Luận Văn Thạc Sĩ: Cấu Hình Hệ Thống Điện Cho Hệ Thống Bơm Nước Sử Dụng Pin Quang Điện

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích hcmute xây dựng cấu hình hệ thống điện cho hệ thống bơm nước bằng pin quang điện, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp khả

• Tác giả: Phạm Tiến Thuật
• Người hướng dẫn: PGS.TS Trương Việt Anh
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Cấu Hình Hệ Thống Điện Cho Bơm Nước Bằng Pin Quang Điện
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Các nghiên cứu liên quan
• 1.2.1. Các phương pháp xác định điểm công suất cực đại của pin mặt trời
• 1.2.2. Nâng cao hiệu quả nối lưới của pin năng lượng mặt trời
• 1.2.3. Nâng cao hiệu quả năng lượng mặt trời trong chế độ hybrid
• 1.3. Hướng nghiên cứu của luận văn
• 1.4. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.5. Nhiệm vụ nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Tổng quan về pin năng lượng mặt trời
• 2.1.1. Định nghĩa pin mặt trời
• 2.1.2. Lịch sử phát triển pin mặt trời
• 2.1.3. Cấu tạo và hoạt động của pin mặt trời
• 2.2. Tổng quan một hệ thống điện năng lượng mặt trời
• 2.2.1. Bộ pin năng lượng mặt trời
• 2.2.2. Bộ chuyển đổi năng lượng điện
• 2.2.3. Tình hình sử dụng pin năng lượng mặt trời hiện nay
• 2.2.3.1. Nhà máy năng lượng mặt trời trên thế giới
• 2.2.3.2. Tình hình sử dụng pin năng lượng mặt trời ở trong nước
• 2.2.4. Hướng tiếp cận của luận văn về sử dụng pin mặt trời
• 3. CHƯƠNG 3: GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN
• 3.1. Mô hình toán của pin mặt trời
• 3.1.1. Mô hình một diode
• 3.1.2. Mô hình 2 diode
• 3.2. Mô hình động cơ một chiều không chổi than
• 3.3. Mô hình bơm ly tâm
• 3.4. Dò điểm công suất cực đại
• 3.4.1. Sử dụng bộ biến đổi điện áp DC
• 3.4.2. Một số mạch biến đổi điện áp DC cơ bản
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM
• 4.1. Tính toán thiết kế
• 4.2. Mô phỏng thí nghiệm
• 4.3. Giới thiệu mô hình
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN
• 5.1. Các kết quả đạt được qua luận văn
• 5.2. Các tồn tại và thiếu sót trong luận văn
• 5.3. Hướng phát triển của luận văn
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Trong bối cảnh hiện nay, hệ thống điện từ năng lượng tái tạo đang trở thành một trong những giải pháp quan trọng nhằm đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng. Đặc biệt, bơm nước bằng pin quang điện đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi. Luận văn này tập trung vào việc xây dựng cấu hình hệ thống điện cho hệ thống bơm nước sử dụng năng lượng mặt trời. Việc sử dụng năng lượng mặt trời không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Theo các nghiên cứu, hệ thống bơm tự động sử dụng pin quang điện có thể hoạt động hiệu quả trong nhiều điều kiện khác nhau, từ đó nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng.

1.1. Tình hình năng lượng hiện nay

Nhu cầu về năng lượng sạch đang gia tăng trên toàn cầu, đặc biệt là ở các nước đang phát triển như Việt Nam. Năng lượng mặt trời được xem là một trong những nguồn năng lượng tiềm năng nhất. Việc phát triển hệ thống điện năng lượng mặt trời không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn góp phần vào việc bảo vệ môi trường. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng bơm nước bằng điện từ pin quang điện có thể đáp ứng nhu cầu tưới tiêu cho nông nghiệp, đặc biệt ở những vùng sâu, vùng xa nơi mà lưới điện quốc gia chưa thể tiếp cận.

II. Cơ sở lý thuyết

Để xây dựng cấu hình hệ thống điện cho bơm nước, cần hiểu rõ về công nghệ pin mặt trời. Pin quang điện hoạt động dựa trên nguyên lý hiện tượng quang điện, chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng. Cấu tạo của pin mặt trời bao gồm các tế bào quang điện, bộ chuyển đổi năng lượng và các thiết bị hỗ trợ khác. Việc lựa chọn công suất bơm nước phù hợp với công suất pin mặt trời là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả hoạt động của hệ thống. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa cấu hình hệ thống có thể nâng cao hiệu suất hoạt động lên đến 30%.

2.1. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

Nguyên lý hoạt động của pin quang điện dựa trên hiện tượng quang điện, trong đó ánh sáng mặt trời tác động lên các tế bào quang điện, tạo ra dòng điện. Công nghệ pin mặt trời đã phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây, với nhiều loại pin khác nhau như pin đơn tinh thể, pin đa tinh thể và pin màng mỏng. Mỗi loại pin có ưu điểm và nhược điểm riêng, phù hợp với từng ứng dụng cụ thể. Việc lựa chọn loại pin phù hợp sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của hệ thống bơm nước.

III. Thiết kế hệ thống

Thiết kế hệ thống điện cho bơm nước bằng pin quang điện bao gồm nhiều yếu tố quan trọng như lựa chọn công suất bơm, công suất pin và các thiết bị điều khiển. Việc tính toán chính xác các thông số này sẽ giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của hệ thống. Hệ thống năng lượng tái tạo này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng hệ thống bơm tự động có thể nâng cao hiệu quả sử dụng nước trong nông nghiệp, đặc biệt là trong các khu vực khô hạn.

3.1. Tính toán và lựa chọn thiết bị

Việc tính toán công suất bơm nước và công suất pin mặt trời là rất quan trọng trong thiết kế hệ thống điện. Cần xác định rõ nhu cầu sử dụng nước, thời gian hoạt động của bơm và điều kiện ánh sáng mặt trời tại khu vực lắp đặt. Các thiết bị như bộ điều khiển, bộ chuyển đổi năng lượng cũng cần được lựa chọn phù hợp để đảm bảo hiệu suất tối ưu. Nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng hệ thống điện mặt trời có thể giảm thiểu chi phí vận hành và bảo trì so với các hệ thống truyền thống.

IV. Kết quả thực nghiệm

Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng hệ thống bơm nước sử dụng pin quang điện hoạt động hiệu quả trong nhiều điều kiện khác nhau. Các thí nghiệm đã chứng minh rằng việc tối ưu hóa cấu hình hệ thống có thể nâng cao hiệu suất hoạt động lên đến 25%. Hệ thống không chỉ đáp ứng nhu cầu tưới tiêu mà còn giúp tiết kiệm chi phí cho người sử dụng. Các số liệu thu thập được từ thực nghiệm cho thấy rằng hệ thống điện mặt trời có thể hoạt động ổn định trong thời gian dài mà không cần bảo trì thường xuyên.

4.1. Phân tích kết quả

Phân tích kết quả thực nghiệm cho thấy rằng hệ thống bơm nước bằng pin quang điện có khả năng hoạt động ổn định và hiệu quả. Các thông số như lưu lượng nước, áp suất và công suất tiêu thụ đều đạt yêu cầu. Việc sử dụng năng lượng mặt trời không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Kết quả này khẳng định tính khả thi của việc áp dụng công nghệ pin mặt trời trong các ứng dụng thực tiễn, đặc biệt là trong lĩnh vực nông nghiệp.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu và ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng, nhu cầu sử dụng năng lượng sạch, đặc biệt là năng lượng mặt trời, trở thành một xu hướng tất yếu trên toàn cầu. Theo ước tính, tỷ lệ tăng trưởng hàng năm của năng lượng mặt trời trên thế giới đạt trên 40% trong 15 năm qua, minh chứng cho sự phát triển nhanh chóng và tiềm năng to lớn của nguồn năng lượng này. Tại Việt Nam, với cường độ bức xạ mặt trời trung bình khoảng 4-5 kWh/m²/ngày tùy vùng miền, năng lượng mặt trời được xem là nguồn năng lượng tái tạo đầy triển vọng, đặc biệt phù hợp với các khu vực vùng sâu, vùng xa, biên giới và hải đảo nơi việc truyền tải điện lưới gặp nhiều khó khăn.

Luận văn thạc sĩ này tập trung nghiên cứu xây dựng cấu hình hệ thống điện cho hệ thống bơm nước sử dụng pin quang điện, nhằm khai thác tối đa hiệu suất từ nguồn năng lượng mặt trời mà không sử dụng bình ắc quy lưu trữ, qua đó giảm thiểu chi phí và ô nhiễm môi trường do việc sản xuất và tái chế ắc quy. Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là đề xuất giải thuật điều khiển công suất cực đại (MPPT) cho pin mặt trời trong các điều kiện bức xạ khác nhau, xây dựng mô hình bộ điều khiển công suất và kiểm chứng hiệu quả bằng thực nghiệm. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các hệ thống bơm nước công suất nhỏ và vừa, vận hành độc lập, phù hợp với điều kiện kinh tế và địa lý của Việt Nam.

Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc cung cấp giải pháp năng lượng sạch, tiết kiệm chi phí cho các hộ dân vùng khó khăn, đồng thời góp phần thúc đẩy chương trình điện khí hóa nông thôn, dự kiến cung cấp điện cho 100% hộ dân nông thôn, miền núi và hải đảo vào năm 2020. Các chỉ số hiệu suất và chi phí vận hành được cải thiện rõ rệt, giúp nâng cao tính khả thi và ứng dụng thực tiễn của hệ thống.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Hiệu ứng quang điện và cấu tạo pin mặt trời: Pin quang điện chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành điện năng dựa trên hiệu ứng quang điện, với cấu tạo gồm các tế bào bán dẫn loại p và n tạo ra điện trường nội bộ giúp dòng electron di chuyển theo một hướng nhất định.

• Mô hình toán học của pin mặt trời: Sử dụng mô hình một diode và mô hình hai diode để mô phỏng đặc tính dòng điện - điện áp (I-V) của pin mặt trời, trong đó mô hình hai diode cho kết quả chính xác hơn ở điều kiện bức xạ thấp.

• Phương pháp điều khiển điểm công suất cực đại (MPPT): Các thuật toán như Perturb and Observe (P&O), Incremental Conductance (INC) và các thuật toán tối ưu được áp dụng để xác định điểm công suất cực đại của pin mặt trời nhằm tối ưu hóa hiệu suất thu năng lượng.

• Mô hình động cơ bơm nước DC không chổi than (Brushless DC - BLDC): Động cơ BLDC được lựa chọn do có độ tin cậy cao, chi phí bảo trì thấp và hiệu suất vận hành tốt, phù hợp cho hệ thống bơm nước sử dụng năng lượng mặt trời.

• Bộ biến đổi DC/DC: Các mạch biến đổi điện áp như Buck, Boost và Buck-Boost được sử dụng để điều chỉnh điện áp đầu ra phù hợp với yêu cầu vận hành của động cơ bơm.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Thu thập tài liệu từ thư viện trường, các luận văn, báo cáo nghiên cứu trong và ngoài nước, cùng các thông số kỹ thuật của thiết bị pin mặt trời, động cơ và bộ biến đổi điện áp.

• Phương pháp phân tích: Xây dựng mô hình toán học và mô phỏng hệ thống bằng phần mềm PSIM để đánh giá hiệu suất và đặc tính vận hành của hệ thống. Phân tích các đặc tính I-V, công suất thực tế so với công suất lý thuyết trong các điều kiện bức xạ khác nhau.

• Thiết kế mô hình thực nghiệm: Lắp đặt mô hình hệ thống bơm nước sử dụng pin quang điện với bộ điều khiển MPPT, động cơ BLDC và bộ biến đổi DC/DC. Thực hiện đo đạc, ghi nhận các thông số điện áp, dòng điện, công suất và hiệu suất vận hành.

• Cỡ mẫu và timeline: Mô hình thực nghiệm được xây dựng với quy mô nhỏ, sử dụng một bộ pin mặt trời công suất khoảng 100-200 W, động cơ bơm công suất phù hợp. Thời gian nghiên cứu và thử nghiệm kéo dài khoảng 12 tháng, từ khảo sát, thiết kế đến đánh giá kết quả.

• Lý do lựa chọn phương pháp: Phương pháp mô hình hóa kết hợp thực nghiệm giúp kiểm chứng tính khả thi và hiệu quả của giải thuật điều khiển MPPT trong điều kiện thực tế, đồng thời giảm thiểu chi phí và phức tạp của hệ thống bằng cách loại bỏ bình ắc quy lưu trữ.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả giải thuật MPPT trong điều kiện bức xạ thay đổi: Giải thuật điều khiển MPPT được đề xuất giúp hệ thống pin mặt trời vận hành gần điểm công suất cực đại với sai số dưới 5%, tăng công suất thu được lên khoảng 15-20% so với hệ thống không sử dụng MPPT.

2. Vận hành hệ thống bơm nước không sử dụng bình ắc quy: Mô hình thực nghiệm cho thấy hệ thống có thể vận hành ổn định trong điều kiện bức xạ trung bình đến cao, với công suất bơm đạt khoảng 80-90% công suất thiết kế. Khi bức xạ giảm dưới mức 300 W/m², công suất bơm giảm đáng kể, yêu cầu điều chỉnh vận hành hoặc bổ sung nguồn năng lượng phụ trợ.

3. Đơn giản hóa cấu hình hệ thống và giảm chi phí: Việc loại bỏ bình ắc quy lưu trữ giúp giảm chi phí đầu tư ban đầu khoảng 25-30% và giảm chi phí bảo trì vận hành. Hệ thống sử dụng bộ biến đổi DC/DC và động cơ BLDC giúp tăng hiệu suất tổng thể lên đến 85-90%.

4. So sánh với các nghiên cứu khác: Kết quả nghiên cứu phù hợp với các báo cáo trong ngành về hiệu quả của hệ thống bơm nước sử dụng năng lượng mặt trời độc lập, đồng thời cải thiện hơn về mặt chi phí và tính đơn giản của hệ thống.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp hệ thống đạt hiệu quả cao là do giải thuật MPPT tối ưu hóa điểm làm việc của pin mặt trời trong mọi điều kiện bức xạ, tận dụng tối đa năng lượng thu được. Việc sử dụng động cơ BLDC giảm thiểu tổn hao cơ khí và điện tử, đồng thời giảm chi phí bảo trì so với động cơ chổi than truyền thống. Loại bỏ bình ắc quy không chỉ giảm chi phí mà còn hạn chế ô nhiễm môi trường do ắc quy gây ra.

Dữ liệu thu thập được có thể được trình bày qua các biểu đồ đặc tính I-V, P-V của pin mặt trời trong các điều kiện bức xạ khác nhau, biểu đồ công suất thực tế của hệ thống bơm so với công suất lý thuyết, và bảng so sánh chi phí đầu tư, vận hành giữa các cấu hình hệ thống có và không có bình ắc quy.

Kết quả này khẳng định tính khả thi của việc ứng dụng hệ thống bơm nước bằng pin quang điện độc lập tại các vùng khó khăn về địa lý, góp phần thúc đẩy phát triển năng lượng tái tạo và nâng cao đời sống người dân.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai rộng rãi hệ thống bơm nước sử dụng pin quang điện độc lập tại các vùng sâu, vùng xa, biên giới và hải đảo nhằm giảm chi phí truyền tải điện và nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng sạch. Thời gian thực hiện: 2-3 năm. Chủ thể thực hiện: các cơ quan quản lý năng lượng, địa phương và doanh nghiệp.

2. Phát triển và hoàn thiện giải thuật MPPT phù hợp với điều kiện khí hậu Việt Nam, tăng cường nghiên cứu các thuật toán tối ưu mới để nâng cao hiệu suất thu năng lượng. Thời gian: 1-2 năm. Chủ thể: các viện nghiên cứu, trường đại học.

3. Khuyến khích sản xuất và sử dụng động cơ BLDC trong các hệ thống bơm nước năng lượng mặt trời để giảm chi phí bảo trì và tăng tuổi thọ thiết bị. Thời gian: 1-3 năm. Chủ thể: doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện, nhà phân phối.

4. Hỗ trợ tài chính và chính sách ưu đãi cho các hộ dân và doanh nghiệp đầu tư hệ thống năng lượng mặt trời độc lập, đặc biệt là các dự án nhỏ và vừa phục vụ nông nghiệp và sinh hoạt. Thời gian: liên tục. Chủ thể: Nhà nước, ngân hàng, tổ chức tài chính.

5. Tăng cường đào tạo, nâng cao nhận thức và kỹ năng vận hành, bảo trì hệ thống năng lượng mặt trời cho người dân và cán bộ kỹ thuật địa phương nhằm đảm bảo hiệu quả và bền vững của hệ thống. Thời gian: liên tục. Chủ thể: các trường đại học, trung tâm đào tạo nghề, chính quyền địa phương.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện, năng lượng tái tạo: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về mô hình toán học pin mặt trời, giải thuật MPPT và thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời độc lập, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển các dự án tương tự.

2. Doanh nghiệp sản xuất và cung cấp thiết bị năng lượng mặt trời: Thông tin về cấu hình hệ thống, lựa chọn thiết bị và giải pháp điều khiển giúp tối ưu hóa sản phẩm, nâng cao hiệu quả và giảm chi phí sản xuất.

3. Cơ quan quản lý nhà nước và các tổ chức phát triển năng lượng sạch: Cơ sở khoa học để xây dựng chính sách, chương trình hỗ trợ phát triển năng lượng tái tạo, đặc biệt trong lĩnh vực ứng dụng bơm nước phục vụ nông nghiệp và sinh hoạt vùng khó khăn.

4. Người dân và các hộ gia đình tại vùng sâu, vùng xa, biên giới, hải đảo: Hướng dẫn lựa chọn và vận hành hệ thống bơm nước năng lượng mặt trời phù hợp với điều kiện thực tế, giúp cải thiện đời sống và tiết kiệm chi phí điện năng.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống bơm nước bằng pin quang điện có thể hoạt động khi trời nhiều mây không?
   Hệ thống vẫn hoạt động nhưng công suất giảm do bức xạ mặt trời thấp. Giải thuật MPPT giúp tối ưu công suất thu được trong điều kiện này, tuy nhiên công suất bơm sẽ giảm khoảng 30-50% khi bức xạ dưới 300 W/m².

2. Tại sao không sử dụng bình ắc quy để lưu trữ năng lượng?
   Loại bỏ bình ắc quy giúp giảm chi phí đầu tư và bảo trì, đồng thời hạn chế ô nhiễm môi trường do ắc quy gây ra. Tuy nhiên, hệ thống không có lưu trữ nên chỉ hoạt động khi có đủ bức xạ mặt trời.

3. Giải thuật MPPT hoạt động như thế nào?
   MPPT liên tục điều chỉnh điểm làm việc của pin mặt trời để đạt công suất cực đại, bằng cách dò tìm và theo dõi đặc tính điện áp - dòng điện của pin trong từng thời điểm, giúp tăng hiệu suất thu năng lượng lên 15-20%.

4. Động cơ BLDC có ưu điểm gì so với động cơ chổi than?
   Động cơ BLDC có độ bền cao, ít hỏng hóc, không cần bảo trì chổi than, tiết kiệm điện năng và vận hành êm ái, phù hợp cho các hệ thống bơm nước năng lượng mặt trời.

5. Chi phí đầu tư cho hệ thống bơm nước năng lượng mặt trời là bao nhiêu?
   Chi phí phụ thuộc vào công suất và cấu hình hệ thống, nhưng loại bỏ bình ắc quy có thể giảm chi phí đầu tư ban đầu khoảng 25-30%. Ví dụ, một hệ thống công suất nhỏ khoảng 100-200 W có thể đầu tư trong khoảng vài chục triệu đồng.

Kết luận

• Luận văn đã đề xuất và phát triển thành công giải thuật MPPT giúp tối ưu hóa công suất thu từ pin mặt trời trong các điều kiện bức xạ khác nhau.
• Mô hình hệ thống bơm nước sử dụng pin quang điện độc lập không bình ắc quy được xây dựng và kiểm chứng thực nghiệm, cho thấy hiệu quả vận hành cao và ổn định.
• Giải pháp giảm chi phí đầu tư và bảo trì thông qua việc loại bỏ bình ắc quy và sử dụng động cơ BLDC phù hợp với điều kiện kinh tế và địa lý của Việt Nam.
• Kết quả nghiên cứu góp phần thúc đẩy ứng dụng năng lượng tái tạo trong nông nghiệp và sinh hoạt tại các vùng khó khăn, hỗ trợ chương trình điện khí hóa nông thôn.
• Đề xuất các hướng phát triển tiếp theo bao gồm hoàn thiện giải thuật MPPT, mở rộng quy mô hệ thống và chính sách hỗ trợ đầu tư.

Các cơ quan quản lý, doanh nghiệp và nhà nghiên cứu nên phối hợp triển khai ứng dụng thực tế, đồng thời tiếp tục nghiên cứu nâng cao hiệu suất và giảm chi phí hệ thống để mở rộng phạm vi ứng dụng năng lượng mặt trời trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 Luan van 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. Trang 2 Luan van 1.2 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 Luan van 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. Trang 4 Luan van Hình 1. 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. Trang 5 Luan van Hình 1. 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.