Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu Để sống và tồn tại, con người cần rất nhiều năng lượng. Việc tìm ra và sử dụng các nguồn năng lượng bền vững, hiệu quả là điểm mấu chốt cho sự phát triển và thịnh vượng của mỗi quốc gia. Các nguồn năng lượng truyền thống như nhiên liệu hóa thạch và thủy điện đang dần cạn kiệt và thể hiện tác động tiêu cực với môi trường và xã hội. Chính vì vậy, các nước phát triển và đang phát triển đang chuyển đổi mạnh mẽ sang năng lượng tái tạo.
Năng lượng mặt trời được coi là năng lượng tái tạo thân thiện với môi trường. Việc sử dụng ánh sáng mặt trời chuyển hóa thành năng lượng được kể đến là công nghệ pin quang điện (PV-Photovoltaic). Hiện tại các hệ thống pin quang điện đang được phát triển mạnh và được ứng dụng nhiều trên thế giới. Nguyên do là công nghệ bán dẫn hiện ngày càng cải tiến cho phép hạ giá thành sản xuất các bộ pin quang điện xuống rất nhiều so với thập niên trước.
Sự kết hợp của năng lượng mặt trời và máy lạnh có thể đóng một vai trò quan trọng trong đời sống hằng ngày. Các hệ thống phát điện quang điện này trong quá trình sử dụng không có khí thải, không gây ô nhiễm môi trường xung quanh. Quan trọng, năng lượng từ ánh mặt trời thân thiện với môi trường là năng lượng xanh, vô tận và miễn phí. Tình hình sử dụng năng lượng trên thế giới đạt nhiều tiến bộ trong suốt 15 năm qua, tỷ lệ tăng trưởng hàng năm năng lượng mặt trời là trên 40% [8], nhấn mạnh sự trưởng thành của các khoản đầu tư thực hiện, đảm bảo độ tin cậy của công nghệ được sử dụng.
Cùng một lúc, chính sách khuyến khích và các biện pháp hỗ trợ được thực hiện trong một số các nước, đặc biệt là bên trong Liên minh Châu Âu đề ra mục tiêu tăng năng lượng mặt trời từ 6% lên đến 12% [9]. Trong bối cảnh này, sự kết hợp của quang điện hệ thống trong các ứng dụng được cho là một trong những sử dụng phổ biến nhất của khai thác năng lượng mặt trời [10-13]. Cụ thể ở Bắc Mỹ, Úc và Châu Âu việc sử dụng PV- hệ thống lạnh phục vụ cho công nghiệp; còn tại các nước đang phát triển đa số phục vụ nhu cầu sinh hoạt như hằng ngày như tủ lạnh, máy lạnh, máy giặt, máy điều hòa nhiệt độ, bơm nước để tưới tiêu [14-17]. Việt Nam là nước có tiềm năng lớn về năng lượng mặt trời với công suất bức xạ trung bình của mặt trời khoảng 5kWh/m2/ngày HVTH TRƯƠNG THANH HIẾU - 1780628 1 Luan van Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Nguyễn Minh Tâm ở miền Nam và miền Trung, và khoảng 4kWh/m2/ngày ở miền Bắc [18].
Việc tận dụng năng lượng mặt trời làm nguồn năng lượng thay thế hết sức thuận lợi. Trong đó, tận dụng năng lượng mặt trời vào ứng dụng cho hệ thống lạnh đang được phát triển. Tuy nhiên, chi phí đầu tư cả hệ thống lạnh 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 ưu 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 đưa ra công suất hệ thống lạnh, công suất pin mặt trời cung cấp theo nhu cầu sử dụng cho từng trường hợp cụ thể. Các loại hệ thống lạnh dùng pin năng lượng mặt trời được thể hiện ở hình 1.1 Các loại hệ thống lạnh sử dụng điện năng lượng mặt trời [32] Hình 1.2 Các cấu hình hệ thống lạnh sử dụng năng lượng mặt trời [19] Hình 1.2 cho ta thấy hệ thống lạnh dùng pin quang điện thường bao gồm: (1) Bộ pin quang điện, (2) Bộ điều khiển năng lượng (3) Động cơ máy nén. Do công suất ra HVTH TRƯƠNG THANH HIẾU - 1780628 2 Luan van Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Nguyễn Minh Tâm của pin thay đổi theo cường độ chiếu nắng (insolation) và đặc tính dòng-áp của pin là phi tuyến, để hệ thống lạnh hoạt động hiệu quả thì trong giải thuật điều khiển của bộ điều khiển cần có [20-25]: (1) thuật toán tìm công suất cực đại (MPPT – Maximum Power Point Tracking), (2) điều khiển tốc độ của máy nén sao cho công suất ra của máy nén tương ứng với công suất nhận được từ bộ pin quang điện. Nhiều ứng dụng của hệ thống pin quang điện, nhất là với các hệ thống ở các vùng xa, thường cần sử dụng ăcquy (thông dụng là loại acid- chì) để trữ năng lượng nhận được từ bộ pin quang điện.
Ưu điểm của việc sử dụng ăcquy là hệ thống lạnh có thể hoạt động bất cứ lúc nào khi cần thiết. Nhờ đó, trong đêm và vào những lúc cường độ chiếu sáng thấp, hệ thống vẫn có thể hoạt động khi cần thiết. Mà giá thành cao và tuổi thọ thấp (thường khoảng 3-5 năm so với tuổi thọ của pin quang điện là 20 năm) của bộ ăcquy, vẫn là một trở ngại cho sự phát triển của các ứng dụng của pin quang điện. Ngoài ra, do sử dụng acid và chì trong cấu trúc, ăcquy cũng là một tác nhân gây hại nhiều đến môi trường khi hết tuổi thọ và bị loại thải.
Sử dụng hệ thống lạnh dùng pin quang điện khi có ánh nắng, nhiệt độ môi trường tăng lên, nhiệt độ trong không gian cần làm lạnh cũng tăng theo, lúc này hệ thống lạnh mới hoạt động. Do đó, hệ thống không cần sử dụng ăcquy để lưu trữ năng lượng như nhiều ứng dụng với pin mặt trời khác, giúp giảm nhiều giá thành của hệ thống. Ưu điểm của hệ thống này là chi phí đầu tư ban đầu thấp hơn, thời gian hoàn vốn nhanh. Hệ thống không sử dụng ăcquy nên không cần bảo trì sau thời gian sử dụng.
Ngoài ra ta cũng có thể kết hợp dễ dàng với điện lưới hoặc máy phát điện diesel để hoạt động vào ban đêm nếu cần. Hệ thống này được thiết kế để hoạt động trong ngày khi trời có nắng. Bởi vì cường độ của ánh nắng mặt trời và góc mà nó tác động lên tấm pin PV thay đổi trong suốt cả ngày, Các hệ thống lạnh với pin mặt trời thường sử dụng động cơ một chiều (DC-Direct Current) điện áp thấp nối trực tiếp đến bộ pin quang điện, hoặc sử dụng thêm một bộ biến đổi DC-DC giữa động cơ và bộ pin để tối đa hoá công suất nhận được từ bộ pin [26]. Tuy nhiên, động cơ DC thường có hiệu suất thấp và cần bảo trì thường xuyên điều này là trở ngại cho những ứng dụng ở vùng xa do thiếu người có tay nghề để thực hiện việc này.
Cũng có hệ thống sử dụng động cơ DC không có chổi than (Permanent magnet brushless DC – PMBLDC) [27], nhưng giá thành cao của loại động cơ này là một rào cản cho việc ứng dụng chúng. Ngoài ra, động cơ loại này cũng không dễ tìm trên thị HVTH TRƯƠNG THANH HIẾU - 1780628 3 Luan van Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Nguyễn Minh Tâm trường hiện nay. Do đó, việc thay thế động cơ DC bằng động cơ xoay chiều không đồng bộ trong các hệ thống lạnh dùng pin quang điện hiện được quan tâm trong nhiều nghiên cứu [20-25], do động cơ loại này có nhiều ưu điểm hơn so với động cơ DC như rẻ tiền, bền, ít cần bảo dưỡng và sẵn có trên thị trường. Khi sử dụng động cơ không đồng bộ, tốc độ của động cơ thường được điều khiển thông qua việc thay đổi tần số và điện áp cung cấp cho động cơ, và giải thuật điều khiển tần số – điện áp này có thể theo kiểu vô hướng (scalar) như trong [20-22, [24] hoặc kiểu vector định hướng từ trường (FOC – Field Oriented Control) như trong [25].
Qua các vấn đề được ta phân tích như trên cho thấy hướng nghiên cứu hệ thống lạnh sử dụng pin quang điện không ăcquy với động cơ xoay chiều thay cho động cơ một chiều đang được quan tâm vì có khả năng ứng dụng thiết thực, rộng rãi và thân thiện mô trường. Mặt khác, các bộ pin quang điện cũng đã được sản xuất hoặc nhập khẩu khá rộng rãi trên thị trường Việt nam và giá thành ngày càng rẻ hơn. Sau đây là cấu hình đề xuất nghiên cứu của đề tài hình 1.3 Cấu hình hệ thống nghiên cứu Hệ thống gồm các phần chính: bộ pin quang điện, bộ điều khiển năng lượng và động cơ không đồng bộ một pha máy nén lạnh. Trong đó bộ điều khiển năng lượng bao gồm hai mạch DC/DC Converter (MPPT) chức năng chính là chuyển đổi điện áp DC có sử dụng giải thuật MPPT để bắt điểm công suất cực đại khi cường độ chiếu nắng thay đổi hay nhiệt độ thay đổi nhằm đưa ra công suất cực đại của pin quang điện và DC/AC HVTH TRƯƠNG THANH HIẾU - 1780628 4 Luan van Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Nguyễn Minh Tâm inverter chức năng chuyển đổi điện áp một chiều đầu ra bộ DC/DC thành điện áp xoay chiều cấp vào động cơ máy nén.2 Mục đích của đề tài Xây dựng được trình tự tính toán công suất máy nén và công suất pin mặt trời.
Chọn lựa được bộ biến đổi DC/DC kèm giải thuật bắt điểm công suất cực đại MPPT có mô phổng kiểm chứng. Chọn lựa được cấu hình sử dụng trong bộ DC/AC và phương pháp điều khiển có mô phỏng kiểm chứng. Sử dụng mô hình mô phỏng động cơ không đồng bộ một pha kết hợp với pin quang điện, bộ biến đổi DC/DC bộ DC/AC ta tổng hợp đưa ra cấu hình chuẩn hệ thống và thực hiện mô phỏng lấy ra thông số, rồi rút ra nhận xét và kết luận cho toàn hệ thống.3 Giới hạn của đề tài Đề tài nghiên cứu được giới hạn trong phạm vi thiết kế và thi công mạch công suất 1. Hệ thống lạnh cấp nguồn từ pin mặt trời ở đây có sử dụng động cơ máy nén không đồng bộ một pha.
Hệ thống lạnh hoạt động trong điều kiện cường độ chiếu sáng ổn định Sau khi tìm hiểu mô hình đặc tuyến pin quang điện, tìm hiểu bộ điều khiển năng lượng và động cơ không đồng bộ một pha sẽ tiến hành mô phỏng kiểm chứng chọn lựa cấu hình phù hợp. Nhận xét và kết luận kết quả đạt được từ phần mềm mô phỏng Matlab/Simulink.4 Nội dung đề tài Nội dung đề tài tiếp theo phần tổng quan ta tiếp tục thực hiện các chương sau: Chương 2: Tính toán công suất máy nén cho hệ thống lạnh và công suất pin mặt trời Lập trình tự tính toán, chọn công suất máy nén và công suất pin mặt trời thông qua nhu cầu thực tế sử dụng.