghiên cứu tìm ra giải pháp hợp lý cung cấp điện năng cho khu vực Tây Bắc là một nhu cầu có tính cấp thiết cao

Là địa bàn chiến lược đặc biệt quan trọng về kinh tế – xã hội, an ninh quốc phòng và là nơi có nhiều tiềm năng, lợi thế về tài nguyên khoáng sản, du lịch, kinh

tế cửa khẩu và năng lượng tái tạo như thủy điện nhỏ, năng lượng mặt trời, Do dân

cư khu vực Tây Bắc tập trung nhiều ở vùng sâu vùng xa, địa hình hiểm trở, cơ sở hạ tầng còn thiếu nên việc cấp điện cho phụ tải khu vực này còn gặp rất nhiều khó

khăn Vì vậy việc nghiên cứu tìm ra giải pháp hợp lý cung cấp điện năng cho khu vực Tây Bắc là một nhu cầu có tính cấp thiết cao

1.2.2 Hiện trạng cấp điện cho khu vực Tây Bắc

Theo đặc điểm cung cấp năng lượng, các tỉnh Tây Bắc phân chia thành 2 khu vực là khu vực có điện lưới, tập trung ở các xã thuộc vùng thấp, gần trung tâm các huyện, thành phố thuận tiện giao thông và khu vực vùng sâu, vùng xa, vùng biên giới, có đặc điểm dân cư sống phân tán, nhu cầu năng lượng thấp, chưa có hoặc đầu

tư đấu nối với lưới điện quốc gia gặp khó khăn và không kinh tế

Có một thực tế là tại các vùng nông thôn miền núi thì điện chủ yếu dùng trong sinh hoạt tiêu dùng và thường chiếm tỉ lệ rất cao, khoảng trên 70% Theo tính toán, tiêu thụ điện các huyện vùng sâu, vùng xa Việt Nam bình quân đầu người hiện chỉ khoảng 60kWh/người.năm Theo thống kê của EVN, số hộ gia đình nông thôn miền núi Tây Bắc nước ta (bao gồm các tỉnh Hòa Bình, Sơn La, Điện Biên và Lai Châu và một phần Lào Cai, Phú Thọ) có mức độ điện khí hóa của vùng này mới đạt khoảng hơn 74,0%, là một trong những vùng lãnh thổ có tỷ lệ điện khí hóa thấp nhất cả nước

Tình hình cấp điện phục vụ nhu cầu sinh hoạt và sản xuất tại khu vực Tây Bắc như sau:

- Sử dụng điện lưới quốc gia: đây là giải pháp hiệu quả nhất về mặt kinh tế –

kỹ thuật, tuy nhiên giải pháp này chỉ có thể áp dụng được đối với các địa phương gần lưới điện quốc gia,…

- Sử dụng máy phát diesel: được áp dụng phổ biến do có ưu điểm là chi phí đầu tư thấp và dễ vận hành Tuy nhiên, việc sử dụng các dạng nhiên liệu như xăng, dầu để chạy máy có ảnh hưởng lớn đến môi trường và giá thành xăng dầu hiện nay đang tăng khá cao, vào khoảng 21.300đ/lít Vì vậy thời gian sử dụng máy phát diesel trong ngày là không nhiều, chủ yếu phục vụ khi có nhu cầu và trong giờ cao điểm

- Sử dụng nguồn năng lượng tái tạo (NLTT): Hiện nay việc khai thác sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo (đặc biệt từ các nguồn năng lượng nhiều tiềm năng là thủy điện nhỏ và năng lượng mặt trời (NLMT)) là rất phổ biến tại khu vực

xa lưới điện quốc gia, đã mang lại hiệu quả xã hội rất rõ rệt, tuy nhiên do chi phí đầu tư cao (ngoại trừ thuỷ điện nhỏ), nguồn năng lượng phụ thuộc thiên nhiên, không ổn định là rào cản lớn khi triển khai giải pháp này Cho đến nay phần lớn các

dự án cấp điện từ nguồn năng lượng tái tạo đều ở quy mô nhỏ, phân tán, chưa được

xã hội hoá, chủ yếu do tài trợ của chính phủ, của các tổ chức quốc tế

Như vậy, có thể thấy rằng tình hình cung cấp và sử dụng điện tại khu vực Tây Bắc nói chung còn gặp nhiều khó khăn, các giải pháp cung cấp điện hiện nay đều không đảm bảo được chất lượng và sự ổn định cao Đối với các địa phương xa lưới điện quốc gia thì giải pháp khả thi nhất là sử dụng các nguồn NLTT có tiềm năng như NLMT, thủy điện nhỏ,… để cung cấp điện năng phục vụ nhu cầu của đồng bào, chiến sĩ tại khu vực này

1.2.3 Tiềm năng năng lượng mặt trời tại các tỉnh Tây Bắc

Các trạm khí tường vùng núi phía Bắc như Cao Bằng, Lai Châu đã tiến hành

đo trong nhiều năm các số liệu khí tượng phục vụ cho ngành khí tượng thủy văn như số liệu về bức xạ mặt trời, số giờ nắng, nhiệt độ, độ ẩm, áp suất khí quyển, tốc

độ gió, lượng mưa,… Các số liệu về đo bức xạ MT bao gồm cường độ trực xạ, tán

xạ, tổng xạ, tổng lượng tổng xạ, số giờ nắng trung bình ngày, tháng

Khu vực Tây Bắc được đánh giá có tiềm năng năng lượng mặt trời vào loại khá trong toàn quốc do không bị ảnh hưởng nhiều bởi gió mùa và hoàn toàn có thể ứng dụng hiệu quả các công nghệ sử dụng năng lượng mặt trời tại khu vực Tây Bắc Bức xạ mặt trời trung bình năm từ 4,1 – 4,9 kWh/m2/ngày Số giờ nắng trung bình

cả năm đạt từ 1800 – 2100 giờ nắng, các vùng có số giờ nắng cao nhất thuộc các tỉnh Điện Biên, Sơn La Số liệu bảng 2 cho thấy, thời điểm trong năm khai thác hiệu quả nhất NLMT tại khu vực Tây Bắc là vào tháng 3 đến tháng 9, trong khi vào các tháng mùa đông hiệu quả khai thác NLMT là rất thấp

Số liệu bức xạ của cả nước ta như sau:

Bảng 1.1: Số liệu bức xạ của cả nước

năm

Cường độ BXMT (kWh/m2, ngày) Ứng dụng

1.2 Vai trò của năng lƣợng mặt trời của thành phố Lào Cai

Điện được sản xuất ra từ năng lượng mặt trời đang trở thành xu thế của tương lai và việc lắp điện năng lượng mặt trời cho từng hộ gia đình có điều kiện sẽ

là một trong những giải pháp tốt nhất để giải quyết vấn đề tăng phụ tải như hiện nay Vì sao nhiều quốc gia tiên tiến trên thế giới, nhiều tỉnh thành trên Việt Nam luôn mong muốn có lượng bức xạ mặt trời cao như ở Lào Cai, bởi theo đo lường thì cường độ bức xạ ở đây nằm trong khoảng 1800  2100 giờ/năm và ổn định trong suốt thời gian của năm Trong khi ở những nơi khác chỉ giao động từ 200  400 giờ/năm Bức xạ mặt trời là nguồn tài nguyên vô cùng quan trọng của Việt Nam nói chung và của tỉnh Lào Cai nói riêng, chúng ta đang được sống trong nguồn tài nguyên vô tận đó vậy tại sao lại có thể bỏ phí chúng

Năng lượng nguyên thủy đang ngày một cạn kiệt, thay vào đó là sự lên ngôi của năng lượng tái tạo xanh và sạch như năng lượng mặt trời, gió, mưa, thủy triều, sóng và địa nhiệt, trong đó năng lượng mặt trời đang được áp dụng rộng rãi cũng như là phù hợp nhất với điều kiện thời tiết ở nhiều tỉnh thành của Việt Nam Không thể phủ nhận những lợi ích mà tấm pin mặt trời mang lại cho cuộc sống hiện taị Ngoài việc mang lại những lợi ích to lớn, đẹp đẽ như bảo vệ môi trường, giảm thiểu gánh nặng tiêu thụ điện năng, đảm bảo cung cấp điện cho bất cứ nơi đâu từ biển đảo xa xôi đến các vùng núi hẻo lánh, tuy nhiên có một điều quan trọng hơn tất

cả đó là nó mang lại lợi ích tài chính rất lớn cho chính các hộ tiêu thụ điện Nếu một

hộ gia đình hay hộ kinh doanh có hóa đơn điện hàng tháng từ 2 triệu trở lên, thì với việc đầu tư một vài tấm pin năng lượng mặt trời thì chỉ trong 4  5 năm sẽ thu hồi được vốn, cũng đồng nghĩa với việc sẽ được sử dụng điện miễn phí suốt hơn 30 năm sau đó và tiết kiệm được hơn 1 tỉ đồng tiền điện, chưa kể nếu dùng không hết phần điện năng có thể được bán lại cho nhà nước và kiếm được thêm một khoàn tiền cố định từ việc lắp đặt tấm pin năng lượng mặt trời Vào mùa hè hoặc đông nhu cầu sử dụng điện tăng cao vì để chạy các thiết bị như máy lạnh, quạt nước, lò sưởi

dễ gây nên tình trạng sụt điện vì quá tải hoặc mất điện thường xuyên vào những tháng hanh khô trong năm do mạng lưới điện quốc gia thiếu hụt điện nghiêm trọng điều này ảnh hưởng rất nhiều đến sinh hoạt hàng ngày của gia đình hoặc cản trở

công việc kinh doanh Những lúc như thế này nếu lắp đặt điện năng lượng mặt trời thì có thể yên tâm vì luôn có nguồn điện năng để sử dụng và không bị phụ thuộc vào nguồn điện của quốc gia Ngoài ra, vấn đề thẩm mỹ của tấm pin năng lượng mặt trời không chỉ đẹp mắt mà nó còn giúp ngôi nhà bạn chống nóng một cách rất hiệu quả

1.3 Một số lưu ý về năng lượng mặt trời tại thành phố Lào Cai

Khi muốn sử dụng một hệ thống năng lượng mặt trời thì trước hết, cần giải quyết tốt một số vấn đề sau:

1.3.1 Tư vấn về lắp điện mặt trời:

Cần có các đơn vị chuyên môn và đội ngũ kỹ thuật để tư vấn về cách thức lắp pin năng lượng mặt trời hoàn toàn miễn phí

1.3.2 Chi phí lắp 1 hệ thống điện năng lượng mặt trời hoàn chỉnh:

Mô hình điện mặt trời áp mái cho gia đình sẽ được tính như sau: Với công suất lắp đặt từ 2  5kW, mỗi kW cần diện tích khoảng 6  7m2, mỗi ngày sản xuất được từ 4  6kWh (tùy chất lượng tấm pin, các thành phần khác trong hệ thống và điều kiện nắng) sẽ có suất đầu tư từ 20  25tr/1kWh cho các sản phẩm tốt và từ 25 

30tr cho các sản phẩm cao cấp có tiêu chuẩn và chất lượng vượt trội, thời gian bảo hành cũng lâu hơn Số tiền mua pin mặt trời chiếm khoảng 60  70% giá trị hợp đồng, số phần trăm còn lại bao gồm: Các thiết bị sử dụng trong tủ điện, dây dẫn chuyên dụng cho điện mặt trời Tiếp đến là điều kiện mái thi công, chất lượng thi công, bảo hành bảo dưỡng

1.3.3 Lựa chọn tấm pin năng lượng mặt trời:

Do số tiền mua pin mặt trời chiếm khoảng 60  70% giá trị hợp đồng, vì vậy phải lựa chọn mua pin mặt trời loại nào Có rất nhiều pin năng lượng mặt trời, kể cả một số hãng sản xuất cũng có nhiều cấp độ sản phẩm, phổ thông và rẻ nhất là Poly/ Poly Perc, cao hơn là Mono/ Mono Perc hay cao cấp là Mono N-Type Giá thành các sản phẩm này tùy thuộc vào uy tín nhà sản xuất, thông số kỹ thuật của sản phẩm, chế độ bảo hành, các chứng chỉ chứng nhận của sản phẩm,

1.3.4 Thu hồi vốn khi lắp hệ thống năng lượng mặt trời:

Nói về chi phí lắp đặt và thời gian hoàn vốn, hãy tham khảo một mô hình sau một ví dụ cụ thể như sau: Nếu lắp hệ thống 1kWh thì 1 tháng sẽ tiết kiệm được khoảng 300.000 VNĐ tiền điện, một năm sẽ tiết kiệm được 3.600.000 VNĐ và sau khoảng 7 năm sẽ thu hồi được vốn Nếu lắp đặt pin năng lượng chất lượng thì thời gian bảo hành lên đến 30 năm Như vậy, có nghĩa là sẽ còn 23 năm để sử dụng điện hoàn toàn miễn phí Lắp điện mặt trời không thể chỉ tính lợi trước mắt được, vì vào những ngày nắng nóng hay những giờ cao điểm bị cắt điện lưới thì mới thấy hết lợi ích của điện mặt trời Hãy tin tưởng rằng việc lắp điện năng lượng mặt trời đang là

xu thế của xã hội hiện đại và nó không phải mang đến lợi tích tức thì mà sẽ đem lại lợi ích lâu dài cho chúng ta

Phần chi tiết về NLMT của thành phố Lào Cai sẽ được trình bày chi tiết trong chương 3

1.4 Kết luận chương 1

Lào Cai là một trong những tỉnh liên tục đứng ở vị trí tốp đầu về chỉ số năng lực cạnh tranh cấp tỉnh trong bảng xếp hạng những năm gần đây Đặc biệt, trong bảng xếp hạng về Chỉ số năng lực cạnh tranh cấp tỉnh của Việt Nam năm 2011, tỉnh Lào Cai xếp ở vị trí thứ 1/63 tỉnh thành Đó là tiền đề cho việc phát triển kinh tế - xã hội tại tỉnh Lào Cai Khai thác tốt tiềm năng về năng lượng tái tạo nói chung và năng lượng mặt trời nói riêng sẽ góp phần thúc đẩy thành phố Lào Cai ngày càng phát triển về mọi mặt

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC HỆ ĐIỆN MẶT TRỜI

NỐI LƯỚI CÓ LƯU TRỮ 2.1 Giới thiệu:

Ứng dụng công nghệ chuyển hóa quang năng thành điện năng đã trở thành

xu thế mới để dần thay thế các nguồn điện sử dụng tài nguyên môi trường Hệ thống điện mặt trời mái nhà với công suất nhỏ, tiện dụng, điện mặt trời (ĐMT) lắp trên mái nhà không chỉ giúp tiết kiệm chi phí, mà còn góp phần giảm áp lực về đầu tư nguồn điện, giảm ô nhiễm môi trường Ưu thế của nó thể hiện như sau:

- Điện mặt trời mái nhà là giải pháp năng lượng mặt trời cho hộ gia đình, doanh nghiệp, là nguồn năng lượng tái tạo thực sự, chuyển hóa quang năng thành điện năng, tận dụng ánh sáng mặt trời, thân thiện với môi trường

- Sử dụng nguồn "nguyên liệu" gần như là vô tận - ánh sáng mặt trời, sử dụng trong gia đình, doanh nghiệp giúp giảm sâu hóa đơn tiền điện hàng tháng

- Chi phí bảo trì, bảo dưỡng cực thấp Người dùng chỉ cần giữ hệ thống sạch

sẽ (vệ sinh 2-3 lần/năm) Hệ thống điện mặt trời mái nhà không có các bộ phận chuyển động gây hao mòn, do đó chi phí bảo dưỡng gần như là không có

- Công nghệ phát triển điện mặt trời phát triển rất nhanh và không ngừng tiến

bộ Những đổi mới của công nghệ càng ngày sẽ càng làm cho hiệu quả của các tấm pin mặt trời tăng lên

2.1.2 Các mô hình lắp đặt

Có ba mô hình chính: Mô hình các hệ thống khác nhau của điện mặt trời như

mô hình nối lưới trực tiếp; Mô hình năng lượng mặt trời nối lưới có lưu trữ - dùng

hệ thống lưu trữ nguồn điện; Mô hình kết hợp lưu trữ và nối lưới trực tiếp

2.1.2.1 Mô hình nối lưới trực tiếp (On Grid)

Năng lượng mặt trời được hấp thu trực tiếp qua tấm pin năng lượng mặt trời tạo ra dòng điện một chiều DC Sau đó thông qua bộ chuyển đổi điện hòa lưới (DC/AC inverter on grid) Dòng điện được chuyển đổi thành điện xoay chiều AC, cùng pha, cùng tần số với điện lưới quốc gia Hệ thống sẽ hòa chung với điện lưới quốc gia cùng cung cấp điện cho các thiết bị điện

Hình 2.1: Mô hình nối lưới trực tiếp

2.1.2.2 Mô hình năng lượng mặt trời độc lập (Off Grid)

Nó gần tương tự hệ thống điện nối lưới không dự trữ Tuy nhiên, có thêm hệ thống ắc quy lưu trữ như trên Hình 2.2 Dành cho những thiết bị quan trọng cần nguồn điện ổn định như camera quan sát, modum internet, máy tính, hoặc dành cho toàn bộ tải của hệ thống (chỉ dành cho những yêu cầu đặc biệt)

Hình 2.2: Mô hình năng lượng mặt trời độc lập 2.1.2.3 Mô hình vừa nối lưới vừa có lưu trữ (Hybrid)

Đây là mô hình tích hợp của hai mô hình trên như trên Hình 2.3 Lượng điện mặt trời sau khi thu được nhờ pin năng lượng sẽ được nạp vào acquy Khi acquy đã đầy, lượng điện dư vẫn là điện 1 chiều sẽ được chuyển thành xoay chiều Điện xoay chiều được chuyển đến tải Nếu điện sử dụng từ tải vẫn còn dư thì sẽ chuyển lên lưới điện quốc gia

Hình 2.3: Mô hình vừa nối lưới vừa có lưu trữ (Hybrid)

2.2 Cấu trúc của hệ thống điện mặt trời

Từ các mô hình năng lượng mặt trời nói trên, ta đi xây dựng cấu trúc khối các

hệ năng lượng mặt trời như sau:

2.2.1 Cấu trúc hệ năng lượng mặt trời nối lưới

Cấu trúc của hệ thống điện mặt trời nối lưới được biểu diễn trên Hình 2.4, gồm các khối chức năng chính sau:

- Khối Modul quang điện (PV);

- Khối biến đổi một chiều - một chiều (DC/DC);

- Khối biến đổi một chiều - xoay chiều có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều tại DC bus thành điện áp xoay chiều hình sin 1 pha hoặc 3 pha có tần số 50Hz để nối với lưới điện quốc gia hoặc lưới nội bộ nối lưới có lưu trữ;

- Khối lọc có nhiệm vụ lọc các sóng hài của điện áp và dòng điện do bộ biến đổi gây ra;

Hình 2.4: Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời nối lưới

- Khối đồng bộ hóa lưới (PWM);

- Khối điều khiển chung hệ thống

2.2.2 Cấu trúc hệ năng lượng mặt trời độc lập

Cấu trúc của hệ thống điện mặt trời độc lập được biểu diễn trên Hình 2.5, gồm các khối chức năng chính sau:

- Khối Modul quang điện (PV);

- Khối tích lũy năng lượng một chiều (Ắc quy);

- Khối biến đổi một chiều - một chiều (DC/DC);

- Khối biến đổi một chiều - xoay chiều có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều tại DC bus thành điện áp xoay chiều hình sin 1 pha hoặc 3 pha có tần số 50Hz

để cho lưới nội bộ nối lưới có lưu trữ;

- Khối lọc có nhiệm vụ lọc các sóng hài của điện áp và dòng điện do bộ biến đổi gây ra;

- Khối điều khiển nghịch lưu (PWM);

- Khối điều khiển chung hệ thống

Hình 2.5: Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời độc lập

2.2.3 Cấu trúc hệ năng lượng mặt trời lai

Cấu trúc của hệ thống điện mặt trời lai được biểu diễn trên Hình 2.6, gồm các khối chức năng chính sau:

- Khối Modul quang điện (PV);

- Khối biến đổi một chiều - một chiều (DC/DC);

- Khối tích lũy năng lượng một chiều (Ắc quy);

- Khối biến đổi một chiều - xoay chiều có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều tại DC bus thành điện áp xoay chiều hình sin 1 pha hoặc 3 pha có tần số 50Hz để nối với lưới điện quốc gia hoặc lưới nội bộ nối lưới có lưu trữ;

Hình 2.6: Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời lai

- Khối lọc có nhiệm vụ lọc các sóng hài của điện áp và dòng điện do bộ biến đổi gây ra;

- Khối đồng bộ hóa lưới (PWM);

- Khối điều khiển chung hệ thống

2.3 Hệ năng lượng điện mặt trời nối lưới có lưu trữ

Hệ năng lượng điện mặt trời nối lưới có lưu trữ có mô hình như trên Hình 2.2

và cấu trúc thể hiện như Hình 2.6 Sau đây, ta đi xét cụ thể từng khối của hệ điện mặt trời nối lưới có lưu trữ

2.3.1 Pin mặt trời (PV - Photovoltaic)

- Khái niệm

Pin mặt trời hay pin quang điện có tên tiếng Anh là Solar panel, nó bao gồm nhiều tế bào quang điện ( gọi là solar cells) như trên hình 2.7 Tế bào quang điện này là các phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt nhiều các cảm biến của ánh sáng là

đi ốt quang, nó làm biến đổi năng lượng của ánh sáng thành năng lượng điện

Hình 2.7: Các tấm pin mặt trời

Các chỉ số cường độ dòng điện, hiệu điện thế hay điện trở của tấm pin thay đổi phụ thuộc vào lượng ánh sáng chiếu lên chúng Các tế bào quang điện này được ghép lại thành một khối để trở thành pin mặt trời ( thông thường sẽ từ 60 hoặc 72 tế bào quang điện trên một tấm pin)

Tấm pin năng lượng mặt trời là vật liệu đặc biệt có khả năng chuyển đổi quang năng của ánh sáng mặt trời thành điện năng được lắp trong hệ thống điện mặt trời Nếu như thủy điện thì tạo ra điện từ nước, nhiệt điện thì từ than còn pin năng lượng mặt trời sẽ tạo ta nguồn điện từ ánh sáng của mặt trời Điều này thật đặc biệt

có phải không? Trí thông minh của con người và vô tận khi có thể tạo ra nguồn điện năng qúy giá từ những điều tưởng chừng như quá bình thường trong cuộc sống

Có một điều đáng lưu ý là rất nhiều người lầm tưởng rằng chỉ khi có nắng tấm pin mặt trời mới có thể chuyển hóa ra điện năng, điều này là hoàn toàn sai lầm Tấm pin năng lượng mặt trời vẫ sẽ làm việc tốt ngay cả khi thời tiết lạnh Trong thực tế, tấm pin năng lượng mặt trời tạo ra điện từ ánh sáng, không nhiệt Vì vậy nó

sẽ sản xuất điện tốt hơn trong khu vực lạnh so với các khu vực nóng với cùng một lượng ánh sáng mặt trời Giá tâm pin năng lượng mặt có thể lên tới 2500000 VND / tấm

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 mặt trời

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 trời được chế tạo từ vật liệu tinh thể bán dẫn Silicon (Si) có hoá trị 4 Từ tinh thể Si tinh khiết, để có vật liệu tinh thể bán dẫn Si loại n, người ta pha tạp chất Donor là Photpho (P) có hoá trị 5 Còn để có vật liệu bán dẫn tinh thể loại p thì tạp chất Acceptor được dùng để pha vào Si là Bo có hoá trị 3 Đối với pin mặt trời từ vật liệu tinh thể Si khi được chiếu sáng thì hiệu điện thế hở mạch giữa hai cực vào khoảng 0,55V, còn dòng ngắn mạch của nó dưới bức xạ mặt trời 1000W/m2 vào khoảng (2530) mA/cm3 Hiện nay cũng đã có các pin mặt trời bằng vật liệu Si vô định hình (a-Si) Pin mặt trời a-Si

có ưu điểm là tiết kiệm được vật liệu trong sản xuất do đó có thể có giá thành rẻ hơn

Tuy nhiên, so với pin mặt trời tinh thể thì hiệu 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

- 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 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 2.8 Ta có:

d c

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

Hình 2.8: Mô hình tương đương của module PV

Dòng quang điện Igc phụ thuộc trực tiếp vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ pin, được tính theo công thức (2.2)

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 (0

K); Isc là dòng điện ngắn mạch trong điều kiện chuẩn (nhiệt độ 250C và bức

xạ mặt trời 1kW/m2); G là bức xạ mặt trời kW/m2

Dòng bão hòa I0 thay đổi theo nhiệt độ của tế bào quang điện theo biểu thức sau

g ref c

qV

kF T T c

Công suất của pin được tính theo công thức:

- Dòng ngắn mạch Isc tỉ lệ thuận với cường độ bức xạ mặt trời và ít thay đổi theo nhiệt độ

- Điện áp hở mạch tỉ lệ nghịch với nhiệt độ và ít thay đổi theo bức xạ mặt trời

- Công suất modul PV thay đổi nhiều theo cả bức xạ mặt trời và nhiệt độ tấm

PV Mỗi đường đặc tính P(U) có một điểm ứng với công suất lớn nhất, gọi là điểm công suất cực đại (MPP - Max Power Point)

2.3.2 Bộ biến đổi một chiều - một chiều (DC/DC)

- Chức năng: Bộ biến đổi một chiều một chiều có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều về trị số phù hợp với điện áp một chiều đặt vào bộ nghịch lưu (thường

300 - 600V) và duy trì ổn định điện áp đó để hòa vào thanh cái một chiều (DC- Bus) cùng với điện áp của các nguồn năng lượng tái tạo khác (nếu có) Đồng thời thông qua bộ biến đổi DC/DC này để thực hiện điều khiển bám điểm công suất cực đại cho hệ thống

Hình 2.9: Các họ đặc tính của PV

Các bộ biến đổi DC/DC được chia làm 2 loại: Có cách ly và loại không cách

ly Loại cách ly sử dụng máy biến áp cao tần, chúng cách ly nguồn điện một chiều đầu vào với nguồn một chiều ra và tăng hay giảm áp bằng cách điều chỉnh hệ số biến áp Loại này thường được sử dụng cho các nguồn cấp một chiều sử dụng khoá điện tử và cho hệ thống lai Loại DC/DC không cách ly không sử dụng máy biến áp cách ly Chúng luôn được dùng trong các bộ điều khiển động cơ một chiều Các loại

bộ biến đổi DC/DC thường dùng trong hệ PV gồm:

- Bộ giảm áp (buck);

- Bộ tăng áp (boost)

Bộ giảm áp buck có thể định được điểm làm việc có công suất tối ưu mỗi khi điện áp vào vượt quá điện áp ra của bộ biến đổi, trường hợp này ít thực hiện được khi cường độ bức xạ của ánh sáng xuống thấp

Bộ tăng áp boost có thể định điểm làm việc tối ưu ngay cả với cường độ ánh sáng yếu Hệ thống làm việc với lưới dùng bộ Boost để tăng điện áp ra cấp cho tải trước khi đưa vào bộ biến đổi DC/AC

- Các loại bộ biến đổi DC/DC không cách li

+ Mạch Buck

Sơ đồ nguyên lý mạch buck được chỉ ra trên Hình 2.10 Khóa K trong mạch là

những khóa điện tử BJT, MOSFET, hay IGBT Mạch Buck có chức năng giảm điện

áp đầu vào xuống thành điện áp nạp ắc quy Khóa transitor được đóng mở với tần số cao Hệ số làm việc D của khóa được xác định theo công thức sau:

on

Hình 2.10: Sơ đồ nguyên lý bộ giảm áp Buck

Trong thời gian mở, khóa K thông cho dòng đi qua, điện áp một chiều được nạp vào tụ C2 và cấp năng lượng cho tải qua cuộn kháng L Trong thời gian đóng, khóa K đóng lại không cho dòng qua nữa, năng lượng 1 chiều từ đầu vào bằng 0 Tuy nhiên tải vẫn được cung cấp đầy đủ điện nhờ năng lượng lưu trên cuộn kháng

và tụ điện do Điot khép kín mạch Như vậy cuộn kháng và tụ điện có tác dụng lưu giữ năng lượng trong thời gian ngắn để duy trì mạch khi khóa K đóng

Công thức (2.7) cho thấy điện áp ra có thể điều khiển được bằng cách điều khiển hệ số làm việc Hệ số làm việc được điều khiển bằng cách phương pháp điều chỉnh độ rộng xung thời gian mở ton Do đó, bộ biến đổi này còn được biết đến như

là bộ điều chế xung PWM

Bộ Buck có cấu trúc đơn giản nhất, dễ hiểu và dễ thiết kế nhất, bộ Buck còn thường được dùng để nạp ắc quy nhưng nó có nhược điểm là dòng điện vào không liên tục vì khoá điện tử được bố trí ở vị trí đầu vào, vì vậy cần phải có bộ lọc tốt Mạch Buck thích hợp sử dụng khi điện áp pin cao hơn điện áp ắc quy Dòng công suất được điều khiển bằng cách điều chỉnh chu kỳ đóng mở của khóa điện tử

Bộ Buck có thể làm việc làm việc trong hầu hết điều kiện nhiệt độ, cường độ bức

xạ Nhưng bộ này sẽ không làm việc chính xác khi điện áp nạp ắc quy thấp dưới điều kiện nhiệt độ cao và cường độ bức xạ xuống thấp Vì vậy để nâng cao hiệu quả làm việc, có thể kết hợp bộ Buck với thành phần tăng áp

+ Mạch Boost

Sơ đồ nguyên lý mạch boock như Hình 2.11

Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý mạch tăng áp

Giống như bộ Buck, hoạt động của bộ Boost được thực hiện qua cuộn kháng

L Chuyển mạch K đóng mở theo chu kỳ Khi K mở cho dòng qua (ton) cuộn kháng tích năng lượng, khi K đóng (toff) cuộn kháng giải phóng năng lượng qua điôt tới tải

in out

U U

Có sơ đồ nguyên lý như Hình 2.12

Hình 2.12: Sơ đồ nguyên lý mạch Buck-Boost

Từ công thức (2.9): Do D < 1 nên điện áp ra luôn lớn hơn điện áp vào Vì vậy mạch Boost chỉ có thể tăng áp trong khi mạch Buck đã trình bày ở trên thì chỉ có thể

giảm điện áp vào Kết hợp cả hai mạch này với nhau tạo thành mạch Buck – Boost vừa có thể tăng và giảm điện áp vào

Khi khóa đóng, điện áp vào đặt lên điện cảm, làm dòng điện trong điện cảm tăng dần theo thời gian Khi khóa ngắt, điện cảm có khuynh hướng duy trì dòng điện qua nó sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để Điot phân cực thuận Tùy vào tỷ lệ giữa thời gian đóng khóa và mở khóa mà giá trị điện áp ra có thể nhỏ hơn, bằng hay lớn hơn giá trị điện áp vào Trong mọi trường hợp thì dấu của điện áp ra là ngược với dấu của điện áp vào, do đó dòng điện đi qua điện cảm sẽ giảm dần theo thời gian

Ta có công thức:

in out

U D U

Máy biến áp cung cấp điện áp cách ly giữa bảng mạch PV và lưới, nâng cao

độ an toàn cho toàn hệ thống Điện cảm rò (Lk) được sử dụng như 1 phần tử chuyển đổi nguồn Sự điều khiển chuyển đổi pha thích hợp giữa những chân cầu vào (M1-M4) và những chân kích hoạt chỉnh lưu (M5-M6) cho phép định hướng dòng điện của biến áp, vì vậy có thể đạt được chuyển đổi với điện áp và dòng điện bằng 0 (Zero current Zero Voltage Switching - ZCZVS)

2.3.3 Nghịch lưu nối lưới (Grid Tie Inverter)

Bộ nghịch lưu (Inverter) có chức năng biến đổi dòng điện một chiều (DC) từ thanh cái một chiều thành dòng điện xoay chiều (AC) và kết nối với lưới Khác với

bộ nghịch lưu làm việc nối lưới có lưu trữ, nghịch lưu nối lưới phải đảm bảo chuẩn kết nối lưới về biên độ, tần số và góc pha, đồng thời phải điều chỉnh được dòng công suất bơm vào lưới

Tùy theo yêu cầu của phụ tải mà ta thiết kế bộ nghịch lưu là một pha hay ba pha Trong phạm vi của đề tài ta chỉ nghiên cứu bộ nghịch lưu một pha

2.3.3.1 Nghịch lưu dòng một pha:

Là mạch nghịch lưu có điện cảm L bằng vô cùng ở đầu vào, làm cho tổng trở trong của nguồn có giá trị lớn: tải làm việc với nguồn dòng Hình 2.14 trình bày sơ

đồ nguyên lý và mạch điện tương đương của Nghịch lưu nguồn dòng 1 pha tải RL

Dòng i n phẳng, không đổi ở một giá trị tải, được đóng ngắt thành nguồn AC cung

cấp cho tải

-S2 S1

Vậy tải nhận được dòng xoay chiều (AC) là những xung vuông có biên độ phụ thuộc tải Và với dòng điện AC trên tải là những xung vuông thì chưa đáp ứng được yêu cầu của đề tài này

2.3.3.2 Sơ đồ nghịch lưu một pha có điểm giữa:

- Sơ đồ nghịch lưu một pha có điểm giữa có sơ đồ nguyên lý như trên Hình 2.15 Nối điện áp một chiều vào các nửa dây quấn sơ cấp của các máy biến áp, bằng cách đổi nối luân phiên hai thyristor làm điện áp cảm ứng bên thứ cấp của máy biến

áp có dạng hình chữ nhật cung cấp cho động cơ Tụ điện C có vai trò giúp các thyristor chuyển mạch Vì tụ C mắc song song với tải qua máy biến áp nên phải mắc nối tiếp một cuộn dây L nối tiếp với nguồn để ngăn không cho tụ C phóng ngược trở lại nguồn trong quá trình chuyển mạch của các van bán dẫn

- Khi một thyristor dẫn điện, điện áp nguồn một chiều E đặt vào một nửa cuộn dây sơ cấp Điện áp tổng cộng 2E được nạp cho tụ C Mở thyristor tiếp theo sẽ làm khoá thyristor trước, nhờ quá trình chuyển mạch qua tụ được mắc song song

U2

MCR12DCMT4

TAI

Ld

Hình 2.15: Sơ đồ nghịch lưu một pha có điểm giữa

- Trong trường hợp máy biến áp là lý tưởng, sức từ động của máy biến áp luôn cân bằng Trong thực tế, điện áp một chiều trên hai đầu dây quấn chỉ có thể được duy trì bằng từ thông biến thiên, do đó cần có dòng điện từ hoá ban đầu

- Để cải thiện dạng sóng của điện áp tải cho gần với sóng hình sin nên chọn các phần tử một cách thích hợp sao cho tránh được phần nằm ngang của điện áp, nghĩa là kích mở một thyristor gần thời điểm dẫn của thyristor khác, làm cho điện

áp tải có trị số cực đại

- Với sơ đồ nghịch lưu một pha có điểm giữa cho chất lượng điện áp ra chưa đạt yêu cầu của đề tài, nên ta phân tích thêm một số sơ đồ khác để đi đến lựa chọn

sơ nào có chất lượng điện áp ra tốt hơn

2.3.3.3 Nghịch lưu áp 1 pha dạng cầu:

- Nguyên lý chung: Bộ nghịch lưu nguồn áp 1 pha dạng cầu (còn gọi là bộ nghịch lưu dạng chữ H) chứa 4 công tắc điện tử (IGBT) và 4 diod mắc song song (Hình 2.16) Trong dạng này, trị trung bình áp tải phụ thuộc vào thời gian đóng, ngắt các khóa trong mạch

Nhưng phải luôn lưu ý rằng các cặp khóa S1, S3 và S2, S4 không được đóng đồng thời, nếu không sẽ gây ngắn mạch nguồn gây nguy hiểm cho người và thiết bị +

C

V

Tai Vo

Hình 2.16: Sơ đồ dạng nghịch lưu áp 1 pha dạng cầu