Luận văn Thạc sĩ: Hệ thống bơm nước cấp nguồn từ pin mặt trời - Mai Thế Cường

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu hệ thống bơm nước cấp nguồn từ pin mặt trời, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn thiện trong lĩnh vực .

• Tác giả: Mai Thế Cường
• Người hướng dẫn: PGS. Phan Quốc Dũng
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Hệ thống bơm nước cấp nguồn từ pin mặt trời
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC HÌNH
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu
• 1.2. Mục đích của đề tài
• 1.3. Giới hạn của đề tài
• 1.4. Nội dung đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN CHỌN CÔNG SUẤT BƠM VÀ CÔNG SUẤT PIN
• 2.1. Trình tự tính toán
• 2.2. Chọn công suất bơm
• 2.3. Chọn công suất pin quang điện
• 2.4. Kiểm tra công suất bơm và công suất pin quang điện
• 3. CHƯƠNG 3: BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC VÀ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI MPPT
• 3.1. Bộ biến đổi DC - DC
• 3.1.1. Khảo sát bộ biến đổi DC - DC
• 3.1.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động mạch Boost
• 3.1.3. Tính toán bộ biến đổi Boost
• 3.1.4. Điều khiển bộ biến đổi DC/DC
• 3.2. Giải thuật điều khiển công suất cực đại MPPT
• 3.2.1. Thuật toán bám điểm công suất cực đại P&O điều khiển trực tiếp D
• 3.3. Mô phỏng bộ biến đổi Boost kèm giải thuật MPPT
• 3.3.1. Mô phỏng hệ thống pin quang điện và bộ biến đổi Boost
• 3.3.2. Mô phỏng hệ thống pin quang điện và bộ biến đổi Boost có sử dụng thuật toán MPPT
• 4. CHƯƠNG 4: BỘ NGHỊCH LƯU DC-AC VÀ LỰA CHỌN MẠCH INVERTER
• 4.1. Động cơ không đồng bộ một pha và bơm ly tâm
• 4.1.1. Động cơ không đồng bộ một pha
• 4.2. Các phương pháp điều khiển
• 4.2.1. Lựa chọn phương pháp điều khiển
• 4.2.2. Phương pháp điều khiển V/f
• 4.2.3. Phương pháp điều rộng xung SPWM
• 4.2.4. Cách thức điều khiển động cơ
• 4.3. Mô phỏng và lựa chọn cấu hình inverter
• 4.3.1. Mô phỏng hệ thống ở tần số 50Hz
• 4.3.2. Kết quả mô phỏng tại tần số 35 Hz
• 4.3.3. Nhận xét
• 5. CHƯƠNG 5: MÔ PHÓNG CẤU HÌNH TOÀN HỆ THỐNG
• 5.1. Mô phỏng hệ thống
• 5.1.1. Mô phỏng hệ thống khi ta thay đổi cường độ chiếu nắng
• 5.1.2. Mô phỏng hệ thống khi ta thay đổi nhiệt độ chiếu nắng
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 6.1. Kết luận
• 6.2. Các nội dung chưa thực hiện được
• 6.3. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHÁO

Tóm tắt

I. Tổng quan hệ thống bơm nước cấp nguồn từ pin mặt trời 2023

Trong bối cảnh khủng hoảng năng lượng và nước toàn cầu, việc tìm kiếm các giải pháp bền vững cho sản xuất nông nghiệp trở nên cấp thiết. Luận văn thạc sĩ về hệ thống bơm nước cấp nguồn từ pin mặt trời ra đời như một giải pháp tiên phong, giải quyết đồng thời hai bài toán lớn: cung cấp nước tưới tiêu và phát triển năng lượng sạch. Nghiên cứu này tập trung vào việc khai thác năng lượng mặt trời, một nguồn tài nguyên vô tận và miễn phí tại Việt Nam, để vận hành máy bơm nước. Điểm cốt lõi của đề tài là xây dựng một hệ thống độc lập, không sử dụng ắc quy lưu trữ, nhằm giảm chi phí đầu tư, hạn chế ô nhiễm môi trường và đơn giản hóa việc bảo trì. Thay vào đó, năng lượng được chuyển hóa trực tiếp để bơm nước lên bồn chứa, tích trữ dưới dạng thế năng. Luận văn đi sâu vào việc phân tích, tính toán và mô phỏng toàn bộ cấu hình, từ việc chọn công suất bơm, thiết kế tấm pin quang điện (PV), đến việc tối ưu hóa các bộ biến đổi công suất. Cách tiếp cận này không chỉ mang lại hiệu quả kinh tế cao mà còn thúc đẩy ứng dụng rộng rãi công nghệ năng lượng tái tạo trong đời sống và sản xuất, đặc biệt là tại các khu vực vùng sâu, vùng xa, nơi lưới điện quốc gia chưa thể vươn tới. Toàn bộ nghiên cứu cung cấp một cái nhìn chi tiết và khoa học, từ lý thuyết cơ bản đến mô phỏng thực tiễn, mở ra hướng đi mới cho các hệ thống bơm nước năng lượng mặt trời hiệu quả và thân thiện với môi trường.

1.1. Bối cảnh nghiên cứu năng lượng tái tạo và nông nghiệp

Năng lượng và nước là hai yếu tố sống còn của nền nông nghiệp hiện đại. Tuy nhiên, các nguồn năng lượng truyền thống như nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt và gây ra những tác động tiêu cực đến môi trường. Điều này thúc đẩy các quốc gia, bao gồm cả Việt Nam, chuyển dịch mạnh mẽ sang năng lượng tái tạo. Năng lượng mặt trời nổi lên như một lựa chọn ưu việt nhờ tính bền vững, sạch và chi phí vận hành gần như bằng không. Việt Nam, với tiềm năng bức xạ mặt trời lớn (trung bình 4-5 kWh/m²/ngày), có điều kiện lý tưởng để phát triển công nghệ này. Việc ứng dụng pin quang điện để vận hành máy bơm nước trong nông nghiệp không chỉ giúp giảm phụ thuộc vào điện lưới hay máy phát diesel mà còn góp phần bảo vệ môi trường, giảm phát thải khí nhà kính. Đề tài này ra đời để đáp ứng nhu cầu thực tiễn đó.

1.2. Mục tiêu và giới hạn của đề tài nghiên cứu chuyên sâu

Mục tiêu chính của luận văn là xây dựng một quy trình hoàn chỉnh để thiết kế và mô phỏng một hệ thống bơm nước cấp nguồn từ pin mặt trời không dùng ắc quy. Cụ thể, nghiên cứu tập trung vào: (1) Tính toán công suất bơm và công suất pin quang điện phù hợp với nhu cầu sử dụng thực tế; (2) Lựa chọn và mô phỏng bộ biến đổi DC-DC kết hợp thuật toán MPPT để tối ưu hóa công suất thu được; (3) Thiết kế bộ nghịch lưu DC-AC để điều khiển động cơ không đồng bộ một pha, một loại động cơ phổ biến và giá rẻ. Đề tài giới hạn trong phạm vi thiết kế, tính toán và kiểm chứng thông qua phần mềm mô phỏng Matlab/Simulink. Các kết quả mô phỏng sẽ là cơ sở để đánh giá tính khả thi và hiệu quả của cấu hình đề xuất trước khi triển khai trong thực tế, tập trung vào các ứng dụng quy mô nhỏ và vừa cho các trang trại hoặc khu dân cư vùng sâu.

II. Thách thức khi thiết kế hệ thống bơm nước năng lượng mặt trời

Việc thiết kế một hệ thống bơm nước cấp nguồn từ pin mặt trời hiệu quả đối mặt với nhiều thách thức kỹ thuật và kinh tế. Thách thức lớn nhất là sự phụ thuộc vào điều kiện thời tiết. Cường độ bức xạ mặt trời thay đổi liên tục trong ngày và theo mùa, dẫn đến công suất phát ra từ pin quang điện không ổn định. Điều này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và lưu lượng của máy bơm. Một hệ thống không được tối ưu hóa sẽ hoạt động kém hiệu quả vào những lúc nắng yếu, không đáp ứng đủ nhu cầu nước. Thêm vào đó, đặc tính dòng-áp (I-V) của pin PV là phi tuyến, đòi hỏi phải có các giải thuật điều khiển thông minh để hệ thống luôn hoạt động tại điểm công suất cực đại (MPP). Ngoài ra, bài toán chi phí đầu tư ban đầu cũng là một rào cản. Mặc dù chi phí vận hành thấp, giá thành của các tấm pin mặt trời và thiết bị điện tử công suất vẫn còn tương đối cao. Việc lựa chọn kích thước hệ thống không phù hợp, hoặc quá lớn hoặc quá nhỏ, đều dẫn đến lãng phí kinh tế. Đặc biệt, các giải pháp truyền thống sử dụng ắc quy để lưu trữ năng lượng tuy giải quyết được vấn đề ổn định nhưng lại làm tăng chi phí, yêu cầu bảo trì thường xuyên và tiềm ẩn nguy cơ gây ô nhiễm môi trường sau khi thải bỏ. Do đó, việc nghiên cứu một cấu hình không ắc quy, chi phí hợp lý và hiệu suất cao là mục tiêu trọng tâm.

2.1. Vấn đề phụ thuộc thời tiết và hiệu suất pin quang điện

Hiệu suất của pin quang điện bị ảnh hưởng trực tiếp bởi hai yếu tố chính: cường độ chiếu sáng và nhiệt độ. Khi cường độ chiếu sáng giảm, dòng điện do pin tạo ra sẽ giảm mạnh, kéo theo công suất sụt giảm. Ngược lại, khi nhiệt độ của tấm pin tăng cao (thường xảy ra vào giữa trưa nắng gắt), điện áp hở mạch sẽ giảm, làm giảm hiệu suất chuyển đổi năng lượng. Sự biến thiên không thể đoán trước này đòi hỏi hệ thống phải có khả năng thích ứng linh hoạt. Nếu không có cơ chế điều khiển phù hợp, điểm làm việc của hệ thống sẽ trượt khỏi điểm công suất tối ưu, gây lãng phí một lượng lớn năng lượng tiềm năng. Đây là lý do tại sao việc tích hợp thuật toán MPPT vào bộ điều khiển là cực kỳ quan trọng.

2.2. Hạn chế của hệ thống lưu trữ ắc quy và chi phí đầu tư

Các hệ thống bơm nước năng lượng mặt trời truyền thống thường sử dụng ắc quy axit-chì để lưu trữ năng lượng, đảm bảo máy bơm có thể hoạt động khi không có nắng. Tuy nhiên, giải pháp này có nhiều nhược điểm. Tuổi thọ của ắc quy (thường từ 3-5 năm) ngắn hơn nhiều so với tuổi thọ của tấm pin (trên 20 năm), đòi hỏi phải thay thế định kỳ và làm tăng tổng chi phí sở hữu. Hơn nữa, quá trình sản xuất và thải bỏ ắc quy chứa chì và axit gây ô nhiễm nghiêm trọng cho môi trường. Luận văn này đề xuất giải pháp thay thế bằng cách loại bỏ hoàn toàn ắc quy. Năng lượng được sử dụng trực tiếp hoặc được "lưu trữ" dưới dạng thế năng bằng cách bơm nước lên bồn chứa. Cách tiếp cận này giúp giảm đáng kể chi phí đầu tư ban đầu, loại bỏ chi phí bảo trì và thay thế ắc quy, đồng thời là một giải pháp thân thiện hơn với môi trường.

III. Hướng dẫn tính toán công suất bơm và pin mặt trời tối ưu

Để xây dựng một hệ thống bơm nước cấp nguồn từ pin mặt trời hiệu quả và kinh tế, bước đầu tiên và quan trọng nhất là tính toán chính xác công suất các thành phần. Luận văn đã xây dựng một trình tự tính toán chi tiết, bắt đầu từ việc xác định nhu cầu sử dụng thực tế. Quá trình này không chỉ đơn thuần là chọn một máy bơm và các tấm pin có công suất tương ứng, mà phải xem xét đến nhiều yếu tố như lưu lượng nước yêu cầu hàng ngày (m³/ngày), tổng cột áp (chiều cao bơm và tổn thất đường ống), và số giờ nắng trung bình tại địa điểm lắp đặt. Một phương pháp tính toán khoa học sẽ giúp tối ưu hóa kích thước hệ thống, tránh tình trạng đầu tư quá mức gây lãng phí hoặc đầu tư không đủ dẫn đến không đáp ứng được nhu cầu. Luận văn trình bày một trường hợp nghiên cứu cụ thể với nhu cầu nước là 30 m³/ngày và chiều cao bơm 12m. Dựa trên các thông số này, công suất cơ năng cần thiết cho bơm được xác định, từ đó lựa chọn được loại bơm ly tâm và động cơ không đồng bộ một pha phù hợp trên thị trường. Tiếp theo, công suất đỉnh của giàn pin quang điện được tính toán để đảm bảo cung cấp đủ năng lượng cho máy bơm hoạt động ổn định trong những giờ nắng cao điểm. Cuối cùng, hệ thống được kiểm tra lại bằng cách sử dụng dữ liệu cường độ chiếu sáng thực tế theo từng giờ trong ngày để xác nhận rằng lưu lượng nước bơm được mỗi ngày đáp ứng hoặc vượt qua yêu cầu đặt ra.

3.1. Quy trình xác định công suất bơm dựa trên nhu cầu thực tế

Việc lựa chọn công suất bơm bắt đầu bằng việc xác định hai thông số đầu vào chính: lưu lượng nước yêu cầu (Q, đơn vị m³/ngày) và tổng cột áp làm việc (H, đơn vị mét). Dựa trên công thức P = (ρ * g * H * Q) / η, công suất cơ năng cần thiết của bơm được tính toán, trong đó ρ là khối lượng riêng của nước, g là gia tốc trọng trường, và η là hiệu suất của cụm bơm-động cơ. Luận văn giả định nhu cầu bơm chủ yếu diễn ra trong khoảng 6 giờ nắng hiệu quả mỗi ngày. Đối với ví dụ Q = 30 m³/ngày và H = 12m, công suất bơm ước tính là 953W. Từ đó, một máy bơm thương mại có công suất 1.5HP (1100W) như Super Win SP-1100 được lựa chọn. Việc chọn công suất lớn hơn một chút so với tính toán giúp hệ thống có dự phòng và hoạt động ổn định hơn.

3.2. Phương pháp lựa chọn công suất pin quang điện phù hợp

Sau khi xác định công suất bơm là 1100W, công suất của giàn pin quang điện cần được lựa chọn để đáp ứng nhu cầu này, có tính đến các tổn thất trong hệ thống. Luận văn đề xuất chọn tổng công suất pin lớn hơn công suất bơm khoảng 10-20%. Cụ thể, hệ thống được thiết kế với tổng công suất pin là 1250W. Cấu hình này được tạo thành bằng cách ghép nối tiếp 5 tấm pin Bosch Solar Energy c-Si M60 có công suất 250W mỗi tấm. Việc mắc nối tiếp giúp tăng điện áp tổng của giàn pin, phù hợp với yêu cầu điện áp đầu vào của các bộ biến đổi công suất. Các đặc tuyến I-V và P-V của giàn pin này được mô phỏng trong Matlab/Simulink để xác nhận rằng tại điều kiện tiêu chuẩn (1000 W/m², 25°C), công suất cực đại đạt được là 1112W, đủ để cấp cho máy bơm 1100W.

IV. Bí quyết tối ưu công suất với bộ biến đổi DC DC và MPPT

Để khai thác tối đa năng lượng từ pin quang điện và cung cấp cho động cơ bơm một cách hiệu quả, các bộ biến đổi công suất đóng vai trò trung tâm trong hệ thống bơm nước cấp nguồn từ pin mặt trời. Luận văn tập trung vào hai thành phần chính: bộ biến đổi DC-DC và giải thuật điều khiển công suất cực đại (MPPT). Bộ biến đổi DC-DC có nhiệm vụ điều chỉnh điện áp một chiều từ giàn pin sao cho phù hợp với yêu cầu của tải, đồng thời là công cụ để thực thi giải thuật MPPT. Trong nghiên cứu này, bộ biến đổi Boost (tăng áp) được lựa chọn vì nó có khả năng nâng điện áp đầu ra lên mức cao hơn điện áp đầu vào, phù hợp để cấp cho bộ nghịch lưu DC-AC vốn yêu cầu một mức điện áp DC ổn định và đủ lớn (khoảng 310V). Quan trọng hơn, bộ biến đổi Boost cho phép hệ thống tìm kiếm điểm làm việc tối ưu ngay cả khi cường độ chiếu sáng yếu. Để đảm bảo hệ thống luôn hoạt động tại điểm công suất cực đại (MPP) bất chấp sự thay đổi của điều kiện môi trường, thuật toán MPPT được tích hợp. Luận văn đã phân tích và lựa chọn giải thuật "Nhiễu loạn và Quan sát" (Perturbation and Observation - P&O) vì tính đơn giản, dễ triển khai và hiệu suất cao. Giải thuật này liên tục điều chỉnh chu kỳ đóng cắt (duty cycle) của khóa điện tử trong bộ biến đổi Boost để "dò tìm" điểm MPP trên đặc tuyến công suất của pin mặt trời.

4.1. Lựa chọn và thiết kế bộ biến đổi Boost cho hệ thống bơm

Lựa chọn bộ biến đổi Boost là một quyết định kỹ thuật hợp lý. Điện áp ra của giàn pin (khoảng 151V tại MPP) cần được nâng lên khoảng 310V DC để cấp cho bộ nghịch lưu. Mạch Boost thực hiện chức năng này một cách hiệu quả. Luận văn trình bày chi tiết quá trình tính toán các linh kiện chính cho mạch Boost, bao gồm cuộn cảm (L), tụ điện (C), khóa chuyển mạch (MOSFET) và diode. Các giá trị được tính toán dựa trên các thông số như điện áp vào/ra, công suất hệ thống, tần số đóng cắt mong muốn (50kHz) và độ gợn sóng cho phép của dòng điện và điện áp. Việc thiết kế chính xác các thành phần này đảm bảo bộ biến đổi hoạt động ổn định, hiệu suất cao và tổn thất năng lượng thấp, góp phần nâng cao hiệu quả chung của toàn bộ hệ thống bơm nước năng lượng mặt trời.

4.2. Phân tích thuật toán MPPT P O để tối đa hóa năng lượng

Thuật toán MPPT theo phương pháp P&O hoạt động dựa trên một nguyên lý đơn giản: nó tạo ra một sự thay đổi nhỏ (nhiễu loạn) trong điện áp hoạt động của giàn pin bằng cách thay đổi chu kỳ nhiệm vụ D của bộ Boost, sau đó quan sát sự thay đổi của công suất. Nếu công suất tăng, thuật toán sẽ tiếp tục thay đổi theo cùng một hướng. Nếu công suất giảm, nó sẽ đảo ngược hướng thay đổi. Quá trình này được lặp lại liên tục, giúp điểm làm việc của hệ thống luôn dao động quanh điểm công suất cực đại (MPP). Luận văn đã xây dựng lưu đồ thuật toán chi tiết và mô phỏng hoạt động của nó trong Matlab/Simulink. Kết quả cho thấy giải thuật P&O có khả năng bám theo điểm MPP một cách nhanh chóng và chính xác khi cường độ chiếu sáng thay đổi, giúp tối đa hóa lượng năng lượng thu được từ pin quang điện.

V. Kết quả mô phỏng hệ thống bơm nước từ pin mặt trời thực tế

Để kiểm chứng tính đúng đắn của các tính toán lý thuyết và thiết kế, luận văn đã tiến hành mô phỏng toàn bộ hệ thống bơm nước cấp nguồn từ pin mặt trời bằng phần mềm Matlab/Simulink. Mô hình mô phỏng bao gồm tất cả các khối chức năng chính: giàn pin quang điện, bộ biến đổi Boost tích hợp thuật toán MPPT P&O, bộ nghịch lưu DC-AC và mô hình động cơ không đồng bộ một pha kéo tải là bơm ly tâm. Việc mô phỏng cho phép đánh giá hoạt động của hệ thống trong các điều kiện vận hành khác nhau, đặc biệt là khi cường độ chiếu sáng và nhiệt độ thay đổi. Kết quả mô phỏng đã chứng minh hiệu quả vượt trội của việc sử dụng thuật toán MPPT. Khi không có MPPT, hiệu suất của hệ thống chỉ đạt mức khá và không ổn định khi điều kiện nắng thay đổi. Ngược lại, khi tích hợp MPPT, hệ thống có khả năng bám sát điểm công suất cực đại của giàn pin, với hiệu suất chuyển đổi luôn duy trì ở mức rất cao (trên 96-99%). Các dạng sóng điện áp, dòng điện tại các điểm khác nhau trong hệ thống được phân tích chi tiết, cho thấy sự hoạt động ổn định và chính xác của các bộ biến đổi công suất. Đặc biệt, mô phỏng đã xác nhận rằng cấu hình đề xuất có thể cung cấp đủ năng lượng để động cơ khởi động và vận hành ổn định, đáp ứng được yêu cầu về lưu lượng và cột áp đã đặt ra trong bài toán thiết kế ban đầu.

5.1. Phân tích hoạt động của bộ biến đổi Boost và thuật toán MPPT

Kết quả mô phỏng cho thấy rõ vai trò của bộ biến đổi Boost và thuật toán MPPT. Khi cường độ chiếu sáng thay đổi đột ngột (ví dụ từ 1000 W/m² xuống 800 W/m²), thuật toán MPPT nhanh chóng tính toán và điều chỉnh lại chu kỳ nhiệm vụ D. Điều này giúp điện áp đầu vào của bộ Boost (tức điện áp làm việc của giàn pin) được duy trì ở gần giá trị tối ưu, đảm bảo công suất thu được là lớn nhất có thể. Trong khi đó, điện áp đầu ra của bộ Boost được giữ tương đối ổn định ở mức cần thiết cho bộ nghịch lưu. So sánh giữa hệ thống có và không có MPPT cho thấy công suất thu được khi có MPPT luôn cao hơn đáng kể, đặc biệt trong điều kiện chiếu sáng không lý tưởng. Hiệu suất hệ thống đo được trong mô phỏng khi có MPPT đạt tới 99%, khẳng định tính hiệu quả của giải pháp.

5.2. Đánh giá hiệu suất toàn hệ thống bơm nước năng lượng mặt trời

Hiệu suất toàn hệ thống được đánh giá dựa trên khả năng đáp ứng nhu cầu nước thực tế. Bằng cách sử dụng dữ liệu cường độ chiếu sáng theo từng giờ trong ngày tại một địa điểm cụ thể, mô hình đã tính toán được tổng lưu lượng nước mà hệ thống có thể bơm được trong một ngày. Kết quả cho thấy, ngay cả trong những tháng có cường độ chiếu sáng thấp hơn, tổng lưu lượng nước hàng ngày vẫn vượt xa mức yêu cầu là 30 m³/ngày. Cụ thể, trong tháng 1, hệ thống có thể cung cấp tới 42.21 m³/ngày. Điều này chứng tỏ rằng việc tính toán công suất bơm và công suất pin ban đầu là hoàn toàn hợp lý và có độ dự phòng an toàn. Mô phỏng cũng cho thấy tốc độ động cơ và lưu lượng bơm thay đổi linh hoạt theo công suất mặt trời, một đặc tính quan trọng của hệ thống bơm nước năng lượng mặt trời không dùng ắc quy.

VI. Tương lai của hệ thống bơm nước năng lượng mặt trời tại VN

Luận văn thạc sĩ về hệ thống bơm nước cấp nguồn từ pin mặt trời không chỉ là một công trình nghiên cứu học thuật mà còn mở ra những định hướng phát triển đầy tiềm năng. Các kết quả tính toán và mô phỏng đã khẳng định tính khả thi và hiệu quả cao của mô hình hệ thống không sử dụng ắc quy, điều khiển bằng các giải thuật thông minh. Đây là một giải pháp lý tưởng cho nông nghiệp và sinh hoạt tại Việt Nam, đặc biệt là ở những vùng chưa có điện lưới, các trang trại, hoặc những nơi cần một giải pháp tưới tiêu tự động và bền vững. Việc loại bỏ ắc quy giúp giảm chi phí đầu tư và vận hành, đồng thời giải quyết bài toán ô nhiễm môi trường, phù hợp với xu hướng phát triển xanh của quốc gia. Trong tương lai, khi giá thành của pin quang điện và các linh kiện bán dẫn công suất tiếp tục giảm, các hệ thống này sẽ trở nên dễ tiếp cận hơn với người nông dân. Hướng phát triển tiếp theo của đề tài có thể tập trung vào việc thi công mô hình thực tế để kiểm chứng kết quả mô phỏng, nghiên cứu các giải thuật điều khiển tiên tiến hơn như FOC (Field-Oriented Control) để cải thiện hiệu suất động cơ, hoặc tích hợp các công nghệ IoT (Internet of Things) để giám sát và điều khiển hệ thống từ xa. Sự kết hợp giữa năng lượng mặt trời và nông nghiệp công nghệ cao hứa hẹn sẽ tạo ra một cuộc cách mạng trong sản xuất, góp phần đảm bảo an ninh lương thực và phát triển kinh tế bền vững.

6.1. Kết luận chính từ kết quả nghiên cứu luận văn thạc sĩ

Nghiên cứu đã thành công trong việc xây dựng một quy trình thiết kế hoàn chỉnh cho hệ thống bơm nước năng lượng mặt trời. Các kết luận chính bao gồm: (1) Cấu hình không sử dụng ắc quy, lưu trữ năng lượng dưới dạng thế năng nước là hoàn toàn khả thi và hiệu quả về mặt kinh tế-kỹ thuật. (2) Việc áp dụng bộ biến đổi Boost kết hợp thuật toán MPPT P&O cho phép khai thác tối đa công suất từ giàn pin với hiệu suất rất cao (trên 96%). (3) Việc sử dụng động cơ không đồng bộ một pha là một lựa chọn hợp lý do giá thành rẻ, độ bền cao và phổ biến trên thị trường. Các kết quả mô phỏng đã xác thực tất cả các tính toán và lựa chọn thiết kế, cho thấy hệ thống hoạt động ổn định và đáp ứng tốt yêu cầu đặt ra.

6.2. Hướng phát triển và tiềm năng ứng dụng trong nông nghiệp

Tiềm năng ứng dụng của hệ thống bơm nước cấp nguồn từ pin mặt trời là rất lớn. Hệ thống này có thể được triển khai cho các mục đích tưới tiêu tự động cho cây trồng, cấp nước sinh hoạt cho các khu dân cư biệt lập, hoặc cung cấp nước cho chăn nuôi gia súc tại các trang trại. Hướng phát triển trong tương lai bao gồm việc tối ưu hóa chi phí hơn nữa bằng cách sử dụng các vật liệu và công nghệ mới, phát triển các bộ điều khiển tích hợp (all-in-one) để đơn giản hóa việc lắp đặt. Ngoài ra, việc nghiên cứu các mô hình kết hợp với lưới điện (grid-tied) hoặc máy phát dự phòng cũng là một hướng đi tiềm năng, giúp tăng cường độ tin cậy và linh hoạt cho hệ thống, đáp ứng nhu cầu ngày càng đa dạng của nền nông nghiệp hiện đại Việt Nam.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu năng lượng tái tạo trên toàn cầu đang ghi nhận mức tăng trưởng vượt bậc với tỷ lệ hàng năm đạt trên 40%, phản ánh sự dịch chuyển mạnh mẽ từ nhiên liệu hóa thạch sang các nguồn năng lượng bền vững. Tại Việt Nam, nguồn tài nguyên bức xạ mặt trời vô cùng phong phú với cường độ bức xạ trung bình đạt khoảng 5 kWh/m²/ngày tại khu vực miền Nam, miền Trung và khoảng 4 kWh/m²/ngày tại các tỉnh miền Bắc. Đây là điều kiện lý tưởng để triển khai các công nghệ quang điện phục vụ sản xuất nông nghiệp và đời sống dân sinh, đặc biệt là hệ thống bơm nước tưới tiêu.

Vấn đề cốt lõi mà các hệ thống bơm năng lượng mặt trời truyền thống gặp phải là sự phụ thuộc vào bộ lưu trữ ắc quy acid-chì. Ắc quy chiếm tỷ trọng lớn trong tổng vốn đầu tư ban đầu nhưng tuổi thọ chỉ kéo dài khoảng 3 đến 5 năm, quá ngắn so với vòng đời hơn 20 năm của tấm pin quang điện. Đồng thời, việc sản xuất và thải bỏ ắc quy gây ra nguy cơ ô nhiễm môi trường nghiêm trọng do hàm lượng chì và acid cao.

Mục tiêu cụ thể của công trình là nghiên cứu, tính toán và thiết kế cấu hình hệ thống bơm nước trực tiếp từ pin mặt trời không sử dụng bình ắc quy lưu trữ, áp dụng cho động cơ không đồng bộ một pha công suất 1.1 kW (1.5 HP). Hệ thống giải quyết bài toán cấp nước với lưu lượng tối thiểu 30 m³/ngày ở cột áp 12 m cho khu vực trang trại nông thôn. Thay vì tích trữ hóa năng trong ắc quy, hệ thống chuyển hóa quang năng thành cơ năng để bơm nước lên bồn chứa trên cao, tích trữ năng lượng dưới dạng thế năng nước. Giải pháp này giúp cắt giảm hoàn toàn chi phí bảo trì ắc quy định kỳ, nâng cao độ bền tổng thể, rút ngắn thời gian hoàn vốn đầu tư và tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng sạch.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết quang điện, điện tử công suất và nguyên lý điều khiển máy điện xoay chiều.

Thứ nhất, mô hình toán học của tế bào quang điện (PV cell) được mô tả qua phương trình đặc tuyến dòng - áp phi tuyến, trong đó dòng điện đầu ra phụ thuộc trực tiếp vào cường độ bức xạ mặt trời và điện áp hở mạch bị chi phối bởi nhiệt độ làm việc của tấm pin.

Thứ hai, lý thuyết chuyển đổi điện áp một chiều thông qua mạch tăng áp Boost Converter với tần số đóng cắt 50 kHz. Mạch vận hành dựa trên nguyên lý tích lũy và giải phóng năng lượng của cuộn cảm kết hợp tụ lọc đầu ra, cho phép nâng điện áp một chiều từ dàn pin lên mức điện áp một chiều danh định 310 V để cấp nguồn cho tầng nghịch lưu.

Thứ ba, thuật toán bám điểm công suất cực đại (MPPT) theo phương pháp nhiễu loạn và quan sát (P&O) điều khiển trực tiếp chu kỳ nhiệm vụ D. Thuật toán liên tục đo đạc giá trị điện áp và dòng điện tức thời, tính toán độ biến thiên công suất dP/dV để hiệu chỉnh chu kỳ đóng mở van bán dẫn, đảm bảo dàn pin luôn phát công suất cực đại tại mọi điều kiện thời tiết.

Thứ tư, nguyên lý điều khiển nghịch lưu nguồn áp một pha sử dụng kỹ thuật điều chế độ rộng xung sin (SPWM) kết hợp phương pháp điều khiển tỷ số điện áp trên tần số (V/f) không đổi trong dải tần số từ 35 Hz đến 50 Hz, giúp động cơ không đồng bộ một pha vận hành ổn định và tối ưu hóa mô-men tải của bơm ly tâm.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu bức xạ mặt trời thực tế thu thập từ cơ sở dữ liệu vệ tinh khí tượng NASA trong 12 tháng tại tọa độ khu vực miền Nam Việt Nam. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 288 điểm đo bức xạ đại diện cho 24 khung giờ trong ngày xuyên suốt cả năm, với cường độ chiếu sáng cực đại đo được trong khoảng 690 W/m² đến 738 W/m² vào thời điểm từ 11 giờ đến 13 giờ.

Phương pháp chọn mẫu thông số phần cứng được tiến hành thông qua việc khảo sát chuỗi 5 tấm pin quang điện đơn tinh thể Bosch M60 NA42117 mắc nối tiếp, mỗi tấm có công suất định mức 245 W, tạo nên dàn pin tổng công suất 1225 W. Đối tượng tải là động cơ bơm ly tâm Super Win SP-1100 công suất 1.1 kW, cột áp tối đa 25 m và lưu lượng định mức 14 m³/giờ.

Phương pháp phân tích chính là mô phỏng số học trên nền tảng phần mềm chuyên dụng Matlab/Simulink. Lý do lựa chọn phương pháp này là khả năng mô hình hóa chính xác các quá trình quá độ, phi tuyến tính của dàn pin quang điện, mạch biến đổi công suất và phản ứng cơ - điện của động cơ bơm khi bức xạ thay đổi đột ngột từ 1000 W/m² xuống 800 W/m² và tăng lên 900 W/m². Tiến trình nghiên cứu được triển khai chặt chẽ từ khâu giải tích toán học, lựa chọn thông số linh kiện (cuộn cảm 7.875 mH, tụ điện 6.3 µF, van MOSFET IRF460N) đến kiểm chứng mô phỏng toàn hệ thống.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và tính toán giải tích đã mang lại nhiều phát hiện kỹ thuật quan trọng:

Thứ nhất, hệ thống đảm bảo vượt mức yêu cầu cấp nước đề ra ban đầu. Với mục tiêu thiết kế là 30 m³/ngày ở cột áp 12 m, kết quả tính toán theo dữ liệu bức xạ thực tế cho thấy tổng lưu lượng nước bơm được trong một ngày điển hình của tháng 1 đạt 42.21 m³/ngày, vượt 40.7% so với chỉ tiêu tối thiểu. Xét trên 12 tháng trong năm, lưu lượng nước bơm dao động ổn định trong khoảng 38.5 m³/ngày đến 45.2 m³/ngày.

Thứ hai, bộ biến đổi Boost tích hợp thuật toán MPPT P&O thể hiện khả năng thích ứng cao khi bức xạ biến thiên liên tục. Khi cường độ chiếu sáng thay đổi từ 1000 W/m² (điện áp vào 144.1 V) xuống 800 W/m² (điện áp vào 129.6 V) và phục hồi về 900 W/m² (điện áp vào 138.5 V), bộ biến đổi vẫn duy trì điện áp đầu ra ở mức 257 V đến 286 V và đạt xấp xỉ 310 V ở công suất đỉnh.

Thứ ba, hiệu suất chuyển đổi công suất của hệ thống pin mặt trời qua bộ biến đổi DC-DC đạt mức rất cao, dao động từ 96% đến 99% tại các mức bức xạ khác nhau (đạt 97% tại 1000 W/m² với công suất 1083 W, đạt 96% tại 800 W/m² với công suất 875.6 W, và đạt 99% tại 900 W/m² với công suất 1001 W).

Thứ tư, phương pháp điều khiển V/f cho phép điều chỉnh tốc độ động cơ linh hoạt theo công suất pin trong dải tần số 35 Hz đến 50 Hz, hạn chế hiện tượng sụt áp và ngăn chặn dòng khởi động quá mức gây ngắt hệ thống.

Thảo luận kết quả

Kết quả đạt được chứng minh tính khả thi vượt trội của giải pháp lưu trữ năng lượng bằng bồn nước thay vì bình ắc quy điện hóa. Việc loại bỏ ắc quy giúp loại bỏ hoàn toàn tổn thất năng lượng do quá trình nạp - xả hóa học (thường làm tiêu hao khoảng 15% đến 20% tổng năng lượng), đồng thời giảm chi phí bảo dưỡng định kỳ về mức 0 đồng.

Khi so sánh với các nghiên cứu sử dụng thuật toán điện dẫn gia tăng (INC) hoặc điều khiển định hướng từ trường (FOC), thuật toán P&O điều khiển trực tiếp chu kỳ D tuy có cấu trúc thuật toán đơn giản hơn nhưng vẫn đảm bảo hiệu suất bám điểm cực đại trên 96%. Điều này mang ý nghĩa thực tiễn to lớn vì giúp giảm tải khối lượng tính toán cho các vi điều khiển nhúng giá rẻ, từ đó hạ giá thành sản xuất tủ điều khiển công nghiệp.

Dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan qua các đồ thị phân bố cường độ bức xạ hình chuông theo giờ và bảng tổng hợp lưu lượng 12 tháng. Đồ thị cho thấy năng lượng hữu ích tập trung chủ yếu trong khung giờ từ 9 giờ đến 15 giờ (khoảng 6 tiếng mỗi ngày). Máy bơm vận hành đạt hiệu suất tối đa 100% vào giữa trưa khi bức xạ đạt đỉnh trên 700 W/m², đảm bảo bơm đầy bồn chứa dung tích lớn để phục vụ nhu cầu sử dụng nước vào ban đêm hoặc những thời điểm không có nắng.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết luận kỹ thuật của luận văn, bốn giải pháp trọng tâm được khuyến nghị nhằm ứng dụng và hoàn thiện hệ thống:

Một là, triển khai ứng dụng thực tế cấu hình bơm nước trực tiếp không ắc quy tại các nông trại, vườn cây ăn trái và trang trại chăn nuôi. Đơn vị thực hiện là các hợp tác xã nông nghiệp và hộ nông dân, với mục tiêu cắt giảm 30% đến 40% chi phí đầu tư ban đầu so với hệ thống có ắc quy, thời gian hoàn vốn kỳ vọng từ 3 đến 4 năm.

Hai là, tối ưu hóa thuật toán MPPT P&O với bước thay đổi chu kỳ nhiệm vụ D thích ứng linh hoạt. Nhóm nghiên cứu và các kỹ sư phát triển phần mềm nhúng cần thực hiện giải pháp này trong vòng 6 tháng tới, nhằm rút ngắn thời gian đáp ứng xác lập xuống dưới 0.05 giây và giảm thiểu hiện tượng dao động công suất quanh điểm cực đại xuống dưới 1%.

Ba là, thiết kế và thi công hệ thống bồn trữ nước trên cao với dung tích tính toán dự phòng tối thiểu đạt 50 m³ đến 60 m³. Chủ thể thực hiện là các kỹ sư hạ tầng thủy lợi và đơn vị xây dựng, thời gian triển khai trong 2 tháng, đảm bảo khả năng cung cấp nước liên tục trong 1.5 đến 2 ngày khi thời tiết mưa bão kéo dài.

Bốn là, tích hợp mô-đun chuyển mạch tự động kết nối nguồn điện lưới hoặc máy phát điện diesel phụ trợ. Các doanh nghiệp sản xuất thiết bị điều khiển năng lượng mặt trời cần hoàn thiện giải pháp này trong thời hạn 6 tháng, nhằm nâng cao độ sẵn sàng cấp nước lên mức 99.9%, phục vụ các mục tiêu tưới tiêu khẩn cấp vào ban đêm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là tài liệu tham khảo giá trị cho nhiều nhóm đối tượng:

Thứ nhất, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật điện, Năng lượng tái tạo, Tự động hóa: Tài liệu cung cấp quy trình tính toán mẫu hoàn chỉnh từ phân tích bức xạ, thiết kế mạch công suất Boost, lập trình thuật toán MPPT đến điều khiển động cơ xoay chiều trên Matlab/Simulink.

Thứ hai, kỹ sư thiết kế hệ thống điện mặt trời và thiết bị điện tử công suất: Có thể ứng dụng trực tiếp các thông số kỹ thuật thực tế về cuộn cảm 7.875 mH, tụ lọc 6.3 µF, van MOSFET IRF460N và thuật toán nghịch lưu SPWM để chế tạo sản phẩm thương mại.

Thứ ba, chủ trang trại, hợp tác xã nông nghiệp công nghệ cao tại các vùng chưa có điện lưới: Tìm thấy giải pháp cấp nước tự động, tiết kiệm chi phí nhiên liệu dầu diesel và không phải lo lắng về vấn đề thay thế ắc quy định kỳ.

Thứ tư, các nhà hoạch định chính sách và ban quản lý dự án phát triển nông thôn mới: Luận văn cung cấp luận cứ khoa học và cơ sở định mức kỹ thuật rõ ràng để xây dựng các chương trình cấp nước sạch vùng sâu, vùng xa bằng năng lượng tái tạo.

Câu hỏi thường gặp

Hệ thống bơm nước không sử dụng bình ắc quy có hoạt động ổn định khi trời nhiều mây không? Hệ thống vẫn vận hành liên tục nhờ thuật toán MPPT P&O tự động điều chỉnh chu kỳ đóng cắt D của bộ biến đổi Boost, cho phép thu nhận năng lượng tối đa ngay cả khi bức xạ giảm xuống 500 W/m², đồng thời phương pháp điều khiển V/f tự động hạ tần số xuống 35 Hz để máy bơm tiếp tục hoạt động mà không bị dừng đột ngột.

Tại sao lại lựa chọn động cơ không đồng bộ một pha thay vì động cơ một chiều không chổi than? Động cơ không đồng bộ một pha có giá thành rẻ hơn khoảng 40% đến 60% so với động cơ một chiều không chổi than (PMBLDC), cấu tạo cơ khí bền bỉ, không có chổi than gây mòn và rất dễ tìm kiếm linh kiện thay thế hoặc bảo dưỡng tại các khu vực nông thôn Việt Nam.

Dàn pin mặt trời công suất bao nhiêu là đủ để vận hành máy bơm 1.1 kW? Nghiên cứu chỉ ra rằng cần sử dụng 5 tấm pin quang điện công suất 245 W mắc nối tiếp để tạo ra tổng công suất định mức 1225 W. Lượng công suất dư thừa khoảng 10% đến 15% so với công suất động cơ 1100 W nhằm bù đắp tổn hao trên đường dây và mạch biến đổi điện tử.

Bồn chứa nước đóng vai trò như thế nào trong bài toán tối ưu năng lượng? Bồn chứa nước trên cao đóng vai trò như một bộ lưu trữ năng lượng cơ học dưới dạng thế năng. Nước được bơm đầy bồn trong 6 giờ nắng mạnh ban ngày để người dùng sử dụng tự chảy vào ban đêm, giúp loại bỏ hoàn toàn nhu cầu sử dụng ắc quy hóa học độc hại.

Có thể nâng cấp hệ thống để kết hợp với lưới điện quốc gia khi cần thiết không? Hoàn toàn có thể tích hợp thêm một bộ chuyển nguồn tự động (ATS) ở đầu vào mạch nghịch lưu. Khi bức xạ mặt trời xuống quá thấp hoặc khi có nhu cầu tưới đột xuất vào ban đêm, hệ thống sẽ tự động lấy nguồn từ lưới 220 V để duy trì hoạt động của máy bơm.

Kết luận

Công trình nghiên cứu đã giải quyết trọn vẹn bài toán tích hợp năng lượng tái tạo vào hạ tầng thủy lợi nông nghiệp thông qua các đóng góp nổi bật:

• Xây dựng thành công quy trình giải tích và lựa chọn tối ưu công suất dàn pin 1225 W cấp nguồn trực tiếp cho máy bơm 1.1 kW không qua ắc quy.
• Thiết kế mạch Boost Converter 50 kHz nâng áp lên 310 V kết hợp thuật toán MPPT P&O đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng từ 96% đến 99%.
• Ứng dụng giải thuật nghịch lưu SPWM điều khiển V/f trong dải tần 35 Hz đến 50 Hz, đảm bảo động cơ vận hành êm ái và thích ứng linh hoạt theo bức xạ.
• Kiểm chứng hệ thống trên dữ liệu bức xạ thực tế 12 tháng, cho lưu lượng cấp nước đạt 42.21 m³/ngày, vượt 40.7% so với yêu cầu đề ra.
• Đóng góp giải pháp công nghệ xanh, giảm chi phí đầu tư ban đầu, xóa bỏ chi phí bảo trì ắc quy và bảo vệ môi trường sinh thái bền vững.

Kế hoạch phát triển tiếp theo là tiến hành chế tạo mô hình phần cứng thực nghiệm và thử nghiệm thực địa trong thời gian 6 đến 12 tháng tới. Các đơn vị nông nghiệp, doanh nghiệp công nghệ và nhà nghiên cứu quan tâm có thể tiếp cận khai thác cấu hình này để số hóa và xanh hóa hạ tầng tưới tiêu nông nghiệp hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỎNG QUAN 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu Đề sống và tồn tại, con người cần rất nhiều năng lượng. Việc tìm ra và sử dụng các nguồn năng lượng bèn vững, hiệu quả là điểm mấu chốt cho sự phát triển và thịnh vượng của mỗi quốc gia. Các nguồn năng lượng truyền thống như nhiên liệu hóa thạch và thủy điện đang dần cạn kiệt và thê hiện tác động tiêu cực với môi trường và xã hội. Chính vì vậy, các nước phát triển và đang phát triển đang chuyên đổi mạnh mẽ sang năng lượng tái tạo.

Năng lượng mặt trời được coi là năng lượng tái tạo thân thiện với môi trường. Việc sử dụng ánh sáng mặt trời chuyên hóa thành năng lượng được kế đến là công nghệ pin quang điện (PV-Photovoltaic). Hiện tại các hệ thống pin quang điện đang được phát triển mạnh và được ứng dụng nhiều trên thế giới. Nguyên do là công nghệ bán dẫn hiện ngày càng cải tiếncho phép hạ giá thành sản xuất các bộ pin quang điện xuống rất nhiều so với thập niên trước.

Sự kết hợp của năng lượng mặt trời và máy bơm nước có thể đóng một vai trò quan trọng vì nước là yếu tố chủ chốt cho sản xuất nông nghiệp và hệ thống bơm nước giá phải chăng có tầm quan trọng rất lớn. Các hệ thống phát điện quang điện này trong quá trình sử dụng không có khí thải, không gây ô nhiễm môi trường xung quanh. Quan trọng, năng lượng từ ánh mặt trời thân thiện với môi trường là năng lượng xanh, vô tận và miễn phí. Tình hình sử dụng năng lượng trên thế giới đạt nhiều tiến bộ trong suốt 15 năm qua, tỷ lệ tăng trưởng hàng năm năng lượng mặt trời là trên 40% [1], nhắn mạnh sự trưởng thành của các khoản đầu tư thực hiện, đảm bảo độ tin cậy của công nghệ được sử dụng.

Cùng một lúc, chính sách khuyến khích và các biện pháp hỗ trợ được thực hiện trong một số các nước, đặc biệt là bên trong Liên minh Chau Âu đề ra mục tiêu tăng năng lượng mặt trời từ 6% lên đến 12% [2]. Trong bối cảnh này, sự kết hợp của quang điện hệ thống trong các ứng dụng bơm nước được cho là một trong những sử dụng phố biến nhất của khai thác năng lượng mặt trời [3-6]. Cụ thế ở Bắc Mỹ, Úc và HVTH MAI THẾ CƯỜNG - 1580607 1 Luận Văn Thạc Sĩ Châu Âu việc sử dụng PV-bơm phục vụ cho hệ thống nông nghiệp lớn; còn tại các nước đang phát triển đa số phục vụ nhu cầu sinh hoạt như bơm nước lên tầng cao và phục vụ tưới tiêu, hệ thông nước uống cho gia súc [7-10]. Việt Nam là nước có tiềm năng lớn về năng lượng mặt trời với công suất bức xạ trung bình của mặt trời khoảng 5kWh/m2?/ngày ở miền Nam và miền Trung, và khoảng 4kWh/m”/ngày ở miền Bắc [11].

Việc tận dụng năng lượng mặt trời làm nguồn năng lượng thay thế hết sức thuận lợi. Trong đó, tận dụng năng lượng mặt trời vào ứng dụng bơm nước đang được phát triển. Tuy nhiên, chi phí đầu tư cả hệ thống bơm nước dùng pin mặt trời vẫn còn cao và sự phụ thuộc vào điều kiện thời tiết là những bắt lợi. Lựa chọn kích cỡ tối ưu trở nên cần thiết cho việc sử dụng hiệu quả và thiết kế kinh tế của hệ thống điện nhằm tối đa hoá tính khả thi của lắp đặt PV.

Nên ta cần khảo sát đưa ra công suất bơm, công suất pin mặt trời cung cấp theo nhu cầu sử dụng cho từng trường hợp cụ thể. Các câu hình hệ thống tiêu biêu của bơm nước dùng pin năng lượng mặt trời được thể hiện ở hình 1. : conditioner đ fins} ) | | DC-AC || h synchronoush Battery “Non | = Inverter Tracking AC `. Motor DC-DC DC-AC - Converter -> r ——— et e MPPT) Inverter Synchronous Centrifugal NÊN = pump Controller Shunt _DC Volumetric || Battery nộ Battery HỊ Separately pump Charger ng Motor Ex cited | Tracking - Direct G Coupling : _J Hình 1.1 Các cấu hình hệ thống bơm nước sử dụng năng lượng mặt trời [12j HVTH MAI THẾ CƯỜNG - 1580607 2 Luận Văn Thạc Sĩ Hình 1.1 cho ta thấy hệ thống bơm nước dùng pin quang điện thường bao gồm: (1) Bộ pin quang điện, (2) Bộ điều khiển năng lượng (3) Động cơ và bơm (4).

Do công suất ra của pin thay đôi theo cường độ chiếu nắng (insolation) và đặc tính dòng-áp của pin là phi tuyến, để hệ thống bơm hoạt động hiệu quả thì trong giải thuật điều khiển của bộ điều khiến cần có [13 — 18]: (1) thuật toán tìm công suất cực đại (MPPT - Maximum Power Point Tracking), (2) điều khiến tốc độ của bơm sao cho công suất ra của bơm tương ứng với công suất nhận được từ bộ pin quang điện. Nhiễu ứng dụng của hệ thống pin quang điện, nhất là với các hệ thông ở các vùng xa, thường cần sử đụng ăcquy (thông dụng là loại acid- chì) để trữ năng lượng nhận được từ bộ pin quang điện. Ưu điêm của việc sử dụng šăcquy là bơm có thể hoạt động bất cứ lúc nào khi cần thiết. Nhờ đó, trong đêm và vào những lúc cường độ chiếu sáng thấp, hệ thống vẫn có thể cung cấp nước khi cần thiết.

Mà giá thành cao và tuổi thọ thấp (thường khoảng 3-5 năm so với tuổi thọ của pin quang điện là 20 năm) của bộ ăcquy, vẫn là một trở ngại cho sự phát triển của các ứng dung của pin quang điện. Ngoài ra, đo sử dụng acid và chì trong cấu trúc, ăcquy cũng là một tác nhân gây hại nhiều đến môi trường khi hết tuổi thọ và bị loại thải. Sử dụng bơm nước dùng pin quang điện khi có ánh nắng, năng lượng mặt trời có thể được trữ lại bằng cách cho bơm hoạt động đưa nước vào bồn chứa để sử dụng khi có nhu cầu (phục vụ sinh hoạt, tưới tiêu, v. Do đó, hệ thống không cần sử dụng ăcquy để lưu trữ năng lượng như nhiều ứng dụng với pin mặt trời khác, giúp giảm nhiều giá thành của hệ thống.

Ưu điểm của hệ thống này là chi phí đầu tư ban đầu thấp hơn, thời gian hoàn vốn nhanh. Hệ thống không sử dụng ăcquy nên không cần bảo trì sau thời gian sử dụng. Ngoài ra ta cũng có thê kết hợp dễ dàng với điện lưới hoặc máy phat dién diesel dé bom vao ban đêm nếu cần. Hệ thống này được thiết kế để chỉ bơm nước trong ngày.

Lượng nước bơm là hoàn toàn phụ thuộc vào lượng ánh sáng mặt trời, tâm PV và loại máy bơm. Bởi vì cường độ của ảnh năng mặt trời và góc mà nó tác động lên tắm pin PV thay đổi trong suốt cả ngày, lượng nước bơm của hệ thống cũng thay đôi trong suốt cả ngày. Ví dụ, trong thời kỳ nắng tối máy bơm hoạt động ở hoặc gần hiệu quả 100 phần trăm với lưu lượng nước tối đa. HVTH MAI THẾ CƯỜNG - 1580607 3 Luận Văn Thạc Sĩ Các hệ thống bơm nước với pin mặt trời thường sử dụng động cơ một chiều (DC- Direct Current) điện áp thấp nối trực tiếp đến bộ pin quang điện, hoặc sử dụng thêm một bộ biến đổi DC-DC giữa động cơ và bộ pin đê tối đa hoá công suất nhận được từ bộ pin [19].

Tuy nhiên, động cơ DC thường có hiệu suất thấp và cần bảo trì thường xuyên do có chổi than và cô góp, điều này là trở ngại cho những ứng dụng ở vùng xa do thiếu người có tay nghề để thực hiện việc này. Cũng có hệ thống sử dụng động cơ DC không c6 chéi than (Permanent magnet brushless DC — PMBLDC) [20], nhung gia thành cao của loại động cơ này là một rào cản cho việc Ứng dụng chúng. Ngoài ra, động cơ loại này cũng không dễ tìm trên thị trường hiện nay. Do đó, việc thay thế động co DC bằng động cơ xoay chiều không đồng bộ trong các hệ thống bơm nước dùng pin quang điện hiện được quan tâm trong nhiều nghiên cứu [13 — 18], do động cơ loại này có nhiều ưu điểm hơn so với động cơ DC như rẻ tiền, bền, ít cần bảo dưỡng và sẵn có trên thị trường.Khi sử dụng động cơ không đồng bộ, tốc độ của bơm thường được điều khiến thông qua việc thay đổi tần số và điện áp cung cấp cho động cơ, và giải thuật điều khiến tần số — điện áp này có thể theo kiểu vô hướng (scalar) như trong [13-15], [17] hoặc kiểu vector định hướng từ trường (FOC — Eield Oriented Control) như trong [18].

Qua các vấn đề được ta phân tích như trên cho thấy hướng nghiên cứu hệ thống bơm nước sử dụng pin quang điện không ăcquy với động cơ xoay chiều thay cho động cơ một chiều đang được quan tâm vì có khả năng ứng dụng thiết thực, rộng rãi và thân thiện mô trường. Mặt khác, các bộ pin quang điện cũng đã được sản xuất hoặc nhập khâu khá rộng rãi trên thị trường Việt nam và giá thành ngày càng rẻ hơn. Bơm nước dùng động cơ không đồng bộ khi sử dụng có phần thuận lợi, đặc biệt khi dùng bơm nước với nhu cầu lưu lượng nước cần bơm ít hay độ cao bơm không đòi hỏi cao thì lựa chọn động cơ không đồng bộ một pha sẽ dễ dàng hơn cho người sử dụng. Mục tiêu này khi đạt được sẽ có khả năng ứng dụng cao, nhất là cho những vùng xa hoặc các đồn điền, trang trại ở Việt nam.

Hệ thống là sự kết hợp lý tưởng của nhu cầu nước tưới và nguồn năng lượng mặt trời vô tận miễn phí, giữ gìn môi trường, tiết kiệm năng lượng và giảm tối đa chỉ phí. HVTH MAI THẾ CƯỜNG - 1580607 4 Luận Văn Thạc Sĩ Sau đây là cầu hình đề xuất nghiên cứu của đề tài hình 1. IIIIlll IIIIIIl eT AC MOTOR ASCHYCHRONOUS II.2 Cấu hình hệ thông nghiên cứu Hệ thống gồm các phân chính: bộ pin quang điện, bộ điều khiển năng lượng và động cơ không đồng bộ một pha bơm nước. Trong đó bộ điều khiển năng lượng bao gồm hai mạch DC/DC Converter (MPPT) chức năng chính là chuyến đổi điện áp DC có sử dụng giải thuật MPPT để bắt điểm công suất cực đại khi cường độ chiếu nắng thay đổi hay nhiệt độ thay đổi nhằm đưa ra công suất cực đại của pin quang điện và DC/AC inverter chức năng chuyến đổi điện áp một chiều đầu ra bộ DC/DCthành điện áp xoay chiều cấp vào động cơ bơm.2 Mục đích của đề tài Xây dựng được trình tự tính toán công suất bơm và công suất pin mặt trời.

Chọn lựa được bộ biến đổi DC/DC kèm giải thuật bắt điểm công suất cực đại MPPT có mô phông kiểm chứng. Chọn lựa được câu hình sử dụng trong bộ DC/AC và phương pháp điều khiển có mô phỏng kiểm chứng.