chương 1, phần “Tổng quan” nằm trong nội dung của luận văn “Khảo sát kết hợp hệ thống điện mặt trời và điện gió quy mô nhỏ”. Chương này được luận văn trình bày với các nội dung chính như: Mục đích của đề tài là nghiên cứu phân tích mô hình của hệ thống kết hợp điện mặt trời và điện gió từ đó đưa ra mô hình nhằm ứng dụng phù hợp với điều kiện ở nước ta; Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài là khảo sát mô hình pin MT giải thuật tìm điểm cực đại của pin MT, mô hình tuabin gió và mô hình lai ghép giữa hai hệ thống này; Phương pháp nghiên cứu đối với từng mô hình độc lập và với mô hình lai ghép; và nội dung, bố cục của luận văn. Giới thiệu chung. Ngày nay nhu cầu sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo đang tăng lên mạnh mẽ do các nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt và chúng gây ra những hậu quả ngày càng nghiêm trọng về môi trường như hiệu ứng nhà kính, lũ lụt….Trong các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng sinh khối, năng lượng địa nhiệt, gió, thủy điện nhỏ, năng lượng mặt trời đang dần trở nên phổ biến bởi vì chúng có nhiều ưu điểm trong phương pháp phát điện, chi phí bảo dưỡng thấp, an toàn cho người sử dụng, không gây ô nhiễm môi trường và đặc biệt chúng là những nguồn tài nguyên vô cùng lớn, vô tận.
Với tốc độ phát triển như hiện tại, thì các nguồn năng lượng hóa thạch gần như sẽ hết đi trong thế kỷ 21. Trong tương lai nguồn năng lượng của thế giới không thể nằm ở những nguồn này mà phải nằm ở những nguồn năng lượng tái tạo (renewable energy), ví dụ như: năng lượng gió, năng lượng mặt trời và thủy năng….Nhưng hiện nay tổng cộng các nguồn năng lượng này (chủ yếu là năng lượng gió) chỉ bằng 1 phần trăm nguồn dự trữ năng lượng mặt trời cung cấp cho trái đất. Bởi vậy có thể nói trong tương lai năng lượng của thế giới chính là năng lượng mặt trời. HVTH: Hà Quang Điện MSHV: 12180105 Luận văn thạc sĩ Trang 2 Tại Việt Nam, vị trí địa lý đã ưu ái cho chúng ta một nguồn năng lượng tái tạo vô cùng lớn, đặc biệt là năng lượng mặt trời.
Nằm gần đường xích đạo, Việt Nam nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao, năng lượng bức xạ mặt trời trung bình đạt 4 đến 5kW/m2 mỗi ngày (hình 1-1, hình 1-2) [5]. Kết hợp với một bờ biển dài, Việt Nam có một tiềm năng, thuận lợi cơ bản về năng lượng gió (hình 1-3) [6]. Nhưng theo quy luật chung, các nguồn năng lượng này cũng bị thay đổi theo mùa, theo tháng thậm chí theo cả giờ trong ngày, mặc dù vậy chúng vẫn là một ưu điểm, thuận lợi lớn về năng lượng tái tạo ở nước ta. Hình 1-1: Phân bố tổng số giờ nắng tháng 10, 11, 12 năm 2013 (Nguồn: Viện khoa học khí tượng và thủy văn môi trường – Bộ tài nguyên và Môi Trường) HVTH: Hà Quang Điện MSHV: 12180105 Luận văn thạc sĩ Trang 3 Hình 1-2: Cường độ bức xạ mặt trời trung bình trung trong ngày tại ba thành phố tiêu biểu của Việt Nam Hình 1-3: Bản đồ tiềm năng gió Việt Nam, tốc độ trung bình năm tại độ cao 65m.
Nguồn: Wind Resource Atlas of Southeast Asia 2001 (Màu vàng, đỏ có tốc độ gió trên 7m/s) HVTH: Hà Quang Điện MSHV: 12180105 Luận văn thạc sĩ Trang 4 Tuy nhiên, với tiềm năng lớn song năng lượng mặt trời cũng như năng lượng gió lại gặp những khó khăn, rào cản lớn về kỹ thuật cũng như các rào cản khác. Rào cản kỹ thuật là một trong những thách thức lớn cho việc sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo nói chung và nguồn năng lượng mặt trời, năng lượng gió nói riêng do giá thành đầu tư cao và hiệu suất chuyển đổi năng lượng còn thấp. Trong vòng gần 30 năm qua, giá thành điện năng từ nguồn năng lượng này liên tục giảm. Tuy nhiên chúng vẫn còn khá cao so với các nguồn năng lượng hóa thạch, ví dụ: Giá của một Module pin mặt trời hiện nay khoảng 1,2 - 1,5$/Wp, còn nếu tính cả thiết bị khác (như: bộ điều khiển sạc, bộ nghịch lưu, ắcquy, phụ kiện khác) và cả chi phí lắp đặt hệ thống thì khoảng 3,5 – 4,0$/Wp dẫn đến giá thành điện năng phát ra còn rất cao khoảng 25 – 50cents/kWh gấp 3,5 – 5 lần điện năng phát ra dùng nguồn năng lượng hóa thạch.
Nhưng giá thành điện năng do nguồn năng lượng này phát ra sẽ tiếp tục giảm xuống dự kiến còn khoảng 15 cents/kWh trong những năm tới khi mà công nghệ về pin mặt trời ngày càng được nâng cao [8]. Ngoài ra còn một số rào cản khác như thiếu sự hỗ trợ chính sách của chính phủ, nhận thức của mọi người về năng lượng, sự tham gia của các tổ chức cá nhân vào các dự án phát triển nguồn năng lượng tái tạo. Để khắc phục những rào cản đó, đặc biệt là liên quan đến giá thành và hiệu suất của hệ thống đã có rất nhiều giải pháp được thực hiện, ví dụ: + Như liên quan đến giá thành của pin mặt trời, các nhà nghiên cứu và sản xuất đã phát triển công nghệ sản xuất pin theo hướng hiện đại. + Còn liên quan đến việc cải thiện hiệu suất chuyển đổi năng lượng, có hai phương pháp chủ yếu đó là cải thiện hiệu suất của pin dựa trên công nghệ sản suất pin và cải thiện phương pháp sử dụng pin mặt trời, cụ thể như: Phương pháp thứ nhất, các nhà nghiên cứu đã và đang tìm ra rất nhiều các phương pháp nhằm nâng cao hiệu suất của pin mặt trời như dùng vật liệu mới, thậm chí là phương pháp phát điện mới.
HVTH: Hà Quang Điện MSHV: 12180105 Luận văn thạc sĩ Trang 5 Phương pháp thứ hai có thể được thực hiện bằng cách sử dụng các bộ thu năng lượng tập trung để hút được bức xạ cực đại hoặc sử dụng bộ dò điểm công suất cực đại để đảm bảo pin năng lượng mặt trời luôn vận hành ở điều kiện tối ưu và công suất pin sẽ đạt cực đại. Hiện nay ở nước ta cũng như trên thế giới cũng đã có rất nhiều nghiên cứu về hệ thống năng lượng mặt trời, hệ thống năng lượng gió. Tập trung chính vào các lĩnh vực như: + Ổn định và nâng cao điện áp phát ra của hệ thống pin mặt trời. + Các phương pháp điều khiển nhằm đưa hệ thống pin mặt trời làm việc tại điểm công suất cực đại.
+ Các phương pháp nghịch lưu nhằm cải thiện chất lượng điện trong hệ thống năng lượng mặt trời. + Các phương pháp ngăn ngừa hiện tượng bị cô lập (ốc đảo) cho hệ thống năng lượng mặt trời. + Các phương pháp điều khiển công suất tác dụng, công suất phản kháng và dòng điện bơm vào lưới của hệ thống pin mặt trời nối lưới. Một rào cản lớn nữa về mặt kỹ thuật đối với các nguồn năng lượng tái tạo cũng cần phải được kể đến đó là chúng thường biến đổi theo thời gian trong ngày, theo tháng và theo mùa.
Ví dụ: Như nguồn năng lượng mặt trời, chỉ đạt được bức xạ (cường độ sáng) lớn nhất vào thời điểm giữa trưa, còn tại các thời điểm khác bức xạ mặt trời sẽ bị giảm dần và sẽ bị mất đi vào buổi tối. Còn đối với nguồn năng lượng gió (tốc độ gió) cũng thuộc vào từng thời điểm trong ngày, theo từng mùa và cũng vào từng khu vực. Do đó để đảm bảo nguồn năng lượng cung cấp cho phụ tải cũng như việc kết nối với lưới điện thì việc lai ghép giữa các nguồn năng lượng tái tạo (năng lượng mặt trời và năng lượng gió) nhằm đảm bảo ổn định cho điện áp và công suất đầu ra của hệ thống là một xu hướng phát triển mới và tất yếu hiện nay trong lĩnh vực phát triển các nguồn năng lượng mới. HVTH: Hà Quang Điện MSHV: 12180105 Luận văn thạc sĩ Trang 6 Theo một nghiên cứu mới của Viện Reiner Lemoine và Solarpraxis AG của Đức đã phát hiện ra sự kết hợp giữa năng lượng mặt trời và gió sẽ mang lại hiệu quả tốt hơn rất nhiều trong việc tạo ra năng lượng điện ổn định và liên tục.
Lợi ích lớn của việc xây dựng loại nhà máy năng lượng kết hợp này là giảm hệ thống lưới điện, đồng thời các nguồn năng lượng này sẽ bổ sung cho nhau, dẫn đến năng lượng được bơm vào lưới điện ổn định hơn so với các nhà máy năng lượng mặt trời, năng lượng gió được xây dựng riêng. Nghiên cứu đã kiểm tra và chứng minh rằng với cùng một diện tích bề mặt, khi lắp đặt hệ thống quang điện kết hợp với tuabin gió sẽ tạo ra nguồn năng lượng gấp đôi so với việc chỉ lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời và sự che khuất gây ra bởi các tuabin gió chỉ chiếm 1-2% diện tích của hệ thống năng lượng mặt trời (thấp hơn rất nhiều so với suy nghĩ trước đây rằng các tuabin gió sẽ gây ra hiện tượng bóng râm ảnh hưởng lớn đến hệ thống năng lượng mặt trời). Vì vậy, việc nghiên cứu, phân tích các mô hình để ứng dụng lai ghép giữa hai hệ thống phát điện này nhằm đảm bảo nâng cao chất lượng điện năng đáp ứng cho các phụ tải và ứng dụng vào điều kiện thực tế ở nước ta là nội dung nghiên cứu chính của luận văn. Mục đích của đề tài.
Trên cơ sở nghiên cứu, phân tích và tìm hiểu khai thác các điều kiện vận hành tối ưu của nguồn năng lượng mặt trời, hệ thống năng lượng gió và các mô hình lai ghép giữa chúng, luận văn đưa ra những mô hình lai ghép nhằm ứng dụng phù hợp nhất với điều kiện ở nước ta. Và cũng làm cơ sở đưa ra phương án điều khiển cho phù hợp với hệ thống lai ghép giữa các nguồn năng lượng mặt trời, năng lượng gió và lưới điện [1]. Như trình bày ở trên, việc nâng cao hiệu suất của pin mặt trời ngoài phụ thuộc vào công nghệ chế tạo pin còn phụ thuộc vào cách thức vận hành của hệ thống pin mặt trời. Trên các đặc tuyến của pin mặt trời, tồn tại một điểm vận hành tối ưu nơi công suất nhận được từ pin mặt trời là cực đại.
Tuy nhiên điểm vận hành tối ưu này không cố định mà nó thay đổi theo điều kiện môi trường đặc biệt là bức HVTH: Hà Quang Điện MSHV: 12180105 Luận văn thạc sĩ Trang 7 xạ mặt trời và nhiệt độ pin.