Đặt vấn đề Điện năng lượng mặt trời là một lĩnh vực tương đối mới mẻ và chỉ mới được quan tâm phát triển trong những năm gần đây. Tuy nhiên, với tiềm năng to lớn và là một phương án thay thế hữu hiệu cho các nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng khan hiếm và tác động xấu đến môi trường sống của trái đất, năng lượng mặt trời đã phát triển rất nhanh chóng tại rất nhiều quốc gia trên thế giới. Trong tình hình phát triển của nước ta hiện nay, với sự khuyến kích phát triển bằng các chính sách, đã có nhiều dự án năng lượng mặt trời được xây dựng và hoạt động trên phạm vi cả nước. Đây là tiền đề quan trong cho vấn đề đa dạng hóa nguồn cung năng lượng cho ngành điện và nâng dần tỉ lệ thâm nhập của năng lượng tái tạo trong cung cấp điện.
Hiện nay, với yêu cầu về phát triển kinh tế bền vững thì nhu cầu sử dụng năng lượng mặt trời càng được đẩy mạnh phát triển. Ngoài ra, tại những vùng địa lý khó khăn ở nước ta hiện nay như vùng sâu, vùng xa, biên giới, hải đảo, việc phát triển hệ thống cung cấp điện lưới quốc gia đến các hộ dân gặp rất nhiều khó khăn về mặt tài chính cũng như hiệu quả hoạt động. Với đặc thù là các vùng có công suất tiêu thụ thấp khi phục vụ nhu cầu thắp sáng, bơm nước sinh hoạt cho các hộ dân phân bố thưa trong một khu vực rộng, việc kéo điện lưới đến từng hộ gia đình là rất tốn kém và hoàn toàn không có tính hiệu quả kinh tế. Để giải quyết nhu cầu điện cho người dân, phương pháp hợp lý nhất là sử dụng nguồn năng lượng mặt trời cấp tại chỗ cho từng hộ dân.
Tuy nhiên, với nhược điểm cố hữu của các nguồn năng lượng tái tạo là không thể dự trữ được nguyên liệu đầu vào và phụ thuộc hoàn toàn vào điều kiện môi trường bên ngoài nên phải có các phương pháp điều khiển và phương pháp vận hành hiệu quả nhất nhằm thu được hiệu suất cao nhất từ nguồn năng lượng này. Đã có nhiều công bố về vấn đề xác định điểm công suất cực đại của pin mặt trời như trong [1-7], vấn đề nâng cao hiệu quả hoạt động của pin mặt trời bằng cách nối lưới trong [8-15], vấn đề nâng cao hiệu quả hoạt động trong chế độ hybrid với các nguồn năng lượng khác như trong [16-22]. Các nguyên cứu trên có ý nghĩa hết sức quang trọng trong việc nâng cao hiệu quả hoạt động của pin năng lượng mặt trời. Tuy nhiên, trong tình hình nước ta hiện nay, 1 Luan van yêu cầu cấp thiết đặt ra là phải xây dựng được phương pháp điều khiển tối ưu pin năng lượng mặt trời để áp dụng trực tiếp vào phục vụ người dân.
Luận văn đề xuất một giải pháp nhằm tận thu hiệu quả nhất nguồn năng lượng mặt trời để bơm nước tưới tiêu cho các vùng xa lưới điện với chi phí thấp nhất mà vẫn đạt yêu cầu về công suất đề ra. Qua mô hình vật lý một hệ thống bơm nước tưới tiêu hiệu quả đã được xây dựng hoàn chỉnh, hiệu quả của phương pháp được 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 có liên quan Đã có nhiều công bố để nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng mặt trời, các công bố này được phân loại thành các vấn đề chính như sau: 1.1 Các phương pháp xác định điểm công suất cực đại của pin mặt trời. Vấn đề xác định điểm công suất cực đại nhận được sự quan tâm rất lớn của các nhà nghiên cứu về năng lượng mặt trời. Với cùng một bức xạ mặt trời như nhau, công suất thu được từ các tấm mặt trời sẽ khác nhau nếu chúng hoạt động tại các mức điện áp đầu ra khác nhau.
Do đó, vấn đề xác định được vị trí điện áp sẽ thu được công suất cực đại có ý nghĩa quan trọng vì nó giúp ta thu nhận được điện năng lớn nhất từ cùng một số lượng các tấm pin năng lượng mặt trời như nhau. Các nghiên cứu trong [1-7] đã đưa ra nhiều phương 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 phương pháp dò tìm truyền thống là P&O và INC, gần đây nhiều thuật toán tối ưu được áp dụng để tìm kiếm điểm làm việc này.
1 Minh họa việc xác định điểm MPPT trong hệ thống pin mặt trời 2 Luan van Tuy nhiên, do yêu cầu sử dụng các thuật toán mạnh mẽ để tìm được điểm MPPT nên việc áp dụng các phương pháp được đề xuất chỉ thực sự mang lại nhiều lợi ích cho các ứng dụng công suất lớn. Với các yêu cầu công suất nhỏ và giá thành phù hợp thì việc áp dụng các phương 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 lưới của pin năng lượng mặt trời. Các nghiên cứu [8-15] tập trung vào các giải pháp nâng cao hiệu quả hoạt động của các bộ PV nối lưới. Để tận thu được nguồn năng lượng lớn nhất từ mặt trời thì vấn đề nối lưới luôn là một giải pháp đưa lên hàng đầu.
Khi nối lưới quốc gia, pin mặt trời sẽ luôn vận hành tại các vị trí MPPT, nguồn năng lượng thu được sẽ đưa hết lên lưới điện. 2 Một hệ thống pin mặt trời nối lưới điển hình Phương pháp điều khiển nối lưới 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 phương pháp được đề xuất để giải quyết vấn đề nối lưới 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 nhỏ, việc nối lưới khá tốn kém và không hiệu quả về mặt tài chính do chi phí cho các bộ nối lưới là không hề rẻ.3 Nâng cao hiệu quả năng lượng mặt trời trong chế độ hybrid.
Để nâng cao hiệu quả hoạt động cho hệ thống cung cấp năng lượng, giải pháp phối hợp nhiều nguồn phát điện khác nhau được ưu tiên áp dụng vì chúng có khả năng bù trừ các nhược điểm của từng nguồn riêng lẻ và nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ 3 Luan van thống. Năng lượng gió thường được phối hợp với các nguồn năng lượng khác với vai trò của một máy phát phân tán trên lưới điện. Các nghiên cứu [16-22] đã trình bày nhiều phương án hoạt động trong chế độ hybrid với các nguồn năng lượng khác như năng lượng gió, diesel, tế bào năng lượng. Các kết quả tiêu biểu này đã chứng minh được 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 Như được trình bày trong các nghiên cứu [16-22], chế độ hybrid thường được dùng trong các khu vực có nhu cầu phụ tải cao do chúng được cấp từ rất nhiều nguồn khác nhau cùng phối hợp hoạt động và thường được nối lưới để nâng cao hiệu quả hoạt động.3 Hướng nghiên cứu của luận văn Trong tình hình nước ta hiện nay, nhu cầu phát triển các hệ thống năng lượng mặt trời công suất lớn là chưa quá lớn do điều kiện kinh tế chưa cho phép. Tuy nhiên, việc phát triển các hệ thống năng lượng mặt trời công suất nhỏ, vận hành độc lập lại có tiềm năng rất lớn vì hiện nay nhu cầu năng lượng cho các vùng sâu, vùng xa, biên giới và hải 4 Luan van đảo là rất lớn mà lưới điện quốc gia không thể cung cấp được hết bởi chi phí quá cao, hiệu quả kinh tế thấp. Đứng trước tình hình đó, qua phân tích các hướng nghiên cứu chính được đề xuất trong phần trên, với yêu cầu một hệ thống điện mặt trời công suất nhỏ dùng bơm nước tưới tiêu cho vùng địa lý khó khăn không có điện lưới quốc gia, luận văn đề xuất hướng nghiên cứu một hệ thống điện mặt trời vận hành độc lập công suất nhỏ dùng trong bơm nước tưới tiêu. Luận văn tập trung nghiên cứu phương án sử dụng tối đa nguồn năng lượng thu được từ các tấm pin mặt trời với yêu cầu giảm chi phí và nâng cao hiệu suất sử dụng.
Đối với các vùng có điều kiện khó khăn, việc giảm chi phí vận hành, bảo trì bảo dưỡng là tiêu chí quan trọng đánh giá hiệu quả của nghiên cứu.4 Mục tiêu của luận văn Qua phân tích định hướng nghiên cứu của luận văn và các hướng nghiên cứu chủ yếu về năng lượng mặt trời hiện nay, luận văn đặt ra các mục tiêu sau: − Đề xuất một giải thuật vận hành hệ thống năng lượng mặt trời có khả năng thu nhận tối đa nguồn điện năng cung cấp từ các tấm pin trong các điều kiện bức xạ mặt trời khác nhau. − Xây dựng một mô hình thực nghiệm điều khiển hệ thống pin năng lượng mặt trời dựa trên giải pháp được đề xuất. − Thực nghiệm điều khiển hệ thống năng lượng mặt trời được xây dựng để kiểm chứng hiệu quả giải thuật được đề xuất.5 Nhiệm vụ của luận văn Qua phân tích các mục tiêu của luận văn, một số nhiệm vụ cụ thể cần phải đạt được trong luận văn được chỉ ra như sau: − Tìm hiểu về pin năng lượng mặt trời qua các đặc trưng như cấu tạo, nguyên lý hoạt động, phương trình toán học tương đương. − Tìm hiểu tổng quan về các phương pháp điều khiển pin năng lượng mặt trời hiện nay.
− Nghiên cứu về các phương pháp điều khiển điểm công suất cực đại của pin năng lượng mặt trời. Các giải thuật điều khiển tiêu biểu và phân tích ưu nhược điểm của các phương pháp điều khiển này. 5 Luan van − Nghiên cứu tìm hiểu về bộ chuyển đổi công suất DC/DC dùng trong xác định điểm công suất cực đại của bộ pin năng lượng mặt trời. − Nguyên cứu về các bộ điều khiển có thể áp dụng hiệu quả với giải thuật được đề xuất trong luận văn.6 Phạm vi nghiên cứu Luận văn nghiên cứu và đề xuất một giải pháp bơm nước tưới tiêu dùng pin năng lượng mặt trời trong điều kiện không có điện lưới quốc gia tại các vùng sâu vùng xa, biên giới hải đảo.7 Phương pháp nghiên cứu − Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu.
− Nghiên cứu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và mô hình toán của pin năng lượng mặt trời. − Nghiên cứu các giải thuật điều khiển về pin năng lượng mặt trời.