CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu Trong bối cảnh khủng hoảng hiện nay, ứng dụng năng lượng tái tạo đang được quan tâm và phát triển tại nhiều nước trên thế giới. Trong đó, nguồn năng lượng mặt trời được cho là ổn định và dồi dào nhất. Với rất nhiều lợi thế về mặt tự nhiên,Việt Nam sở hữu tiềm năng rất lớn trong việc khai thác nguồn năng lượng này: là một trong những nước nhận bức xạ trung bình nhiều nhất trên bản đồ thế giới, với dường bờ biển dài hơn 3.000km, và hàng nghìn đảo có cư dân sinh sống. Hiện nay, có thêm nhiều dự án điện mặt trời đã và đang được xây dựng trên phạm vi cả nước.
đây là tiền đề quan trọng góp phần giải quyết bài toán năng lượng trong tượng lai, làm đa dạng hóa thành phần lưới điện quốc gia đáp ứng nhu cầu cung cấp điện cho nhiều hộ dân cư, đặc biệt là ở các vùng sâu vùng xa, biên giới hải đảo, những nơi mà việc cấp điện lưới gặp nhiều khó khăn về chi phí. Vài năm trở lại đây, khi các nguồn nhiên liệu hóa thạch như: xăng, dầu, than đá,. đang có dấu hiệu bị cạn kiệt đi, kèm theo đó là giá cả leo thang, ô nhiễm môi trường kèm theo biến đổi khí hậu, người dân đã ý thức được tầm quan trọng và tính kinh tế của những nguồn năng lượng tái tạo. Do đó pin mặt trời dần đưa vào gần với cuộc sống của người dân.
Từ những thiết bị công suất nhỏ như: quạt, đèn, tivi…đến những thiết bị như: động cơ, máy bơm nước… được cung cấp từ những tấm pin mặt trời. Chính vì thế, vấn đề công suất của tấm pin mặt trời quyết định tính hiệu suất và hiệu quả của chúng trong cuộc sống. Tuy nhiên, các nguồn năng lượng tái tạo đều mang chung một nhược điểm là tính linh hoạt không cao và công suất ra hoàn toàn phụ thuộc vào điều kiện môi trường. Chính vì vậy, vấn đề đặt ra là phải làm sao để điều khiển hệ thống sao cho có thể thu được năng lượng cao nhất và hiệu quả nhất.
Bài viết [1] đã phân tích bản chất của các bài toán dò điểm công suất cực đại chính là phối hợp tổng trở giữa tải và nguồn đồng thời phân tích biến đổi tổng trở tương đương của các mạch biến đổi điện áp DC thường dùng hiện nay, tuy nhiên mô hình được đề cập phân tích mạch 1 do an Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS. TS Trương Việt Anh trong điều kiện lý tưởng – không có nội trở trên các linh kiện. Điều này không sát với thực tế, đặc biệt là cuộn dây. Đã có nhiều nghiên cứu và công bố về các giải thuật dò công suất cực đại được đưa ra, một bài viết tổng quan về các giải thuật đã nghiên cứu được trình bày trong [2].
Trong đó tổng hợp lại 2 giải thuật dò điểm công suất cực đại phổ biến nhất hiện nay là P&O và INC cùng một số biến thể cải tiến của chúng. Trong [3 - 4], mô hình 2 giải thuật P&O và INC đã được mô phỏng lại trên phần mềm PSIM. Một giải thuật P&O mới với độ ổn định cao hơn P&O truyền thống được trình bày trong [5]. Các nghiên cứu trên đóng vai trò rất quan trọng trong việc tối ưu hóa hệ thống năng lượng mặt trời hiện nay.
Khi kết nối một hệ thống nguồn pin mặt trời lớn, sẽ có nhiều tấm pin mắc song song và nối tiếp với nhau. Khi đó, nếu một hoặc vài phần tử nhận bức xạ thấp hơn do bóng che, đặc tuyến của hệ thống không chỉ tồn tại một mà là nhiều cực trị với công suất cực đại khác nhau như hình 1. Với các giải thuật leo dốc truyền thống ta chỉ có thể dò ra được một cực trị nên cần có một giải thuật mới hơn để giải quyết tình trạng này. Một bài viết tổng quan giới thiệu một số giải thuật hiện đại được thiết kế để tìm điểm làm việc có công suất lớn nhất đã được nêu ra trong [6].
Các giải thuật này đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống có quy mô lớn. 1: Mạng lưới pin bị bóng che (a) và đặc tuyến P - V của mỗi dãy (b) 2 do an Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS. TS Trương Việt Anh Trong số các giải pháp được đưa ra, phương án sử dụng bus DC thu thập và sử dụng năng lượng mặt trời tỏ ra có hiệu quả nhất. Lý do là trong cấu hình thanh góp DC ta chỉ cần hòa các nguồn DC với nhau, dễ dàng hơn so với việc hòa đồng bộ các nguồn AC khi cần phải quan tâm đếc đồng bộ pha và tần số.
Đây là một vấn đề nan giải trong các hệ thống nhỏ bởi chi phí cho việc hòa đồng bộ quá cao. Tuy nhiên, việc đồng bộ các nguồn DC cũng gặp phải một số khó khăn lớn, đặc biệt là việc công suất tải thay đổi theo thời gian. Ngoài ra, với đặc điểm của năng lượng mặt trời là phụ thuộc vào điều kiện thời tiết, vị trí địa lý, mùa trong năm… càng làm tăng sự mất cân đối giữa công suất nguồn và công suất tải. Việc này đòi hỏi phải có một nguồn dự trữ phụ chạy song song với nguồn pin mặt trời để đảm bảo lưới điện chạy ổn định và liên tục.
Các nghiên cứu liên quan Hiện nay trên thế giới đã công bố rất nhiều nghiên cứu liên quan đến vấn đề sử dụng hiệu quả hệ thống pin mặt trời, có thể chia thành ba hướng chính như sau: 1. Dò điểm công suất cực đại cho pin mặt trời Đây là vấn đề được quan tâm nhiều nhất trong số các hướng nghiên cứu. Với cùng mạng lưới pin PV, công suất thu được sẽ khác nhau trong các điều kiện môi trường hay điện trở tải khác nhau. Do đó, cần phải xây dựng phương pháp để tấm pin mặt trời hoạt động ở điểm có công suất là lớn nhất, giúp nâng cao hiệu suất sử dụng và tránh lãng phí.
Mục đích cuối cùng là dò tiềm được điểm công suất cực đại một cách nhanh nhất có để, đáp ứng những điều kiện thay đổi của môi trường bên ngoài. Vì vậy việc dò tìm điểm công suất cực đại của pin mặt trời là một phần không thể thiếu trong bất cứ một hệ thống pin mặt trời nào.1 trình bày đặc tuyến điển hình của một tấm pin mặt trời. 3 do an Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS. TS Trương Việt Anh Hình 1.
2: Điểm công suất cực đại của pin mặt trời Hiện nay có rất nhiều phương pháp dò tiềm điểm công suất cực đại của pin mặt trời với những sự khác biệt ở nhiều khía cạnh như: độ phức tạp, tốc đồ dò điểm công suất cực đại, số lượng cảm biến, phương pháp dò điểm…. Mục tiêu nghiên cứu chính của đề tài là dò tìm điểm công suất cực đại của pin quang điện với khả năng đáp ứng các điều kiện môi trường thay đổi như: nhiệt độ, cường độ bức xạ… và với kinh phí thấp nhất. Nâng cao hiệu quả nối lưới của pin năng lượng mặt trời Các nghiên cứu này tập trung vào việc nâng cao độ hiệu quả của hệ thống PV nối lưới. Để sử dụng nguồn năng lượng này một cách hiệu quả nhất thì vấn đề nối với lưới điện chung là rất quan trọng.
Khi đó, các tấm pin sẽ luôn vận hành tại vị trí cực đại. 3: Một hệ thống nối lưới tiêu biểu 4 do an Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS. TS Trương Việt Anh 1. Tăng hiệu suất sử dụng bằng nguồn hybrid Nhằm giải quyết hiệu quả vấn đề cung cấp điện, việc phối hợp đa dạng nhiều nguồn điện khác nhau là rất cần thiết vì chúng có thể bù trừ lẫn nhau các khuyết điểm của các nguồn riêng biệt tăng độ tin cậy của hệ thống điện quốc gia.
Nhiều nguồn điện khác nhau được kết nối với hệ thống điện như hình 1. Cấu hình hybrid thường được dùng ở những nơi có nhu cầu phụ tải cao, khi đó có thể linh hoạt thay đổi phân bố công suất trên lưới đảm bảo việc cung cấp điện được liên tục. 4: Cấu hình một hệ thống điện Hybrid 1. Nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu Qua quá trình nghiên cứu tổng quát về các hướng nghiên cứu năng lượng mặt trời hiện nay, bài viết đưa ra các mục tiêu sau: - Nghiên cứu, phân tích cấu tạo, nguyên lý hoạt động của một hệ thống pin mặt trời, tìm hiểu đặc tuyến I – V và P – V của pin và các yếu tố ảnh hưởng đến nó.
- Nghiên cứu các phương pháp dò tìm điểm công suất cực đại đã có và đề xuất xây dựng một giải thuật cải tiến khắc phục nhược điểm của các giải thuật truyền thống. - Áp dụng bộ điều khiển ổn áp vào hệ thống kết nối pin mặt trời tạo ra thanh góp có điện áp ổn định đơn giản hóa việc vận hành lưới điện. 5 do an Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS. TS Trương Việt Anh - Đề xuất một mô hình kết nối mới vừa đảm bảo tận dụng tối đa công suất trên tấm pin vừa có thể kết nối với thanh góp ở điện áp ổn định trong phạm vi cho phép.
- Mô phỏng, thi công và thực nghiệm mô hình cùng giải pháp đề xuất để kiểm chứng độ tin cậy của mô hình. Phương pháp nghiên cứu - Thu thập các tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu. - Nghiên cứu cấu tạo và biểu diễn mô hinh toán học của pin mặt trời. - Tìm hiểu các phương pháp dò điểm công suất cực đại.
- Mô phỏng một bộ tăng áp DC trên phần mềm PSIM. - Xây dựng một giải thuật mới hiệu quả hơn các giải thuật truyền thống. - Phát triển mô hình của bộ biến đổi điện áp mở rộng ra các ứng dụng cải thiện việc vận hành hệ thống. - Thi công mô hình và thực hiện các thí nghiệm khảo sát cả phần cứng và phần mềm.
Điểm mới của luận văn Luận văn đề xuất một phương án sử dụng năng lượng mặt trời một cách hiệu quả nhất cho các vùng sâu, vùng xa, các vùng gặp khó khăn về mặt địa lý. Với khả năng tận dụng triệt để và cao nhất nguồn điện năng thu được từ mặt trời sẽ góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng của các hệ thống năng lượng mặt trời độc lập hiện nay. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Tại Thái Lan, Malaysia, Trung Quốc, Hàn Quốc từ nhiều năm nay đã coi hướng phát triển năng lượng tái tạo như một quốc sách vì thế năng lượng mặt trời ở đây có sự tăng trưởng rất mạnh và chiếm một tỷ lệ đáng kể trong cơ cấu phân bổ điện năng.