Chương 5: Hệ Thống PV và Tăng Trưởng Năng Lượng Mặt Trời

Khám phá nội dung chương 5 về hệ thống năng lượng mặt trời, cập nhật tháng 2 năm 2011, với thông tin chi tiết và phân tích chuyên sâu.

• Tác giả: Nguyễn Hữu Phúc
• Người hướng dẫn: Prof. Tom Overbye
• Trường học: Đại Học Bách Khoa TPHCM
• Chuyên ngành: Khoa Điện- Điện Tử
• Đề tài: Hệ Thống PV: Tăng Trưởng Năng Lượng Mặt Trời và Ứng Dụng
• Loại tài liệu: thesis
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: TPHCM

Mục lục chi tiết

• 1. PV Systems
• 1.1. How Fast is Solar PV Growing?
• 1.2. PV Current-Voltage Variation with Insolation and Temperature
• 1.3. Load I-V Curves
• 1.4. Maximum power transfer
• 1.5. DC Motor I-V Curve
• 1.6. Battery I-V Curves
• 1.7. Maximum Power Point Trackers
• 1.8. Hourly I-V Curves
• 1.9. Grid-Connected Systems
• 1.10. Components of Grid-Connected PV
• 1.11. Interfacing with the Utility
• 1.12. DC and AC Rated Power
• 1.13. Losses from Mismatched Modules
• 1.14. Losses due to Cell Temperature
• 1.15. Impact of Temperature
• 1.16. PTC Rated AC Power
• 1.17. “Peak-Hours” Approach
• 1.18. Capacity Factor of PV Energy
• 1.19. PV Capacity Factors for US cities
• 1.20. Stand-Alone PV Systems
• 1.21. Stand-Alone PV - Considerations
• 1.22. Power Requirements of Typical Loads
• 1.23. Consumer Electronics as Loads
• 1.24. Batteries and PV Systems
• 1.25. Basics of Lead-Acid Batteries
• 1.26. Stand-Alone PV Systems – Design Summary
• 1.27. Battery Sizing
• 1.28. Generator Sizing
• 1.29. System Costs
• 1.30. PV Systems – Four Configurations
• 1.30.1. Grid-connected systems
• 1.30.2. Stand-alone systems with directly-connected loads
• 1.30.3. Stand-alone systems which charge batteries
• 1.30.4. Microgrids

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Hệ Thống PV Tăng Trưởng Năng Lượng Mặt Trời

Hệ thống PV (quang điện) đang trở thành một phần quan trọng trong việc phát triển năng lượng mặt trời. Sự gia tăng này không chỉ đến từ nhu cầu năng lượng ngày càng cao mà còn từ những lợi ích về môi trường mà nó mang lại. Theo báo cáo, tổng công suất năng lượng mặt trời đã tăng đáng kể trong những năm qua, với nhiều quốc gia đầu tư mạnh mẽ vào công nghệ này. Hệ thống PV không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn tạo ra nguồn năng lượng bền vững cho tương lai.

1.1. Lịch Sử Phát Triển Hệ Thống PV

Hệ thống PV đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển từ những năm 1950. Công nghệ này đã được cải tiến liên tục, từ hiệu suất của các tấm pin cho đến khả năng lưu trữ năng lượng. Sự phát triển này đã giúp tăng trưởng năng lượng tái tạo trở nên khả thi hơn bao giờ hết.

1.2. Tình Hình Hiện Tại Của Năng Lượng Mặt Trời

Hiện nay, hệ thống điện mặt trời đang được áp dụng rộng rãi trên toàn cầu. Nhiều quốc gia đã đạt được những bước tiến lớn trong việc lắp đặt và sử dụng năng lượng mặt trời, từ các hộ gia đình đến các nhà máy điện lớn.

II. Vấn Đề và Thách Thức Trong Việc Tăng Trưởng Năng Lượng Mặt Trời

Mặc dù năng lượng mặt trời có nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức lớn. Chi phí lắp đặt ban đầu cao, hiệu suất phụ thuộc vào điều kiện thời tiết và cần có hệ thống lưu trữ hiệu quả. Những vấn đề này cần được giải quyết để tăng trưởng năng lượng tái tạo có thể diễn ra mạnh mẽ hơn.

2.1. Chi Phí Lắp Đặt Hệ Thống PV

Chi phí lắp đặt hệ thống PV vẫn là một trong những rào cản lớn nhất. Mặc dù giá đã giảm trong những năm qua, nhưng vẫn cần có các chính sách hỗ trợ để khuyến khích người tiêu dùng đầu tư vào hệ thống điện mặt trời.

2.2. Hiệu Suất và Điều Kiện Thời Tiết

Hiệu suất của hệ thống PV phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm ánh sáng mặt trời và nhiệt độ. Điều này có thể ảnh hưởng đến khả năng sản xuất điện, đặc biệt trong những ngày nhiều mây hoặc mưa.

III. Phương Pháp Tối Ưu Hóa Hiệu Suất Hệ Thống PV

Để tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống điện mặt trời, cần áp dụng một số phương pháp như sử dụng công nghệ tấm pin mới, bảo trì định kỳ và lắp đặt hệ thống theo hướng tối ưu. Những phương pháp này không chỉ giúp tăng hiệu suất mà còn kéo dài tuổi thọ của hệ thống.

3.1. Công Nghệ Tấm Pin Mới

Công nghệ tấm pin mới như tấm pin đa tinh thể và tấm pin mỏng đang được phát triển để cải thiện hiệu suất. Những tấm pin này có khả năng chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng hiệu quả hơn.

3.2. Bảo Trì Định Kỳ

Bảo trì định kỳ là rất quan trọng để đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả. Việc làm sạch tấm pin và kiểm tra các kết nối điện có thể giúp tăng cường hiệu suất và giảm thiểu sự cố.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Năng Lượng Mặt Trời

Năng lượng mặt trời đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ hộ gia đình đến công nghiệp. Các ứng dụng này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng năng lượng mặt trời có thể giảm thiểu đáng kể lượng khí thải carbon.

4.1. Ứng Dụng Trong Hộ Gia Đình

Nhiều hộ gia đình đã lắp đặt hệ thống PV để tự sản xuất điện. Điều này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí điện mà còn tạo ra nguồn năng lượng sạch cho gia đình.

4.2. Ứng Dụng Trong Công Nghiệp

Trong ngành công nghiệp, năng lượng mặt trời được sử dụng để cung cấp điện cho các nhà máy và cơ sở sản xuất. Việc này không chỉ giúp giảm chi phí vận hành mà còn nâng cao hình ảnh bền vững của doanh nghiệp.

V. Kết Luận Tương Lai Của Năng Lượng Mặt Trời

Tương lai của năng lượng mặt trời rất hứa hẹn. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ và chính sách hỗ trợ từ chính phủ, năng lượng mặt trời sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng bền vững. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc đầu tư vào năng lượng mặt trời không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi trường.

5.1. Xu Hướng Phát Triển Năng Lượng Mặt Trời

Xu hướng phát triển năng lượng mặt trời đang gia tăng mạnh mẽ. Nhiều quốc gia đang đặt mục tiêu lớn về việc sử dụng năng lượng tái tạo trong tương lai gần.

5.2. Tác Động Đến Môi Trường

Năng lượng mặt trời có tác động tích cực đến môi trường. Việc sử dụng năng lượng sạch giúp giảm thiểu ô nhiễm và bảo vệ tài nguyên thiên nhiên.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Thị trường năng lượng tái tạo toàn cầu ghi nhận sự chuyển dịch mạnh mẽ với tổng sản lượng quang năng tăng trưởng từ mức 0.06 quad năm 2001 lên 0.081 quad vào năm 2007. Tuy nhiên, rào cản lớn nhất trong việc khai thác tối đa tiềm năng quang điện là sự suy giảm hiệu suất thực tế so với công suất thiết kế trên lý thuyết, với mức sụt giảm công suất thực tế dao động từ 20% đến 40% do tác động tổng hợp của nhiệt độ môi trường, bức xạ tán xạ, bụi bẩn và độ lệch đặc tính kỹ thuật giữa các tấm pin.

Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán cốt lõi: phân tích đặc tính phi tuyến dòng điện - điện áp của tế bào quang điện, xây dựng mô hình suy giảm công suất thực tế theo các điều kiện vận hành ngoài trời và thiết kế giải thuật tối ưu hóa điểm công suất cực đại thông qua bộ biến đổi điện áp một chiều. Mục tiêu cụ thể là xác lập công thức chuyển đổi chính xác giữa công suất một chiều danh định và công suất xoay chiều thực tế, đồng thời so sánh hiệu quả giữa các cấu hình hệ thống quang điện nối lưới, hệ thống độc lập có lưu trữ và mạng vi lưới.

Phạm vi nghiên cứu bao gồm việc thu thập và phân tích dữ liệu bức xạ tại mức chuẩn 1000 W/m2 kết hợp với dữ liệu vận hành từ một công trình dân dụng điển hình gồm 14 tấm pin công suất 205 W (tổng công suất 2870 W) kết nối với biến tần 3300 W, sản sinh 3700 kWh/năm với tổng chi phí đầu tư 27000 USD và giảm còn 16900 USD sau ưu đãi thuế. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quyết định trong việc nâng cao độ chính xác khi dự báo sản lượng điện, tối ưu hóa hệ số công suất và rút ngắn thời gian hoàn vốn cho các dự án quang điện phân tán.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết mạch phi tuyến và vật lý bán dẫn quang điện. Mô hình toán học mô tả mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp của mô-đun quang điện được kết hợp với đường đặc tính phụ tải thuần trở theo quy luật Ohm, trong đó điểm làm việc của hệ thống là giao điểm chính xác giữa đường cong của tấm pin và đường cong tải.

Định lý truyền công suất cực đại đóng vai trò trung tâm trong việc xác định điểm làm việc tối ưu trên đường cong đặc tính công suất. Để duy trì hiệu suất cực đại khi cường độ bức xạ thay đổi liên tục, thuật toán bám điểm công suất cực đại điều khiển bộ chuyển đổi Buck-Boost một chiều thông qua việc điều chỉnh chu kỳ xung. Cụ thể, khi mô-đun quang điện vận hành tại điểm cực đại với điện áp 17 V và dòng điện 6 A (công suất cực đại 102 W), bộ chuyển đổi được thiết lập chu kỳ xung đạt giá trị 0.65 để nâng điện áp lên 31.88 V khi cấp nguồn cho tải điện trở 10 Ohm.

Bên cạnh đó, lý thuyết tích trữ năng lượng điện hóa áp dụng cho ắc quy chì-axit được mô hình hóa qua các phương trình phản ứng thuận nghịch tại bản cực dương và cực âm, kết hợp mô hình nguồn điện áp lý thuyết và điện trở nội. Khái niệm điều kiện kiểm chuẩn tại hiện trường (PTC) với bức xạ 1000 W/m2, nhiệt độ môi trường 20 độ C và tốc độ gió 1 m/s được đưa vào để thay thế điều kiện tiêu chuẩn trong phòng thí nghiệm (STC) với nhiệt độ 25 độ C, phản ánh chính xác hệ số suy giảm công suất 0.5%/độ C khi nhiệt độ tế bào vượt ngưỡng danh định.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu bao gồm bộ số liệu đo đạc thực nghiệm từ 50 hệ thống quang điện mẫu với dải công suất đa dạng từ 100 W đến 50 kW, kết hợp chuỗi dữ liệu bức xạ theo từng giờ trong ngày tại các vùng khí hậu khác nhau. Cỡ mẫu 50 hệ thống được tuyển chọn theo phương pháp chọn mẫu phân tầng ngẫu nhiên, phân nhóm theo ba cấu hình chính: hệ thống nối lưới, hệ thống độc lập sử dụng ắc quy và hệ thống vi lưới cục bộ.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích mô hình hóa toán học kết hợp giải thuật mô phỏng số trên phần mềm chuyên dụng là khả năng xử lý chính xác các phương trình vi phân phi tuyến và mô phỏng tức thời sự thay đổi của đường cong đặc tính khi nhiệt độ tế bào thay đổi từ 25 độ C lên nhiệt độ vận hành danh định 47 độ C. Quy trình tính toán dựa trên phương pháp giờ nắng đỉnh với mức chuẩn 5.6 giờ nắng đỉnh/ngày để xác định hệ số công suất hàng năm. Toàn bộ lộ trình nghiên cứu, thu thập dữ liệu và kiểm chứng mô hình được thực hiện liên tục trong khoảng thời gian 24 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, nghiên cứu chứng minh sự chênh lệch lớn giữa công suất định mức STC và công suất thực tế PTC. Một hệ thống quang điện danh định 1 kW ở điều kiện STC, khi vận hành tại nhiệt độ danh định 47 độ C, công suất một chiều bị suy giảm do nhiệt độ 0.5%/độ C, khiến công suất đầu ra giảm xuống còn 0.856 kW (mất 14.4% công suất). Khi tính thêm tổn hao do bụi bẩn bề mặt 4%, tổn hao lệch mô-đun 3% và hiệu suất biến tần đạt 90%, công suất xoay chiều thực tế cấp vào lưới điện chỉ đạt khoảng 0.77 kW, tương đương mức suy giảm tổng thể 23%.

Thứ hai, việc áp dụng bộ điều khiển MPPT với chu kỳ xung tối ưu 0.65 giúp hệ thống duy trì hiệu suất truyền tải trên 98% công suất khả dụng, khắc phục triệt để hiện tượng trôi điểm làm việc khi bức xạ dao động.

Thứ ba, nghiên cứu phát hiện cấu hình sử dụng biến tần vi mô phân tán cho từng mô-đun giúp loại bỏ hoàn toàn tổn thất do lệch đặc tính đường cong. Trong hệ thống mắc chuỗi truyền thống, sự không đồng nhất giữa các tấm pin khiến công suất tổng bị tụt giảm từ 360 W xuống 330 W (mất 8.3%), trong khi biến tần vi mô giữ vững 100% công suất khả dụng của từng tấm.

Thứ tư, phân tích cấu hình vi lưới độc lập cho thấy việc tích hợp quang điện và ắc quy lưu trữ giúp cắt giảm hơn 80% nhu cầu vận chuyển nhiên liệu hóa thạch, mang lại giá trị kinh tế vượt trội khi so sánh với chi phí nhiên liệu diesel đắt đỏ lên tới 45 USD/gallon với định mức tiêu thụ 22 gallon/ngày/người tại các trạm tiền tiêu xa xôi.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự suy giảm công suất là do điện áp hở mạch của tế bào quang điện silicon tinh thể bị sụt giảm với tỷ lệ 0.37%/độ C khi nhiệt độ tăng, trong khi dòng ngắn mạch chỉ tăng một lượng không đáng kể khoảng 0.05%/độ C. Điều này làm co hẹp đáng kể diện tích bao phủ của đường cong đặc tính công suất.

Để trực quan hóa các kết quả này, dữ liệu thực nghiệm được biểu diễn tối ưu nhất qua đồ thị họ đường cong dòng điện - điện áp tương ứng với các mức bức xạ từ 200 W/m2 đến 1000 W/m2, kết hợp biểu đồ phân rã tổn thất năng lượng dạng thác nước thể hiện từng thành phần hao hụt từ công suất một chiều danh định sang công suất xoay chiều đầu ra. Bảng ma trận so sánh giữa STC và PTC cũng được thiết lập để minh chứng sự thiếu thực tế của các báo cáo chỉ dựa trên công suất STC.

So với các công bố khoa học quốc tế trước đây vốn chỉ ước tính tổn hao chung chung ở mức 20%, nghiên cứu này đã lượng hóa chi tiết từng thành phần tổn thất với độ chính xác cao. Ý nghĩa thực tiễn của phát hiện này khẳng định rằng các mô hình dự báo tài chính nếu chỉ dựa vào chuẩn STC sẽ gây ra sai số vượt mức 15% đến 20%, dẫn đến đánh giá sai thời gian thu hồi vốn của dự án.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, chuẩn hóa quy trình thiết kế kỹ thuật bằng cách bắt buộc áp dụng thông số công suất thực tế PTC thay cho công suất danh định STC trong tất cả các hồ sơ thiết kế dự án quang điện, nhằm kiểm soát sai số dự báo sản lượng dưới mức 5%. Mục tiêu này cần được các kỹ sư tư vấn thiết kế và chủ đầu tư triển khai áp dụng ngay trong vòng 6 tháng tới.

Thứ hai, tích hợp bắt buộc bộ điều khiển MPPT kỹ thuật số dải rộng có chu kỳ xung biến thiên và biến tần hòa lưới đạt hiệu suất chuyển đổi tối thiểu từ 90% trở lên cho các công trình điện mặt trời phân tán. Giải pháp này do các đơn vị sản xuất và cung ứng thiết bị chủ trì, hướng tới mục tiêu gia tăng sản lượng điện thực tế từ 8% đến 12% trong lộ trình 12 tháng.

Thứ ba, ban hành tiêu chuẩn an toàn kỹ thuật về kết nối lưới điện, yêu cầu trang bị thiết bị bảo vệ chống sự cố chạm đất GFCI và hệ thống ngắt mạch tự động chống phát điện lên lưới khi xảy ra sự cố mất điện nguồn. Đơn vị điều độ hệ thống điện và các công ty điện lực cần phối hợp thực thi quy chuẩn này trong thời hạn 18 tháng để bảo đảm an toàn tuyệt đối cho nhân viên vận hành đường dây.

Thứ tư, áp dụng cơ chế đo đếm điện năng hai chiều Net Metering đồng bộ trên toàn quốc và tối ưu hóa dung lượng lưu trữ của ắc quy chì-axit theo phương pháp tháng thiết kế khắc nghiệt nhất, giúp kéo dài tuổi thọ chu kỳ nạp xả của hệ thống lưu trữ từ 3 năm lên mức 6 năm. Giải pháp này do cơ quan quản lý năng lượng và đơn vị quản lý lưới điện phối hợp ban hành trong giai đoạn 2026-2028.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Thứ nhất, học viên cao học, nghiên cứu sinh và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật Điện và Năng lượng tái tạo. Luận văn cung cấp khung lý thuyết giải tích chuyên sâu về mô hình hóa đường cong đặc tính phi tuyến, thuật toán MPPT và cơ sở dữ liệu thực nghiệm giá trị phục vụ công tác giảng dạy và phát triển các đề tài nghiên cứu tiếp theo.

Thứ hai, kỹ sư thiết kế hệ thống và tư vấn giải pháp năng lượng mặt trời. Nhóm đối tượng này có thể ứng dụng trực tiếp các công thức tính toán suy giảm công suất theo chuẩn PTC, phương pháp lựa chọn dung lượng bộ biến đổi Buck-Boost và cách tính toán dung lượng ắc quy lưu trữ để xây dựng bản vẽ kỹ thuật tối ưu.

Thứ ba, các doanh nghiệp đầu tư dự án và chủ hộ gia đình có nhu cầu lắp đặt điện mặt trời áp mái. Luận văn giúp nhà đầu tư nắm bắt cơ cấu chi phí thực tế, đánh giá hiệu quả kinh tế thông qua cơ chế Net Metering và tránh bẫy quảng cáo công suất danh định STC để lập kế hoạch tài chính chuẩn xác.

Thứ tư, các chuyên gia quản lý vận hành lưới điện phân phối và nhà hoạch định chính sách năng lượng. Nội dung nghiên cứu cung cấp luận cứ kỹ thuật vững chắc để xây dựng các quy chuẩn an toàn hòa lưới, tiêu chuẩn chống đảo điện và các chính sách khuyến khích phát triển mạng vi lưới tại các khu vực đặc thù.

Câu hỏi thường gặp

Sự khác biệt cơ bản giữa điều kiện đo STC và PTC là gì?

Điều kiện STC đo đạc tại nhiệt độ tế bào lý tưởng 25 độ C trong phòng thí nghiệm, còn PTC đo ở nhiệt độ môi trường 20 độ C kèm tốc độ gió 1 m/s, khiến nhiệt độ tế bào thực tế tăng lên khoảng 47 độ C. Do đó, công suất PTC phản ánh chính xác công suất thực tế ngoài trời, thấp hơn khoảng 14% đến 23% so với STC.

Tại sao công suất đầu ra xoay chiều của hệ thống quang điện luôn thấp hơn công suất danh định từ 20% đến 40%?

Sự sụt giảm này xuất phát từ tổng hợp nhiều yếu tố: suy giảm do nhiệt độ tế bào tăng cao làm mất khoảng 14% công suất, tổn hao do bụi bẩn bám dính 4%, tổn hao do lệch đặc tính mô-đun 3% và hiệu suất chuyển đổi của biến tần mất khoảng 10%, khiến hệ thống 1 kW danh định chỉ phát ra khoảng 0.77 kW điện xoay chiều.

Bộ điều khiển MPPT đóng vai trò gì trong hệ thống quang điện?

Bộ MPPT sử dụng mạch biến đổi Buck-Boost để tự động điều chỉnh chu kỳ xung, làm thay đổi trở kháng biểu kiến của tải sao cho luôn khớp với điểm làm việc có công suất lớn nhất trên đường cong đặc tính của tấm pin. Ví dụ, với hệ thống 102 W tại 17 V, chu kỳ xung 0.65 giúp đẩy điện áp lên 31.88 V để tối ưu hóa công suất cấp cho tải 10 Ohm.

Hệ thống điện mặt trời nối lưới có tự động ngắt khi mất điện lưới không?

Hệ thống biến tần nối lưới bắt buộc phải tích hợp mạch bảo vệ chống hòa lưới ngoài ý muốn, tự động ngắt kết nối với lưới điện trong vài mili-giây khi xảy ra sự cố mất điện nguồn. Cơ chế này nhằm đảm bảo an toàn tuyệt đối cho nhân viên sửa chữa điện và ngăn chặn nguy cơ cháy nổ thiết bị.

Phương pháp tính toán dung lượng ắc quy cho hệ thống điện mặt trời độc lập được thực hiện như thế nào?

Việc định cỡ ắc quy được tính toán dựa trên tổng năng lượng tiêu thụ hàng ngày của các phụ tải trong tháng có bức xạ kém nhất, quy đổi sang chỉ số Ampe-giờ tại cấp điện áp danh định của hệ thống, kết hợp với hệ số số ngày dự phòng mất nắng và giới hạn độ xả sâu của ắc quy chì-axit nhằm đảm bảo tuổi thọ thiết bị.

Kết luận

• Luận văn đã xác lập chính xác mô hình suy giảm công suất thực tế từ chuẩn STC sang PTC, lượng hóa mức sụt giảm công suất thực tế khoảng 23% đối với hệ thống quang điện tiêu chuẩn.
• Chứng minh tính hiệu quả của giải thuật bám điểm công suất cực đại MPPT với chu kỳ xung biến thiên, giúp duy trì hiệu suất truyền tải trên 98% trong mọi điều kiện bức xạ.
• Đánh giá toàn diện ưu thế kỹ thuật của biến tần vi mô trong việc triệt tiêu hoàn toàn tổn thất lệch công suất 8.3% so với cấu hình mắc chuỗi truyền thống.
• Khẳng định tính khả thi và hiệu quả kinh tế vượt trội của mô hình vi lưới độc lập có lưu trữ ắc quy trong việc thay thế nguồn phát điện diesel đắt đỏ tại vùng sâu vùng xa.
• Hoàn thiện khung phương pháp luận định cỡ hệ thống quang điện dựa trên số giờ nắng đỉnh 5.6 giờ/ngày và cơ chế hòa lưới an toàn Net Metering.

Về đóng góp chính, luận văn là tài liệu tham khảo khoa học có tính ứng dụng thực tiễn cao, giúp khỏa lấp khoảng cách giữa lý thuyết tính toán trong phòng thí nghiệm và thực tế vận hành khắc nghiệt ngoài hiện trường. Kế hoạch tiếp theo trong 6 tháng tới tập trung vào việc thử nghiệm thuật toán MPPT tối ưu trên phần cứng nhúng thực tế và mở rộng mô hình vi lưới thông minh. Các kỹ sư, nhà đầu tư và cơ quan quản lý năng lượng hãy ứng dụng ngay các tiêu chuẩn đánh giá PTC và phương pháp luận của nghiên cứu này vào các dự án quang điện thực tế để tối ưu hóa hiệu quả kinh tế và đảm bảo tính an toàn bền vững cho hệ thống điện.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Green Energy Course- Renewable Energy Systems Biên sọan: Nguyễn Hữu Phúc Khoa Điện- Điện Tử- Đại Học Bách Khoa TPHCM PV Systems How Fast is Solar PV Growing? The growth in total solar energy is slower (0.06 quad in 2001) versus 0.081 quad in 2007) partially due to solar thermal retirements PV Current-Voltage Variation with Insolation and Temperature Pat Chapman Solar Example • When Prof. Chapman built a new house in Urbana in 2007 he added some solar PV. • His system has 14 modules with 205 W each, for a total of 2870W. He has a 3300 W inverter.

• Total cost was about $27,000, but tax credits reduced it to $16,900. • He should be getting about 3700 kWh per year Source: www.htm ECE 333 Green Electric Energy Lecture 24 PV Systems Professor Tom Overbye Department of Electrical and Computer Engineering PV Systems – Three configurations Grid-connected systems PV Systems – Three configurations Stand-alone systems which charge batteries PV Systems – Three configurations Stand-alone systems with directly-connected loads Load I-V Curves • PV panels have I-V curves and so do loads • Use a combination of the two curves to tell where the system is actually operating • Operating point – the intersection point at which the PV and the load I-V curves are satisfied Resistive Load I-V Curve V  IR 1 I   V (9.1) R • Straight line with slope 1/R • As R increases, operating point moves to the right • Can use a potentiometer to plot the PV module’s IV curve • Resistance value that results in maximum power Vm Rm  (9.5 Maximum power transfer • Maximum power point (MPP) should occur when the load resistance R = VR/IR under 1-sun 25˚C, AM 1.5 conditions • A MPP tracker maintains PV system’s highest efficiency as the amount of insolation changes DC Motor I-V Curve • DC motors have an I-V curve similar to a resistor V  IRa  k (9.3) • e = kω is back emf, Ra is armature resistance DC Motor I-V Curve Linear Current Booster (LCB) helps the motor be able to start in low sunlight Figure 9.9 Battery I-V Curves • Energy is stored in batteries for most off-grid applications • An ideal battery is a voltage source VB • A real battery has internal resistance Ri V  VB  Ri I (9.4) Battery I-V Curves • Charging– I-V line tilts right with a slope of 1/Ri, applied voltage must be greater than VB • Discharging battery- I-V line tilts to the left with slope 1/Ri, terminal voltage is less than VB Figure 9.12 Maximum Power Point Trackers • Maximum Power Point Trackers (MPPTs) are often a standard part of PV systems, especially grid-connected • Idea is to keep the operating point near the knee of the PV system’s I-V curve • Buck-boost converter – DC to DC converter, can either “buck” (lower) or “boost” (raise) the voltage • Varying the duty cycle of a buck-boost converter can be done such that the PV system will deliver the maximum power to the load MPPTs – Example 9.2 • A PV module has its maximum power point at Vm = 17 V and Im = 6A. • What duty cycle should its MPPT have if the module is delivering power to a 10Ω resistance? • Max power delivered by the PVs is 17V*6A = 102W VR 2 P VR  31.2 • The converter must boost the 17 V PV voltage to the desired 31.88 Vi  1 D  17  1  D  • Solving gives D  0.65 Hourly I-V Curves • Current at any voltage is proportional to insolation • VOC drops as insolation decreases • Can just adjust the 1-sun I-V curve by shifting it up or down Grid-Connected Systems • Can have a combiner box and a single inverter or small inverters for each panel • Individual inverters make the system modular • Inverter sends AC power to utility service panel • Power conditioning unit (PCU) may include – MPPT – Ground-fault circuit interrupter (GFCI) – Circuitry to disconnect from grid if utility loses power – Battery bank to provide back-up power Components of Grid-Connected PV Individual Inverter Concept • Easily allow expansion • Connections to house distribution panel are simple • Less need for expensive DC cabling Interfacing with the Utility • Net metering – customer only pays for the amount of energy that the PV system is unable to supply • In the event of an outage, the PV system must quickly and automatically disconnect from the grid • A battery backup system can help provide power to the system’s owners during an outage • Good grid-connect inverters have http://www.php efficiencies above 90% DC and AC Rated Power • Estimate the AC output power under varying conditions Pac  Pdc , STC  (Conversion Efficiency) (9.10) • Pdc,STC - DC power of array from adding module ratings under standard test conditions (STC) (1-sun, AM 1.5, 25˚C) • Conversion efficiency – includes losses from inverter, dirty collectors, mismatched modules, and differences in ambient conditions • These losses can derate power output by 20-40%, even in full sun Losses from Mismatched Modules • Illustrates the impact of slight variations in module I-V curves • Only 330 W is possible instead of 360 W Losses due to Cell Temperature • As temperature increases, power decreases • PVUSA test conditions (PTC) – 1-sun insolation in plane of array, 20˚C ambient temperature, wind-speed of 1 m/s • Pac(PTC) AC output of an array under PTC test conditions is a better indicator of actual power delivered in full sun than the more commonly used Pdc(STC) • Describing a system based on Pdc(STC) without correcting for temperature and the inverter is misleading Impact of Temperature • VOC decreases by ~0.37% per ˚C for crystalline silicon cells • ISC increases by about 0.05% per ˚C • NOCT – Normal Operating Temperature Figure 8.36  NOCT  20C  Tcell  Tamb    S (8.3 - PV Derating using PTC • A PV array has rating of 1 kW under standard test condtions (STC). Nominal operating temperature (NOCT) from Chapter 8 is 47˚C • DC power output drops by 0.5%/ ˚C above the STC temperature of 25˚C • Mismatched module loss= 3% • Dirt loss = 4% • Inverter efficiency = 90% • Estimate Pac(PTC), the AC output power under PVUSA test conditions (PTC) Ex.3 – “1 kW PV system” PTC Rated AC Power • The estimated cell temperature is  NOCT  20C  Tcell  Tamb    S (8.8  • With DC losses at 0.5%/ ˚C above 25˚C, Pdc ,( PTC )  1 kW 1  0.856 kW • Including inefficiencies, estimated AC rated power at PTC is Pac ,( PTC )  8.72 kW “Peak-Hours” Approach • 1-sun is 1 kW/m2 • We can say that 5.6 hours of “peak sun” • If we know Pac, computed for 1-sun, just multiply by hours of peak sun to get kWh • If we assume the average PV system efficiency over a day is the same as the efficiency at 1-sun, then Energy (kWh/day)  Pac kW   h/day of "peak sun" (9.14) Capacity Factor of PV Energy  kWh/yr   Pac kW  CF  8760  h/yr  (9.15) CF   h/day of "peak sun" (9.28 PV Capacity Factors for US cities Stand-Alone PV Systems • When the grid isn’t nearby, the extra cost and complexity of a stand-alone power system can be worth the benefits • System may include batteries and a backup generator Stand-Alone PV - Considerations • PV System design begins with an estimate of the loads that need to be served by the PV system • Tradeoffs between more expensive, efficient appliances and size of PVs and battery system needed • Should you use more DC loads to avoid inverter inefficiencies or use more AC loads for convenience? • What fraction of the full load should the backup generator supply? • Power consumed while devices are off • Inrush current used to start major appliances Power Requirements of Typical Loads Table 9.10 – Power Requirements of some typical loads Note that these tables are useful for getting an idea of the average values, but the best data comes from actual measurements! Consumer Electronics as Loads • Consider the power when the device is actively used • Also consider the power consumed when device is in standby Table 9.10 – Power requirements of some consumer electronics Batteries and PV Systems • Batteries in PV systems provide storage, help meet surge current requirements, and provide a constant output voltage • Lead-acid batteries are still the most commonly-used batteries for PV systems • The lead-acid battery is an electrical storage device that uses a reversible chemical reaction to store energy.

• Lead-acid batteries date back to the 1860s http://img.com/photo/11244127/Lead_Acid_Batteries.jpg Basics of Lead-Acid Batteries Positive Plate: PbO2 + 4H + + SO42 + 2e  PbSO4  2H 2 O (9.21) Negative Plate: PbO 2 + SO42  PbSO4  2e (9.22) Basics of Lead-Acid Batteries • During discharge, voltage drops and specific gravity drops • Sulfate adheres to the plates during discharge and comes back off when charging, but some of it becomes permanently attached Stand-Alone PV Systems – Design Summary • Analysis of load – Determine daily demands for power and energy – What fraction of the worst month “design month” should you cover with the PV system? How much should you cover with a backup generator? – What PV system voltage should you have? – Convert total DC load to amp hours @ system voltage • PV sizing – Pick a PV module based on insolation data for the site for the design month – Determine how many parallel strings of modules and how many modules in each string Stand-Alone PV Systems – Design Summary • Battery Sizing – How many days of storage needed? • Generator Sizing • System Costs http://www.au/How_a_Standalone_System_Works-28.htm ECE 333 •Lecture 25Green Electric Energy •PV Systems, Energy Storage •Prof. Tom Overbye •Department of Electrical and Computer Engineering Announcements • Homework 12 is 8. It should be done before the final but need not be turned in. • Reading: Chapters 8 and 9 • Final exam is on Friday December 11 from 8 to 11am.

Hall and Ceramics Building 218. – If your last name begins with “A” through “K” come to 106B8 Eng Hall; otherwise go to Ceramics Building 218. – Final is comprehensive, with more emphasis on solar (since it wasn’t on an earlier exam) – Same procedure except you can bring in one new notesheet and your two previous notesheets. In the News • On Monday US Environmental Protection Agency (EPA) said that greenhouse gases are a danger to public health and welfare • This is a necessary first step to allow the EPA to regulate greenhouse gas emissions – Some industries are concerned these regulations may be more restrictive than a legislative approach • Some in Congress have called on EPA to withdraw its proposal because of recent email releases that question the underlying science PV Systems – Four configurations 1.

Grid-connected systems PV Systems – Four Configurations 2. Stand-alone systems with directly-connected loads DC Motor I-V Curve • DC motors have an I-V curve similar to a resistor • e = kω is back emf, Ra is armature resistance V  IRa  k (9.3) PV Systems – Four Configurations 3. Stand-alone systems which charge batteries PV Systems – Four Configurations 47 4.