Đặt vấn đề Những vấn đề về điện năng ngày càng đƣợc quan tâm nhiều hơn. Đặc biệt là “Năng lƣợng tái tạo”, là năng lƣợng từ những nguồn nguyên liệu vô tận nhƣ năng lƣợng mặt trời, năng lƣợng gió, năng lƣợng thủy triều, năng lƣợng sóng, năng lƣợng địa nhiệt… Các loại năng lƣợng tái tạo này là những loại năng lƣợng tiềm năng và sẽ là những phƣơng án thay thế hữu hiệu cho các loại năng lƣợng hóa thạch ngày càng khan hiếm và gây ô nhiễm môi trƣờng. Trong bối cảnh này, sự kết hợp của quang điện hệ thống trong các ứng dụng bơm nƣớc đƣợc cho là một trong những sử dụng phổ biến nhất của khai thác năng lƣợng mặt trời [23-26]. Cụ thể ở ắc Mỹ, Úc và Châu Âu việc sử dụng PV-bơm phục vụ cho hệ thống nông nghiệp lớn; còn tại các nƣớc đang phát triển đa số phục vụ nhu cầu sinh hoạt nhƣ bơm nƣớc lên tầng cao và phục vụ tƣới tiêu, hệ thống nƣớc uống cho gia súc [27-30].
Hiện nay, lĩnh vực năng lƣợng tái tạo đang đƣợc quan tâm rất nhiều tại các nƣớc phát triển cũng nhƣ các nƣớc đang phát triển. Riêng về năng lƣợng mặt trời đƣợc hầu hết các quốc gia quan tâm sâu sắc, đặc biệt là các nƣớc nằm khu vực gần xích đạo đƣợc hƣởng cƣờng độ bức xạ mặt trời tƣơng đối tốt, nhƣ nƣớc Việt Nam ta. Giới hữu trách Việt Nam đã khuyến khích việc phát triển năng lƣợng mặt trời bằng những chính sách, h trợ xây dựng nhiều dự án năng lƣợng mặt trời trên phạm vi toàn quốc. Đây chính là bƣớc ngoặt lớn cho việc phát triển đa dạng hóa các nguồn năng lƣợng điện năng và giúp cho việc phát triển tiềm năng năng lƣợng tái tạo tại Việt Nam.
Chính nhờ những chính sách này, nhu cầu năng lƣợng mặt trời càng đƣợc đẩy mạnh phát triển. Tại Việt Nam,việc cung cấp điện lƣới quốc gia vô cùng khó khi khi truyền tải điện lƣới đến các hộ dân vùng sâu, vùng xa, biên giới và hải đảo. Tại những khu vực này, công suất tiêu điện năng là rất thấp, hầu nhƣ chỉ phục vụ cho nhu cầu thắp sáng và tƣới tiêu cho các khu vực phân bố khá thƣa, việc truyền tải điện năng đến Trang 1 các hộ gia đình này vô cùng tốn kém và thiếu tính kinh tế. Theo các nhà khoa học, nếu phát triển tốt điện mặt trời sẽ góp phần đẩy nhanh Chƣơng trình điện khí hóa nông thôn (Dự kiến đến năm 2020, cung cấp điện cho toàn bộ 100% hộ dân nông thôn, miền núi, hải đảo…).
Điện mặt trời cung cấp cho từng hộ dân sẽ là phƣơng án hữu hiệu nhất, giúp tiết kiệm rất nhiều chi phí truyền tải không cần thiết cho nhà nƣớc ta. Hiện nay, việc dự trữ các nguồn năng lƣợng tái tạo là không thể, đây cũng chính là nhƣợc điểm của loại năng lƣợng này do phải phụ thuộc hoàn toàn vào điều kiện môi trƣờng bên ngoài. Chính vì lý do trên, bài toán cần giải quyết chính là phải tìm ra phƣơng pháp điều khiển, vận hành sao cho thu đƣợc hiệu suất cao nhất từ nguồn năng lƣợng tái tạo. Đã có nhiều nghiên cứu các phƣơng pháp đáp ứng cho yêu cầu nâng cao hiệu suất này, đặc biệt nổi trội gồm có: phƣơng pháp xác định điểm công suất cực đại pin mặt trời, nâng cao hiệu suất hoạt động pin mặt trời bằng cách nối lƣới, giải pháp nâng cao hiệu quả hoạt động trong chế độ hybrid với các nguồn năng lƣợng khác.
Với tình hình hiện nay của nƣớc ta, vấn đề cần đặt ra là xây dựng đƣợc thuật toán điều khiển tối ƣu công suất từ pin mặt trời nhằm phục vụ các nhu cầu sử dụng điện năng cho nƣớc ta. Luận văn này trình bày một giải pháp giúp sử dụng năng lƣợng mặt trời hữu hiệu nhất nhằm đáp ứng nhu cầu tƣới tiêu bằng bơm nƣớc tiết kiệm các chi phí phát sinh của nguồn dự trữ và đạt hiệu quả cao cho các hộ tiêu thụ vùng sâu, vùng xa. Qua mô hình thực nghiệm mô ph ng hệ thống bơm nƣớc, đã cho thấy hiệu quả của giải pháp đƣợc đề xuất đã chứng minh là có tính khả thi cao, có khả năng áp dụng vào phục vụ sản xuất, sinh hoạt.2 Các nghiên cứu liên quan. Tình hình sử dụng năng lƣợng trên thế giới đạt nhiều tiến bộ trong suốt 15 năm qua, tỷ lệ tăng trƣởng hàng năm năng lƣợng mặt trời là trên 40% [1], nhấn mạnh sự trƣởng thành của các khoản đầu tƣ thực hiện, đảm bảo độ tin cậy của công nghệ đƣợc sử dụng.
Cùng một lúc, chính sách khuyến khích và các biện pháp h trợ đƣợc thực hiện trong một số các nƣớc, đặc biệt là bên trong Liên minh Châu Âu đề ra mục tiêu tăng năng lƣợng mặt trời từ 6% lên đến 12% [2]. Việt Nam là nƣớc có tiềm năng lớn về năng lƣợng mặt trời với công suất 2 bức xạ trung bình của mặt trời khoảng 5kWh/m /ngày ở miền Nam và miền 2 Trung, và khoảng 4kWh/m /ngày ở miền ắc [11]. Việc tận dụng năng lƣợng mặt trời làm nguồn năng lƣợng thay thế hết sức thuận lợi. Trong đó, tận dụng năng lƣợng mặt trời vào ứng dụng bơm nƣớc đang đƣợc phát triển.
Tuy nhiên, chi phí đầu tƣ cả hệ thống bơm nƣớc dùng pin mặt trời vẫn còn cao và sự phụ thuộc vào điều kiện thời tiết là những bất lợi. Lựa chọn kích cỡ tối ƣu trở nên cần thiết cho việc sử dụng hiệu quả và thiết kế kinh tế của hệ thống điện nhằm tối đa hoá tính khả thi của lắp đặt PV. Nên ta cần khảo sát đƣa ra công suất bơm, công suất pin mặt trời cung cấp theo nhu cầu sử dụng cho từng trƣờng hợp cụ thể.1 Các phƣơng pháp xác định điểm công suất cực đại của pin mặt trời. Xác định đƣợc điểm công suất cực đại là bƣớc tiến vô cùng lớn trong việc nghiên cứu về năng lƣợng mặt trời.
Phƣơng pháp nghiên cứu này đã dành đƣợc sự quan tâm rất lớn của các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực năng lƣợng mặt trời. Do bức xạ mặt trời từng thời điểm sẽ khác nhau, cho nên công suất cực đại của pin mặt trời cũng khác nhau. Việc tận dụng tối đa nguồn năng lƣợng phát ra từ pin quang điện sẽ giúp nâng cao hiệu suất tấm pin một cách thực tế nhất. Chính vì lý do trên, Việc tìm ra điểm làm việc công suất cực đại sẽ giúp thu đƣợc công suất điện năng lớn nhất từ cùng một số lƣợng tấm pin mặt trời nhƣ nhau.
Trang 3 Các nghiên cứu trong [1-7] đã đƣa ra nhiều phƣơng pháp tìm điểm MPPT cho các hệ thống pin mặt trời. Các nghiên cứu đều cho kết quả rất tốt và hoạt động ổn định. Ngoài các phƣơng pháp dò tìm truyền thống là P&O và INC, gần đây nhiều thuật toán tối ƣu đƣợc áp dụng để tìm kiếm điểm làm việc này. 1 Minh họa việc xác định điểm MPPT trong hệ thống pin mặt trời Tuy nhiên, do yêu cầu sử dụng các thuật toán mạnh mẽ để tìm đƣợc điểm MPPT nên việc áp dụng các phƣơng pháp đƣợc đề xuất chỉ thực sự mang lại nhiều lợi ích cho các ứng dụng công suất lớn.
Với các yêu cầu công suất nh và giá thành phù hợp thì việc áp dụng các phƣơng pháp tính toán này sẽ đội giá lên cao và không mang lại nhiều hiệu quả về mặt kinh tế.2 Nâng cao hiệu quả nối lƣới của pin năng lƣợng mặt trời. Các nghiên cứu [8-15] tập trung vào các giải pháp nâng cao hiệu quả hoạt động của các bộ PV nối lƣới. Để tận thu đƣợc nguồn năng lƣợng lớn nhất từ mặt trời thì vấn đề nối lƣới luôn là một giải pháp đƣa lên hàng đầu. Khi nối lƣới quốc gia, pin mặt trời sẽ luôn vận hành tại các vị trí MPPT, nguồn năng lƣợng thu đƣợc sẽ đƣa hết lên lƣới điện.
2 Một hệ thống pin mặt trời nối lƣới điển hình Phƣơng pháp điều khiển nối lƣới điện tập trung vào vấn đề điều khiển các chuyển mạch bán dẫn để giảm thiểu nhấp nhô điện áp bus dc và dòng điện rò xuống đất từ pin mặt trời. Nhìn chung, các phƣơng pháp đƣợc đề xuất để giải quyết vấn đề nối lƣới để nâng cao hiệu suất hoạt động của các bô pin mặt trời công suất vừa và lớn. Đối với các dự án pin mặt trời công suất nh , việc nối lƣới khá tốn kém và không hiệu quả về mặt tài chính do chi phí cho các bộ nối lƣới là không hề rẻ.3 Nâng cao hiệu quả năng lƣợng mặt trời trong chế độ hybrid. Để nâng cao hiệu quả hoạt động cho hệ thống cung cấp năng lƣợng, giải pháp phối hợp nhiều nguồn phát điện khác nhau đƣợc ƣu tiên áp dụng vì chúng có khả năng bù trừ các nhƣợc điểm của từng nguồn riêng lẻ và nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống.
Năng lƣợng gió thƣờng đƣợc phối hợp với các nguồn năng lƣợng khác với vai trò của một máy phát phân tán trên lƣới điện. Các nghiên cứu [16-22] đã trình bày nhiều phƣơng án hoạt động trong chế độ hybrid với các nguồn năng lƣợng khác nhƣ năng lƣợng gió, diesel, tế bào năng lƣợng. Các kết quả tiêu biểu này đã chứng minh đƣợc khả năng thích ứng linh hoạt và hoạt động hiệu quả trong nhiều điều kiện vận hành khác nhau. 3 Cấu hình tiêu biểu của một hệ thống PV trong chế độ hybrid Nhƣ đƣợc trình bày trong các nghiên cứu [16-22], chế độ hybrid thƣờng đƣợc dùng trong các khu vực có nhu cầu phụ tải cao do chúng đƣợc cấp từ rất nhiều nguồn khác nhau cùng phối hợp hoạt động và thƣờng đƣợc nối lƣới để nâng cao hiệu quả hoạt động.3 Hƣớng nghiên cứu của luận văn Trong điều kiện kinh tế hiện nay,thì hầu nhƣ nƣớc ta không có nhu cầu phát triển các hệ thống năng lƣợng mặt trời có công suất lớn.
Các hệ thống mặt trời công suất vừa và nh có thể vận hành độc lập sẽ là những hệ thống năng lƣợng điện phù hợp cho việc cung cấp điện cho các vùng mà lƣới điện khó có thể cung cấp đƣợc. Để phục vụ nhu cầu tƣới tiêu cho các hộ dân này, luận văn đề xuất biện pháp nghiên cứu hệ thống mặt trời công suất nh và vận hành độc lập dùng trong bơm nƣớc tƣới tiêu. Các nghiên cứu của luận văn này đề xuất các phƣơng án sử dụng tối đa công suất từ bức xạ mặt trời với chi phí thấp. Nhằm h trợ cho các vùng sâu, chi phí của hệ thống mặt trời đƣợc đặt ra là chỉ tiêu quan trọng đánh giá hiệu quả của luận văn này.