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 đó, năng lượng mặt trời (NLMT) được xem là nguồn năng lượng xanh, sạch, có tiềm năng lớn và phổ biến nhất hiện nay. Tại Việt Nam, công suất bức xạ trung bình của NLMT đạt khoảng 5 kWh/m²/ngày ở miền Nam và miền Trung, và khoảng 4 kWh/m²/ngày ở miền Bắc, tạo điều kiện thuận lợi cho việc ứng dụng công nghệ pin quang điện (PV) trong các hệ thống điện năng lượng mặt trời.

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 làm lạnh hàng ngày, đồng thời lựa chọn cấu hình mạch điện tử công suất và thuật toán điều khiển tối ưu nhằm nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống. 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 tại khu vực miền Nam Việt Nam.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc phát triển hệ thống lạnh sử dụng năng lượng mặt trời không cần bình ắc quy lưu trữ, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và chi phí đầu tư ban đầu, đồng thời góp phần thúc đẩy ứng dụng năng lượng tái tạo trong sinh hoạt và công nghiệp, hướng tới phát triển bền vững và thân thiện với môi trường.

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 các thông số áp suất, nhiệt độ, enthalpy, entropy tại các điểm nút để tính công suất làm lạnh và công suất máy nén cần thiết.
  • Mô hình pin quang điện (PV): Sử dụng mô hình tương đương điện tử của tế bào quang điện, bao gồm điện trở nối tiếp, điện trở song song và diode, mô tả đặc tính dòng điện - điện áp (I-V) và công suất - điện áp (P-V) dưới các điều kiện cường độ chiếu sáng và nhiệt độ khác nhau.
  • Bộ biến đổi DC/DC Boost và thuật toán MPPT (Maximum Power Point Tracking): Áp dụng bộ biến đổi tăng áp để điều chỉnh điện áp đầu ra phù hợp với tải, kết hợp thuật toán P&O (Perturbation and Observation) để tìm điểm công suất cực đại của pin mặt trời, tối ưu hóa hiệu suất thu năng lượng.
  • 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 chi phí thấp, độ bền cao và dễ bảo trì; sử dụng bộ biến đổi DC/AC để chuyển đổi điện áp một chiều từ pin mặt trời thành điện áp xoay chiều cấp cho động cơ, điều khiển tốc độ động cơ bằng phương pháp điều chỉnh tần số và điện áp (V/f).

Các khái niệm chính bao gồm: công suất làm lạnh, công suất máy nén, công suất pin mặt trời, thuật toán MPPT, bộ biến đổi DC/DC Boost, động cơ không đồng bộ, và bộ biến đổi DC/AC inverter.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Số liệu cường độ chiếu sáng mặt trời thu thập từ trang web NASA theo tọa độ địa lý miền Nam Việt Nam; thông số kỹ thuật pin mặt trời Bosch Solar Energy c-Si M60 NA42117; đặc tính nhiệt động học môi chất lạnh R22; thông số động cơ và máy nén phổ biến trên thị trường.
  • Phương pháp phân tích:
    • Tính toán công suất máy nén và công suất pin mặt trời dựa trên nhu cầu làm lạnh 1,39 kW và đặc tính cường độ chiếu sáng thực tế.
    • Mô phỏng mô hình pin quang điện và bộ biến đổi DC/DC Boost trong Matlab/Simulink để kiểm chứng thuật toán MPPT và hiệu suất hệ thống.
    • Mô phỏng bộ biến đổi DC/AC inverter và động cơ không đồng bộ một pha để đánh giá hiệu quả điều khiển và đáp ứng tải.
  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khóa học thạc sĩ từ 2016 đến 2018, với các bước lần lượt: tổng quan và tính toán công suất (Chương 1-2), thiết kế bộ biến đổi và thuật toán MPPT (Chương 3), lựa chọn bộ biến đổi DC/AC và động cơ (Chương 4), mô phỏng toàn hệ thống (Chương 5), kết luận và đề xuất phát triển.

Cỡ mẫu nghiên cứu là mô hình hệ thống lạnh công suất 1,39 kW sử dụng 5 tấm pin mặt trời 250 W mắc nối tiếp, mô phỏng trong môi trường Matlab/Simulink để đánh giá hiệu suất và tính khả thi.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Công suất máy nén và công suất pin mặt trời:
    • Công suất làm lạnh được chọn là 1,39 kW, công suất máy nén ước tính khoảng 1,1 kW với hệ số an toàn 2,1.
    • Công suất pin mặt trời được chọn là 1250 W, gồm 5 tấm pin Bosch 250 W mắc nối tiếp, điện áp MPP đạt 150 V, đáp ứng tốt yêu cầu điện áp đầu vào của bộ biến đổi Boost.
  2. Hiệu quả thuật toán MPPT P&O:
    • Thuật toán MPPT giúp duy trì điểm công suất cực đại của pin mặt trời khi cường độ chiếu sáng thay đổi, đạt hiệu suất trên 90%.
    • Mô phỏng cho thấy bộ biến đổi DC/DC Boost có thể điều chỉnh điện áp đầu ra ổn định khoảng 310 V, phù hợp với yêu cầu cấp nguồn cho bộ biến đổi DC/AC.
  3. Điều khiển động cơ không đồng bộ một pha:
    • Sử dụng bộ biến đổi DC/AC inverter 4 khóa hoặc 6 khóa để tạo điện áp xoay chiều chuẩn 220 V, tần số 50 Hz, điều khiển tốc độ động cơ bằng phương pháp V/f.
    • Mô phỏng cho thấy động cơ hoạt động ổn định, dòng điện và tốc độ đáp ứng tốt với các điều kiện tải và cường độ chiếu sáng khác nhau.
  4. Khả năng vận hành hệ thống trong điều kiện thực tế:
    • Dữ liệu cường độ chiếu sáng tại miền Nam Việt Nam cho thấy hệ thống có thể hoạt động hiệu quả từ 9 giờ sáng đến 15 giờ chiều.
    • Việc không sử dụng bình ắc quy lưu trữ giúp giảm chi phí đầu tư và bảo trì, tuy nhiên hệ thống chỉ hoạt động khi có ánh nắng đủ mạnh.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp hệ thống đạt hiệu quả là sự kết hợp tối ưu giữa công suất máy nén và công suất pin mặt trời, cùng với thuật toán MPPT giúp khai thác tối đa năng lượng từ pin quang điện. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng động cơ DC hoặc có bình ắc quy lưu trữ, hệ thống này giảm thiểu chi phí và ô nhiễm môi trường do không dùng ắc quy acid-chì.

Kết quả mô phỏng trong Matlab/Simulink cung cấp các biểu đồ đặc tính I-V, P-V của pin mặt trời, điện áp và dòng điện đầu ra của bộ biến đổi DC/DC và DC/AC, cũng như tốc độ và dòng điện động cơ, minh họa rõ ràng hiệu suất và sự ổn định của hệ thống.

Hệ thống phù hợp với các khu vực có cường độ chiếu sáng cao và ổn định, như miền Nam Việt Nam, góp phần thúc đẩy ứng dụng năng lượng tái tạo trong sinh hoạt và công nghiệp, đồng thời giảm phụ thuộc vào lưới điện quốc gia.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa công suất pin mặt trời: Tăng số lượng tấm pin hoặc sử dụng pin có hiệu suất cao hơn để đảm bảo cung cấp đủ công suất trong những ngày có cường độ chiếu sáng thấp, nâng cao độ tin cậy của hệ thống.
  2. Phát triển thuật toán MPPT nâng cao: Áp dụng các thuật toán MPPT hiện đại như Incremental Conductance (INC) hoặc kết hợp với trí tuệ nhân tạo để cải thiện tốc độ bắt điểm và hiệu suất trong điều kiện biến đổi nhanh của môi trường.
  3. Nâng cấp bộ biến đổi DC/DC và DC/AC: Thiết kế bộ biến đổi với linh kiện công suất chất lượng cao, giảm tổn hao điện năng, đồng thời tích hợp các chức năng bảo vệ và giám sát để tăng tuổi thọ và độ ổn định hệ thống.
  4. Mở rộng ứng dụng và tích hợp hệ thống: Kết hợp hệ thống lạnh pin mặt trời với các nguồn năng lượng khác như điện lưới hoặc máy phát điện diesel để đảm bảo hoạt động liên tục, đặc biệt vào ban đêm hoặc khi trời nhiều mây.
  5. Chủ thể thực hiện: Các nhà nghiên cứu, kỹ sư thiết kế hệ thống năng lượng tái tạo, doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện lạnh, và các cơ quan quản lý năng lượng nên phối hợp triển khai các giải pháp trên trong vòng 2-3 năm tới nhằm thúc đẩy ứng dụng rộng rãi.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện, năng lượng tái tạo: Nghiên cứu chi tiết về mô hình pin mặt trời, thuật toán MPPT, và thiết kế hệ thống lạnh sử dụng năng lượng mặt trời.
  2. Kỹ sư thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời và điện lạnh: Áp dụng quy trình tính toán công suất, lựa chọn linh kiện và cấu hình hệ thống phù hợp với điều kiện thực tế.
  3. Doanh nghiệp sản xuất và lắp đặt thiết bị điện lạnh và năng lượng tái tạo: Tham khảo để phát triển sản phẩm hệ thống lạnh thân thiện môi trường, tiết kiệm năng lượng và chi phí.
  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Đánh giá tiềm năng và hiệu quả của hệ thống lạnh sử dụng năng lượng mặt trời, từ đó xây dựng các chính sách hỗ trợ phát triển năng lượng sạch.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hệ thống lạnh sử dụng pin mặt trời có thể hoạt động liên tục không?
    Hệ thống hoạt động hiệu quả trong khoảng thời gian có ánh nắng mạnh, thường từ 9 giờ sáng đến 15 giờ chiều. Do không sử dụng bình 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 một pha có ưu điểm chi phí thấp, độ bền cao, ít cần bảo trì và dễ dàng tìm kiếm trên thị trường, phù hợp với các ứng dụng ở vùng xa và điều kiện vận hành khắc nghiệt.

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

  4. Chi phí đầu tư hệ thống lạnh pin mặt trời có cao không?
    Chi phí đầu tư ban đầu còn cao so với hệ thống lạnh truyền thống, nhưng không sử dụng bình ắc quy giúp giảm chi phí bảo trì và ô nhiễm môi trường, đồng thời thời gian hoàn vốn nhanh hơn do tiết kiệm điện năng.

  5. Hệ thống có thể áp dụng ở những vùng nào?
    Phù hợp với các vùng có cường độ chiếu sáng cao và ổn định như miền Nam và miền Trung Việt Nam, cũng như các khu vực nông thôn, vùng sâu vùng xa chưa có điện lưới hoặc có điện lưới không ổn định.

Kết luận

  • Đã xây dựng thành công quy trình tính toán công suất máy nén và công suất pin mặt trời phù hợp với nhu cầu làm lạnh 1,39 kW.
  • Lựa chọn và mô phỏng bộ biến đổi DC/DC Boost kết hợp thuật toán MPPT P&O đạt hiệu suất trên 90%, tối ưu hóa năng lượng thu từ pin mặt trời.
  • Sử dụng động cơ không đồng bộ một pha và bộ biến đổi DC/AC inverter điều khiển tốc độ hiệu quả, phù hợp với yêu cầu vận hành hệ thống lạnh.
  • Hệ thống không sử dụng bình ắc quy lưu trữ giúp giảm chi phí đầu tư và bảo trì, thân thiện với môi trường.
  • Đề xuất các giải pháp nâng cao hiệu quả và mở rộng ứng dụng trong vòng 2-3 năm tới, góp phần thúc đẩy phát triển năng lượng tái tạo tại Việt Nam.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp áp dụng mô hình này trong thực tế, đồng thời phát triển các thuật toán và thiết kế bộ biến đổi tiên tiến hơn để nâng cao hiệu quả và độ bền của hệ thống.