Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu sử dụng năng lượng tái tạo ngày càng tăng cao do khủng hoảng năng lượng toàn cầu và tác động tiêu cực của các nguồn năng lượng truyền thống như nhiên liệu hóa thạch và thủy điện. Trong số các nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng mặt trời được xem là lựa chọn khả thi nhất nhờ tính phổ biến, sạch và miễn phí. Tại Việt Nam, công suất bức xạ trung bình của mặt trời đạt khoảng 5 kWh/m²/ngày ở miền Nam và miền Trung, tạo điều kiện thuận lợi cho việc ứng dụng năng lượng mặt trời trong các hệ thống điện và làm lạnh.

Luận văn tập trung nghiên cứu hệ thống lạnh cấp nguồn từ pin mặt trời, với mục tiêu xây dựng quy trình tính toán công suất máy nén và công suất pin mặt trời phù hợp với nhu cầu sử dụng thực tế. Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong thiết kế và mô phỏng hệ thống lạnh sử dụng động cơ máy nén không đồng bộ một pha, hoạt động trong điều kiện cường độ chiếu sáng ổn định từ 9 giờ sáng đến 15 giờ chiều tại khu vực miền Nam Việt Nam.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc đề xuất hệ thống lạnh không sử dụng ắc quy để lưu trữ năng lượng, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và chi phí đầu tư ban đầu, đồng thời nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng mặt trời trong sinh hoạt hàng ngày. Các chỉ số quan trọng như công suất máy nén 1,1 kW, công suất pin mặt trời 1,25 kW, cùng thuật toán điều khiển MPPT được áp dụng nhằm tối ưu hóa hiệu suất 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:

  • Chu trình lạnh một cấp với môi chất R22: Phân tích nhiệt động học chu trình lạnh, xác định áp suất bay hơi và ngưng tụ, công suất máy nén cần thiết dựa trên nhiệt độ môi trường và nhu cầu làm lạnh.
  • Mô hình pin quang điện (PV): Sử dụng mô hình tương đương tế bào quang điện với các tham số như điện trở nối tiếp, điện trở song song, dòng ngắn mạch, điện áp hở mạch, ảnh hưởng của cường độ chiếu sáng và nhiệt độ đến đặc tính I-V và P-V của pin.
  • Bộ biến đổi DC-DC Boost và thuật toán MPPT (Maximum Power Point Tracking): Giải thuật P&O được áp dụng để điều khiển chu kỳ đóng mở của bộ biến đổi nhằm duy trì điểm công suất cực đại của pin mặt trời trong điều kiện biến đổi cường độ chiếu sáng và nhiệt độ.
  • Động cơ không đồng bộ một pha và bộ biến đổi DC-AC inverter: Lựa chọn động cơ không đồng bộ một pha cho máy nén lạnh do ưu điểm về chi phí, độ bền và dễ bảo trì; sử dụng bộ biến đổi DC-AC để chuyển đổi điện áp DC từ pin sang điện áp AC phù hợp cho động cơ.

Các khái niệm chính bao gồm: công suất máy nén, công suất pin mặt trời, thuật toán MPPT, biến đổi DC-DC Boost, biến đổi DC-AC inverter, và đặc tính nhiệt động học của môi chất lạnh R22.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các số liệu cường độ chiếu sáng mặt trời tại khu vực miền Nam Việt Nam, thông số kỹ thuật của tấm pin quang điện Bosch NA42117, và đặc tính nhiệt động học của môi chất lạnh R22.

Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

  • Tính toán công suất máy nén và công suất pin mặt trời dựa trên nhu cầu làm lạnh 1,39 kW và đặc tính bức xạ mặt trời trung bình 5 kWh/m²/ngày.
  • Mô phỏng hệ thống bằng Matlab/Simulink để kiểm chứng đặc tính I-V, P-V của pin mặt trời, hiệu quả bộ biến đổi DC-DC Boost có và không có thuật toán MPPT, cũng như mô phỏng hoạt động của động cơ không đồng bộ một pha và bộ biến đổi DC-AC.
  • Lựa chọn cấu hình hệ thống dựa trên kết quả mô phỏng, đảm bảo hiệu suất cao và chi phí hợp lý.
  • Timeline nghiên cứu kéo dài trong khóa học thạc sĩ từ 2016 đến 2018, với các bước thực hiện từ khảo sát, tính toán, mô phỏng đến đánh giá và đề xuất cấu hình hệ thống.

Cỡ mẫu nghiên cứu là hệ thống lạnh công suất 1,1 kW sử dụng 5 tấm pin mặt trời 250 W mắc nối tiếp, mô phỏng trong điều kiện cường độ chiếu sáng thay đổi từ 50 W/m² đến 1000 W/m² và nhiệt độ môi trường trung bình 30°C.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Công suất máy nén và công suất pin mặt trời phù hợp: Công suất máy nén được tính toán là 1,1 kW với công suất làm lạnh 1,39 kW, trong khi công suất pin mặt trời được chọn là 1,25 kW (5 tấm pin 250 W mắc nối tiếp). Mô phỏng cho thấy điện áp MPP của dàn pin là 150 V, phù hợp với bộ biến đổi Boost để nâng lên 310 V cấp cho inverter.

  2. Hiệu quả thuật toán MPPT P&O: Mô phỏng bộ biến đổi DC-DC Boost có sử dụng thuật toán MPPT cho thấy công suất đầu ra pin mặt trời đạt trên 90% công suất cực đại trong điều kiện cường độ chiếu sáng thay đổi từ 500 W/m² đến 1000 W/m², giúp tối ưu hóa năng lượng thu được.

  3. Động cơ không đồng bộ một pha hoạt động ổn định: Mô phỏng inverter DC-AC với cấu hình 4 khóa và 6 khóa cho thấy động cơ máy nén hoạt động ổn định ở tần số 50 Hz, dòng điện và điện áp đầu ra đạt chuẩn, đảm bảo hiệu suất làm lạnh và độ bền thiết bị.

  4. Ảnh hưởng của cường độ chiếu sáng đến công suất hệ thống: Dữ liệu cường độ chiếu sáng theo giờ trong ngày (từ 6 giờ đến 15 giờ) cho thấy công suất pin mặt trời dao động từ 50 W/m² đến 1000 W/m², ảnh hưởng trực tiếp đến tần số hoạt động của máy nén và công suất làm lạnh. Hệ thống được thiết kế để hoạt động hiệu quả trong khoảng thời gian có ánh nắng mạnh, giảm thiểu nhu cầu sử dụng ắc quy lưu trữ.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc sử dụng hệ thống lạnh cấp nguồn từ pin mặt trời không ắc quy với động cơ không đồng bộ một pha là khả thi và hiệu quả trong điều kiện khí hậu miền Nam Việt Nam. Việc áp dụng thuật toán MPPT giúp duy trì công suất tối ưu của pin mặt trời, giảm tổn hao năng lượng và tăng hiệu suất hệ thống.

So với các nghiên cứu trước đây sử dụng động cơ DC hoặc động cơ không chổi than, hệ thống sử dụng động cơ không đồng bộ có ưu điểm về chi phí thấp, dễ bảo trì và phổ biến trên thị trường. Việc không sử dụng ắc quy giúp giảm chi phí đầu tư ban đầu và hạn chế ô nhiễm môi trường do xử lý ắc quy sau tuổi thọ.

Dữ liệu mô phỏng có thể được trình bày qua các biểu đồ đặc tính I-V, P-V của pin mặt trời, đồ thị công suất đầu ra theo cường độ chiếu sáng, và biểu đồ dòng điện, điện áp đầu ra của inverter. Bảng số liệu cường độ chiếu sáng theo giờ trong ngày và tháng trong năm cũng minh họa rõ ràng sự biến đổi công suất hệ thống.

Tuy nhiên, hạn chế của nghiên cứu là hệ thống chỉ hoạt động trong điều kiện cường độ chiếu sáng ổn định, chưa xét đến các yếu tố thời tiết xấu hoặc ban đêm. Việc mở rộng nghiên cứu để tích hợp lưu trữ năng lượng hoặc kết hợp với nguồn điện lưới sẽ là hướng phát triển tiếp theo.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai hệ thống lạnh sử dụng pin mặt trời không ắc quy: Khuyến nghị các đơn vị sản xuất và lắp đặt áp dụng cấu hình hệ thống với động cơ không đồng bộ một pha và bộ biến đổi DC-DC Boost có thuật toán MPPT để tối ưu hóa hiệu suất và giảm chi phí đầu tư. Thời gian thực hiện trong vòng 12 tháng.

  2. Phát triển giải pháp điều khiển thông minh: Nâng cấp thuật toán MPPT và điều khiển tần số động cơ để thích ứng với biến đổi cường độ chiếu sáng và tải lạnh, đảm bảo hoạt động ổn định và tiết kiệm năng lượng. Chủ thể thực hiện là các nhóm nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ.

  3. Mở rộng ứng dụng kết hợp lưu trữ năng lượng: Nghiên cứu tích hợp ắc quy hoặc các giải pháp lưu trữ năng lượng khác nhằm đảm bảo hoạt động liên tục vào ban đêm hoặc khi trời nhiều mây, nâng cao tính ổn định của hệ thống. Thời gian nghiên cứu dự kiến 18-24 tháng.

  4. Tăng cường đào tạo và phổ biến công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật cho kỹ sư và kỹ thuật viên về thiết kế, vận hành và bảo trì hệ thống lạnh sử dụng năng lượng mặt trời, đặc biệt tại các vùng nông thôn và vùng sâu vùng xa. Chủ thể thực hiện là các trường đại học và trung tâm đào tạo nghề.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện và năng lượng tái tạo: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết, phương pháp tính toán và mô phỏng chi tiết về hệ thống lạnh sử dụng pin mặt trời, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển các dự án tương tự.

  2. Doanh nghiệp sản xuất và lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời: Tham khảo để thiết kế và tối ưu hóa sản phẩm, nâng cao hiệu quả và giảm chi phí đầu tư cho hệ thống lạnh cấp nguồn từ năng lượng mặt trời.

  3. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Cung cấp dữ liệu và phân tích thực tiễn về ứng dụng năng lượng tái tạo trong lĩnh vực làm lạnh, hỗ trợ xây dựng chính sách khuyến khích phát triển năng lượng sạch.

  4. Người dân và cộng đồng tại vùng nông thôn, vùng sâu vùng xa: Tìm hiểu về giải pháp làm lạnh thân thiện môi trường, tiết kiệm chi phí và phù hợp với điều kiện địa phương, góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hệ thống lạnh sử dụng pin mặt trời không ắc quy có hoạt động liên tục không?
    Hệ thống hoạt động hiệu quả trong khoảng thời gian có ánh nắng mạnh (9h-15h). Do không sử dụng ắc quy lưu trữ, hệ thống không hoạt động vào ban đêm hoặc khi trời nhiều mây. Có thể kết hợp với điện lưới hoặc máy phát để đảm bảo hoạt động liên tục.

  2. Tại sao chọn động cơ không đồng bộ một pha thay vì động cơ DC?
    Động cơ không đồng bộ có chi phí thấp, độ bền cao, ít cần bảo trì và phổ biến trên thị trường, phù hợp với điều kiện sử dụng tại Việt Nam, trong khi động cơ DC thường có hiệu suất thấp và yêu cầu bảo trì thường xuyên.

  3. Thuật toán MPPT P&O hoạt động như thế nào?
    Thuật toán P&O gây nhiễu loạn và quan sát để điều chỉnh chu kỳ đóng mở của bộ biến đổi DC-DC, nhằm duy trì điểm công suất cực đại của pin mặt trời trong điều kiện biến đổi cường độ chiếu sáng và nhiệt độ, giúp tối ưu hóa năng lượng thu được.

  4. Làm thế nào để tính công suất máy nén và công suất pin mặt trời?
    Công suất máy nén được tính dựa trên nhu cầu làm lạnh, nhiệt độ môi trường và đặc tính nhiệt động học của môi chất lạnh. Công suất pin mặt trời được chọn dựa trên công suất máy nén và đặc tính I-V của pin, đồng thời kiểm tra khả năng đáp ứng theo cường độ chiếu sáng thực tế.

  5. Hệ thống có thể áp dụng ở những vùng nào?
    Phù hợp với các vùng có cường độ chiếu sáng mặt trời cao và ổn định như miền Nam và miền Trung Việt Nam, đặc biệt tại các vùng nông thôn, vùng sâu vùng xa thiếu điện lưới, nơi cần giải pháp làm lạnh thân thiện môi trường và tiết kiệm chi phí.

Kết luận

  • Đã xây dựng quy trình tính toán công suất máy nén và công suất pin mặt trời phù hợp với nhu cầu làm lạnh 1,39 kW và công suất pin 1,25 kW.
  • Lựa chọn và mô phỏng thành công bộ biến đổi DC-DC Boost kết hợp thuật toán MPPT P&O, đạt hiệu suất trên 90% công suất cực đại pin mặt trời.
  • Sử dụng động cơ không đồng bộ một pha cho máy nén lạnh giúp giảm chi phí, tăng độ bền và dễ bảo trì so với động cơ DC.
  • Hệ thống lạnh không sử dụng ắc quy lưu trữ năng lượng, giảm ô nhiễm môi trường và chi phí đầu tư ban đầu, phù hợp với điều kiện khí hậu miền Nam Việt Nam.
  • Đề xuất mở rộng nghiên cứu tích hợp lưu trữ năng lượng và phát triển giải pháp điều khiển thông minh để nâng cao tính ổn định và hiệu quả hệ thống.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp triển khai thử nghiệm thực tế hệ thống, đồng thời phát triển các giải pháp lưu trữ năng lượng và điều khiển nâng cao để mở rộng ứng dụng trong tương lai.