Tổng quan nghiên cứu

Năng lượng mặt trời (NLMT) là nguồn năng lượng sạch, vô tận và thân thiện với môi trường, đóng vai trò quan trọng trong bối cảnh cạn kiệt nguồn năng lượng hóa thạch và biến đổi khí hậu toàn cầu. Tại Việt Nam, đặc biệt ở khu vực Nam Bộ và đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL), tiềm năng khai thác NLMT rất lớn với số giờ nắng trung bình từ 2000 đến 2600 giờ/năm và bức xạ mặt trời trung bình khoảng 4,3 – 4,9 kWh/m²/ngày. Ước tính mỗi mét vuông tấm pin mặt trời có thể thu được khoảng 5 kWh điện mỗi ngày. Tuy nhiên, việc ứng dụng và khai thác nguồn năng lượng này vẫn còn hạn chế so với tiềm năng.

Luận văn thạc sĩ với đề tài “Khảo sát và mô phỏng hệ thống điện mặt trời tại Thư viện Khoa Công Nghệ” nhằm mục tiêu nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động và điều khiển của hệ thống điện mặt trời thực tế tại thư viện, đồng thời mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab Simulink sử dụng hai phương pháp dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT) là P&O và P&O mờ thích nghi. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống điện mặt trời công suất 15 kW tại Thư viện Khoa Công Nghệ, Đại học Cần Thơ, với dữ liệu thu thập trong năm 2019.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc đánh giá hiệu quả và tính ổn định của các thuật toán MPPT trong điều kiện thực tế, góp phần nâng cao hiệu suất khai thác năng lượng mặt trời, giảm chi phí vận hành và thúc đẩy phát triển năng lượng tái tạo tại Việt Nam.

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:

  • Hiệu ứng quang điện và cấu tạo pin mặt trời (PMT): PMT hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện trong lớp bán dẫn p-n, tạo ra dòng điện một chiều khi chiếu sáng. Các loại PMT gồm đơn tinh thể, đa tinh thể và phim mỏng, với hiệu suất và chi phí khác nhau.

  • Đặc tính điện áp-dòng điện (U-I) và điểm công suất cực đại (MPP): Điện áp và dòng điện của PMT thay đổi theo cường độ bức xạ và nhiệt độ, điểm MPP là điểm làm việc tối ưu để thu được công suất lớn nhất.

  • Bộ biến đổi DC/DC và DC/AC: Bộ tăng áp DC/DC điều chỉnh điện áp đầu ra của PMT để phù hợp với bộ nghịch lưu DC/AC, chuyển đổi điện một chiều thành điện xoay chiều hòa lưới.

  • Phương pháp dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT): Bao gồm các thuật toán P&O (Perturb and Observe), Incremental Conductance (INC), Fuzzy Logic Controller (FLC) và phương pháp P&O mờ thích nghi. Trong đó, P&O mờ thích nghi kết hợp ưu điểm của P&O và FLC để tăng độ ổn định và hiệu quả dò tìm.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Số liệu cường độ bức xạ mặt trời và công suất thực tế được thu thập tại Thư viện Khoa Công Nghệ, Đại học Cần Thơ, trong khoảng thời gian từ 9h03 đến 9h22 ngày 07/11/2019.

  • Phương pháp phân tích: Mô phỏng hệ thống điện mặt trời công suất 5 kW trên phần mềm Matlab Simulink, sử dụng hai thuật toán MPPT là P&O và P&O mờ thích nghi để so sánh hiệu quả điều khiển. Các thông số kỹ thuật của tấm pin RS-P630-250W và bộ Grid-Tie Solar Inverter 6kWp được sử dụng làm cơ sở mô phỏng.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Hệ thống gồm 60 tấm pin mặt trời, chia làm 3 pha, mỗi pha 20 tấm, mô phỏng tập trung trên một pha với 20 tấm pin. Phương pháp chọn mẫu dựa trên hệ thống thực tế tại thư viện nhằm đảm bảo tính đại diện.

  • Timeline nghiên cứu: Thu thập số liệu và mô phỏng được thực hiện trong năm 2019, với thời gian mô phỏng kéo dài 5 phút cho từng trường hợp thử nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả mô phỏng tại điều kiện tiêu chuẩn: Ở cường độ bức xạ 1000 W/m² và nhiệt độ 25°C, hệ thống mô phỏng đạt công suất cực đại 5000 W, điện áp 296 V và dòng điện 16,9 A. Kết quả này phù hợp với thông số kỹ thuật của hệ thống thực tế.

  2. So sánh công suất thực tế và mô phỏng: Dữ liệu thực tế cho thấy công suất dao động từ 1,12 kW đến 2,12 kW trong khoảng thời gian 9h03 đến 9h22 với cường độ bức xạ từ 200 W/m² đến 417 W/m². Mô phỏng với hai thuật toán MPPT cho kết quả công suất ngõ ra gần sát với công suất thực tế, trong đó phương pháp P&O mờ thích nghi cho độ ổn định và đáp ứng nhanh hơn so với P&O kinh điển.

  3. Ảnh hưởng của cường độ bức xạ và nhiệt độ: Đường đặc tính U-I và P-U của tấm pin thay đổi rõ rệt khi cường độ bức xạ giảm từ 1000 W/m² xuống 400 W/m², dòng ngắn mạch và công suất giảm tương ứng. Nhiệt độ tăng từ 15°C lên 40°C làm giảm điện áp hở mạch và công suất tối đa, ảnh hưởng đến điểm MPP.

  4. Tính ổn định của thuật toán MPPT: Thuật toán P&O mờ thích nghi giảm thiểu dao động điện áp và công suất so với P&O kinh điển, giúp hệ thống vận hành ổn định hơn trong điều kiện biến đổi bức xạ thực tế.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng cho thấy sự phù hợp cao giữa mô hình và dữ liệu thực tế, khẳng định tính khả thi của việc ứng dụng các thuật toán MPPT trong điều khiển hệ thống điện mặt trời. Sự biến đổi của cường độ bức xạ và nhiệt độ là nguyên nhân chính làm thay đổi điểm MPP, do đó việc sử dụng thuật toán MPPT thích nghi là cần thiết để duy trì hiệu suất tối ưu.

So với các nghiên cứu trong ngành, kết quả này tương đồng với các báo cáo về hiệu quả của thuật toán P&O mờ thích nghi trong việc giảm thiểu dao động và tăng độ ổn định. Việc mô phỏng trên Matlab Simulink cung cấp công cụ hữu ích để đánh giá và tối ưu hóa hệ thống trước khi triển khai thực tế.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đường đặc tính U-I, P-U dưới các điều kiện bức xạ và nhiệt độ khác nhau, cũng như bảng so sánh công suất thực tế và mô phỏng theo thời gian, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của từng thuật toán MPPT.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng thuật toán P&O mờ thích nghi trong điều khiển MPPT: Đề nghị các đơn vị vận hành hệ thống điện mặt trời áp dụng thuật toán này để nâng cao độ ổn định và hiệu suất khai thác năng lượng, đặc biệt trong điều kiện biến đổi khí hậu và bức xạ không ổn định.

  2. Mở rộng mô phỏng và thử nghiệm thực tế: Khuyến nghị thực hiện các nghiên cứu mở rộng với các hệ thống công suất lớn hơn và đa dạng điều kiện môi trường nhằm đánh giá toàn diện hiệu quả thuật toán MPPT trong thực tế.

  3. Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ thuật: Tổ chức các khóa đào tạo cho kỹ sư và nhân viên vận hành về các thuật toán điều khiển MPPT và kỹ thuật mô phỏng hệ thống điện mặt trời để nâng cao chất lượng vận hành và bảo trì.

  4. Phát triển phần mềm giám sát và điều khiển thông minh: Đề xuất phát triển hoặc tích hợp các phần mềm giám sát năng lượng có khả năng thu thập dữ liệu thời gian thực và điều chỉnh thuật toán MPPT tự động nhằm tối ưu hóa hiệu suất hệ thống.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật điện và Năng lượng tái tạo: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và thuật toán điều khiển hệ thống điện mặt trời, hỗ trợ học tập và nghiên cứu.

  2. Kỹ sư thiết kế và vận hành hệ thống điện mặt trời: Tài liệu giúp hiểu rõ về các thuật toán MPPT và cách mô phỏng hệ thống, từ đó áp dụng hiệu quả trong thiết kế và vận hành thực tế.

  3. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Cung cấp thông tin về tiềm năng và hiệu quả khai thác năng lượng mặt trời tại Việt Nam, hỗ trợ xây dựng chính sách phát triển năng lượng tái tạo.

  4. Doanh nghiệp và nhà đầu tư trong lĩnh vực năng lượng tái tạo: Giúp đánh giá hiệu quả kỹ thuật và kinh tế của các giải pháp điều khiển hệ thống điện mặt trời, từ đó đưa ra quyết định đầu tư hợp lý.

Câu hỏi thường gặp

  1. MPPT là gì và tại sao cần sử dụng trong hệ thống điện mặt trời?
    MPPT (Maximum Power Point Tracking) là thuật toán giúp tìm điểm công suất cực đại của tấm pin mặt trời để tối ưu hóa lượng điện năng thu được. Do đặc tính của pin thay đổi theo bức xạ và nhiệt độ, MPPT giúp hệ thống vận hành hiệu quả hơn, tránh lãng phí năng lượng.

  2. Phương pháp P&O mờ thích nghi khác gì so với P&O kinh điển?
    P&O mờ thích nghi kết hợp thuật toán P&O với bộ điều khiển logic mờ (FLC), giúp điều chỉnh bước thay đổi điện áp linh hoạt hơn, giảm dao động và tăng độ ổn định khi điều kiện môi trường thay đổi, cải thiện hiệu suất hệ thống.

  3. Tại sao nhiệt độ ảnh hưởng đến hiệu suất pin mặt trời?
    Nhiệt độ cao làm giảm điện áp hở mạch và công suất tối đa của pin mặt trời do ảnh hưởng đến đặc tính bán dẫn, dẫn đến giảm hiệu suất chuyển đổi năng lượng. Vì vậy, quản lý nhiệt độ là yếu tố quan trọng trong thiết kế hệ thống.

  4. Mô phỏng trên Matlab Simulink có ưu điểm gì?
    Matlab Simulink cho phép mô phỏng chi tiết các thành phần và thuật toán điều khiển của hệ thống điện mặt trời, giúp đánh giá hiệu quả và tối ưu hóa thiết kế trước khi triển khai thực tế, tiết kiệm chi phí và thời gian thử nghiệm.

  5. Làm thế nào để nâng cao hiệu quả khai thác năng lượng mặt trời tại Việt Nam?
    Ngoài việc áp dụng các thuật toán MPPT tiên tiến, cần đầu tư phát triển hạ tầng, đào tạo nhân lực, chính sách hỗ trợ phát triển năng lượng tái tạo và nâng cao nhận thức cộng đồng về lợi ích của năng lượng sạch.

Kết luận

  • Luận văn đã khảo sát và mô phỏng thành công hệ thống điện mặt trời công suất 15 kW tại Thư viện Khoa Công Nghệ, Đại học Cần Thơ, sử dụng hai thuật toán MPPT P&O và P&O mờ thích nghi.

  • Kết quả mô phỏng phù hợp với dữ liệu thực tế, xác nhận tính hiệu quả và ổn định của thuật toán P&O mờ thích nghi trong điều kiện biến đổi bức xạ và nhiệt độ.

  • Nghiên cứu góp phần nâng cao hiểu biết về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và điều khiển hệ thống điện mặt trời, hỗ trợ phát triển năng lượng tái tạo tại Việt Nam.

  • Đề xuất áp dụng thuật toán P&O mờ thích nghi trong vận hành thực tế, đồng thời mở rộng nghiên cứu và đào tạo kỹ thuật liên quan.

  • Các bước tiếp theo bao gồm thử nghiệm thực tế mở rộng, phát triển phần mềm giám sát thông minh và nâng cao năng lực kỹ thuật cho đội ngũ vận hành.

Hành động ngay: Các đơn vị nghiên cứu và vận hành hệ thống điện mặt trời nên áp dụng kết quả nghiên cứu để tối ưu hóa hiệu suất và thúc đẩy phát triển bền vững năng lượng tái tạo tại Việt Nam.