CHƯƠNG 1 Năng lượng điện gió, điện mặt trời là một dạng năng lượng tái tạo vô tận với trữ lượng lớn. Đó là một trong các nguồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất mà thiên nhiên ban tặng cho hành tinh chúng ta. Đồng thời nó cũng là nguồn gốc của các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng sinh khối, năng lượng các dòng sông… Năng lượng mặt trời có thể nói là vô tận. Tuy nhiên, để khai thác, sử dụng nguồn năng lượng này vẫn còn rất khiêm tốn và chưa khai thác hợp lý.
Trong khi đó, tiềm năng để phát triển năng lượng mới và năng lượng tái tạo là rất lớn, việc phát triển năng lượng tái tạo sẽ góp phần giảm tiêu hao năng lượng hóa thạch, đồng thời giảm phát thải khí nhà kính. Do đó, các nguồn điện được sản xuất ra từ các nguồn năng lượng tái tạo đang được xem là sự bổ sung lý tưởng cho sự thiếu hụt điện năng và không chỉ giúp đa dạng hóa các nguồn năng lượng mà còn góp phần phân tán rủi ro, tăng cường, đảm bảo an ninh năng lượng Quốc gia. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƯƠNG 2. HỆ THỐNG TÍCH HỢP ĐIỆN GIÓ VÀ ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI 2.
MÔ TẢ HỆ THỐNG TÍCH HỢP ĐIỆN GIÓ VÀ ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI 2. Sơ đồ khối hệ thống Hệ thống tích hợp điện gió và điện mặt trời (còn gọi là hệ thống lai điện gió và điện mặt trời) là một hệ thống cho phép tích hợp năng lượng điện gió và điện mặt trời trong một bộ biến đổi điện tử công suất để biến 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 lưới điện khu vực. Hệ thống này rất linh hoạt trong lắp đặt và sử dụng và là một bộ phận không thể thiếu được của lưới điện thông minh.1 minh họa một hệ thống tích hợp điện gió và mặt trời nối lưới một pha. Từ đây ta có sơ đồ các khối chức năng của hệ thống như hình 2.
Bao gồm: Hình 2.2: Hệ thống tích hợp điện gió và mặt trời nối lưới [27] LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đối với điện mặt trời có các khối: - Khối Modul quang điện (PV) làm nhiệm vụ biến đổi năng lượng mặt trời thành điện năng một chiều với công suất điện phụ thuộc vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ làm việc của pin. - Khối dò điểm công suất tối đa với giải thuật tìm điểm công suất cực đại của modul PV ứng với giá trị xác định của bức xạ mặt trời và nhiệt độ. - Khối biến đổi một chiều - một chiều (DC/DC) có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều tương ứng với điểm công suất cực đại thành điện áp một chiều có giá trị phù hợp và ổn định để hòa với điện gió thông qua thanh cái một chiều (DC bus). Đối với điện gió có các khối: - Tuabin gió biến đổi năng lượng gió thành cơ năng làm quay máy phát điện.
- Máy phát điện cảm ứng thường là máy phát điện cảm ứng 3 pha roto lồng sóc, máy phát ra điện áp xoay chiều tần số 50Hz. Đối với hệ thống công suất nhỏ, đôi khi người ta sử dụng máy phát điện một chiều. - Bộ biến đổi xoay chiều - một chiều (AC/DC) có nhiệm vụ chỉnh lưu và biến đổi điện áp ở đầu ra máy phát điện thành điện áp một chiều ổn định và có trị số phù hợp để hòa với điện mặt trời qua DC bus. Như vậy, trong "Hệ thống tích hợp" này, năng lượng từ các nguồn khác nhau được biến đổi thành năng lượng điện và hòa vào nhau dưới dạng năng lượng điện một chiều, năng lượng này sau đó được sử dụng trực tiếp cho tải một chiều hoặc đưa qua bộ biến đổi DC/AC chuyển thành năng lượng xoay chiều dùng trực tiếp cho tải xoay chiều hoặc kết nối với lưới điện.
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Bức xạ mặt trời Điện mặt trời Sửa áp một chiều Tìm điểm công MPP Tải một chiều suất tối đa DC/DC MPPT Nhiệt độ Modul PV DC bus Tải xoaychiều ĐIỀU KHIỂN DC/AC Lưới Điện áp ra Tốc độ gió Mô men quay xoay chiều Sửa áp một chiều Máy phát điện cảm ứng AC/DC Điều khiện không khí Tuabin gió Hình 2. 3: Sơ đồ khối hệ thống tích hợp năng lượng gió và mặt trời 2. Vấn đề điều khiển trong hệ thống tích hợp điện gió và mặt trời nối lưới Để đảm bảo cho hệ thống tích hợp năng lượng gió và mặt trời nối lưới làm việc an toàn, ổn định, có hiệu suất cao thì cần phải có các điều khiển sau: - Điều khiển dò tìm điểm công suất tối đa, điều khiển bộ biến đổi DC/DC đối với hệ thống điện mặt trời - Điều khiển tuabin gió, điều khiển bộ biến đổi AC/DC đối với điện gió - Điều khiển bộ nghịch lưu nối lưới DC/AC chung cho cả điện gió và mặt trời để hòa lưới, bơm công suất tác dụng và công suất phản kháng (nếu cần) vào lưới. Ngoài ra còn có các điều khiển khác như bù sóng hài, chống cô lập hóa (Anti islanding).
PIN MẶT TRỜI (PV - Photovoltaic) 2. 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 có khả năng tạo ra dòng điện sử dụng được. Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện. Pin năng lượng mặt trời bao gồm nhiều tế bào quang điện được kết nối thành 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. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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 (2530) 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 [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 3. Ta có: kFT qUd U Ipv Igc I0 e c 1 d (2.1) R p 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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.
Igc Ipv G ID Rs Rp Upv UD Hình 2.4: Mạch tương đương của modul 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) I gc sc Tc Tref Isc G (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 (0K); 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 2.[8] 3 qVg 1 1 Tc kF Tref Tc I0 I0 e (2.3) ref T I sc I0 qVg (2.4) e kF 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; V 0c là điện áp hở mạch của tế bào. Từ các biểu thức (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 điện áp và dòng LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com điện PV. Các thông số của mô hình thường được lấy từ bảng dữ liệu do nhà sản xuất cung cấp.
P, I I(U) MPP ISC P(U) U UMPP UOC Hình 2. Công suất của pin được tính theo công thức: P = U.5) Tiến hành mô phỏng ta thu được họ đặc tính I(U) và đặc tính P(U) của pin mặt trời như hình 2.5a,b,c,d LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.