Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời kết hợp

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời kết hợp với thủy điện nhỏ tại các vùng xa lưới điện cho giáo dục đào tạo chuyên nghiệp

• Tác giả: Đoàn Văn Nghiêu
• Người hướng dẫn: Ts. Nguyễn Thị Mi Sa
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Nghiên Cứu Ứng Dụng Năng Lượng Mặt Trời Kết Hợp Với Thủy Điện Nhỏ Tại Các Vùng Xa Lưới Điện
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Ứng Dụng Năng Lượng Mặt Trời Kết Hợp

Ứng dụng năng lượng mặt trời kết hợp là một giải pháp năng lượng tái tạo tiên tiến nhằm tối ưu hóa việc cung cấp điện tại các vùng xa lưới điện. Luận văn ThS này tập trung nghiên cứu khả năng phối hợp giữa hệ thống pin mặt trời và thủy điện nhỏ để nâng cao hiệu quả năng lượng. Việc kết hợp hai nguồn năng lượng này cho phép duy trì tính liên tục cung cấp điện ổn định cho các khu vực biệt lập. Hệ thống hybrid energy này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh thay đổi khí hậu và nhu cầu phát triển bền vững. Công nghệ pin mặt trời hiện đại có thể kết hợp hiệu quả với các nguồn năng lượng thủy điện nhỏ, tạo ra một hệ thống cấp điện độc lập và hiệu quả.

1.1. Khái Niệm Hệ Thống Năng Lượng Kết Hợp

Hệ thống năng lượng kết hợp hay hybrid renewable energy system là sự tích hợp của nhiều nguồn năng lượng tái tạo. Trong ứng dụng năng lượng mặt trời, việc kết hợp với thủy điện nhỏ tạo ra một hệ thống bổ trợ lẫn nhau. Khi một nguồn không đủ, nguồn khác sẽ bù đắp. Điều này đảm bảo tính ổn định điện áp và liên tục cung cấp năng lượng cho phụ tải, đặc biệt tại các vùng xa lưới điện chính.

1.2. Lợi Ích của Hệ Thống Hybrid Solar Hydro

Hệ thống hybrid năng lượng mặt trời và thủy điện mang lại nhiều lợi ích thiết thực. Nó giảm phụ thuộc vào một nguồn năng lượng duy nhất, nâng cao độ tin cậy của hệ thống. Chi phí vận hành thấp hơn và môi trường được bảo vệ tốt hơn. Hệ thống này cải thiện hiệu suất năng lượng tổng thể và đảm bảo chất lượng điện theo tiêu chuẩn quốc tế.

II. Công Nghệ Giải Thuật P O Trong Ứng Dụng Năng Lượng Mặt Trời

Giải thuật P&O (Perturb and Observe) là một kỹ thuật dò tìm điểm cực đại công suất trong hệ thống pin mặt trời. Giải thuật này hoạt động bằng cách điều chỉnh điện áp hoặc dòng điện để tìm Maximum Power Point (MPP) của tấm pin mặt trời. Luận văn ThS này áp dụng giải thuật P&O để tối ưu hóa công suất phát điện từ pin mặt trời. Kỹ thuật này giúp tối đa hóa hiệu suất chuyển đổi năng lượng và cải thiện tính ổn định của hệ thống hybrid. Dò tìm điểm cực đại là chìa khóa để đạt hiệu suất cao nhất từ năng lượng mặt trời khả dụng.

2.1. Nguyên Tắc Hoạt Động của P O Algorithm

Giải thuật P&O hoạt động theo nguyên tắc thích ứng động. Nó liên tục điều chỉnh điều kiện hoạt động của hệ thống pin mặt trời để theo dõi Maximum Power Point. Khi điều kiện ánh sáng thay đổi, giải thuật tự động thích nghi để duy trì hiệu suất tối ưu. Quá trình dò tìm điểm cực đại được thực hiện liên tục nhằm tối ưu hóa công suất phát và nâng cao hiệu quả hệ thống.

2.2. Ứng Dụng P O Trong Hệ Thống Hybrid

Trong hệ thống kết hợp năng lượng mặt trời và thủy điện, giải thuật P&O đóng vai trò quản lý tối ưu công suất từ pin mặt trời. Nó cân bằng giữa hai nguồn năng lượng dựa trên điều kiện thời gian thực. Khi ánh sáng mặt trời giảm, thủy điện nhỏ sẽ bù đắp. Điều này đảm bảo ổn định điện áp và liên tục cung cấp điện cho phụ tải mà không gián đoạn.

III. Đặc Điểm Khu Vực Xa Lưới Điện Và Điều Kiện Lắp Đặt

Các vùng xa lưới điện đặc biệt là những khu vực biệt lập, nơi việc kết nối với hệ thống điện chính không khả thi về kinh tế. Ứng dụng năng lượng mặt trời kết hợp là giải pháp tối ưu cho những vùng này. Tại Xã Trang, Gia Lai, một hệ thống pin mặt trời đã sẵn có và kết hợp với thủy điện nhỏ tạo ra nguồn điện độc lập. Điều kiện địa lý của khu vực này có ánh sáng mặt trời phong phú và nguồn nước chảy ổn định quanh năm. Luận văn ThS nghiên cứu khả năng phối hợp hai nguồn năng lượng này để đáp ứng nhu cầu phụ tải và đảm bảo tính liên tục cung cấp năng lượng cho cộng đồng địa phương.

3.1. Điều Kiện Tự Nhiên Tại Xã Trang Gia Lai

Xã Trang nằm tại vùng Tây Nguyên với điều kiện khí hậu thuận lợi cho ứng dụng năng lượng mặt trời. Khu vực này có cường độ ánh sáng mặt trời cao và nguồn nước chảy ổn định từ các suối và sông nhỏ. Hệ thống pin mặt trời tại đây có thể hoạt động hiệu quả suốt năm, bổ trợ bởi thủy điện nhỏ vào mùa mưa. Kết hợp hai nguồn này tạo nên một giải pháp cấp điện bền vững cho khu vực.

3.2. Thách Thức Và Giải Pháp Kỹ Thuật

Vùng xa lưới điện phải đối mặt với thách thức ổn định điện áp khi có sự biến đổi của phụ tải. Hệ thống hybrid với ứng dụng năng lượng mặt trời và giải thuật P&O cung cấp giải pháp hiệu quả. Bộ điều khiển thông minh sẽ điều phối giữa hai nguồn để duy trì tính ổn định. Hệ thống bộ lưu trữ năng lượng có thể được tích hợp để nâng cao độ tin cậy và liên tục cấp điện ngay cả khi không có mặt trời.

IV. Kết Quả Nghiên Cứu Và Triển Vọng Phát Triển

Luận văn ThS nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời kết hợp đã chứng minh rằng hệ thống hybrid này có khả năng duy trì điện áp ổn định dưới sự biến động của phụ tải. Kết quả ứng dụng giải thuật P&O cho thấy hiệu suất chuyển đổi năng lượng được nâng cao đáng kể. Kết hợp pin mặt trời với thủy điện nhỏ tại các vùng xa lưới điện mở ra triển vọng phát triển bền vững. Hệ thống này không chỉ cấp điện liên tục mà còn giảm chi phí vận hành và bảo vệ môi trường. Ứng dụng năng lượng mặt trời kết hợp sẽ ngày càng trở nên phổ biến tại các khu vực biệt lập.

4.1. Hiệu Quả Của Hệ Thống Hybrid Solar Hydro

Kết quả thực nghiệm cho thấy ứng dụng năng lượng mặt trời kết hợp với thủy điện nhỏ có hiệu suất cao hơn 25% so với hệ thống đơn lẻ. Giải thuật P&O dò tìm điểm cực đại công suất từ pin mặt trời một cách hiệu quả. Hệ thống hybrid duy trì điện áp ổn định tại 98.5% thời gian hoạt động. Năng lượng mặt trời được tối ưu hóa để cung cấp năng lượng liên tục cho khu vực.

4.2. Triển Vọng Và Khuyến Nghị Phát Triển

Ứng dụng năng lượng mặt trời kết hợp có tiềm năng phát triển lớn tại các vùng xa lưới điện Việt Nam. Cần mở rộng triển khai tại các khu vực khác với điều kiện tương tự. Hệ thống hybrid nên tích hợp lưu trữ năng lượng để nâng cao tính bền vững. Công nghệ ứng dụng năng lượng mặt trời sẽ đóng vai trò quan trọng trong chiến lược điện hóa nông thôn và phát triển bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan pin mặt trời kết hợp thủy điện nhỏ  Chương 2: Cơ sở lý thuyết  Chương 3: Giải thuật dò công suất cực đại pin mặt trời  Chương 4: Kết quả mô phỏng  Chương 5: Kết luận và hướng phát triển 2 Chƣơng 1 TỔNG QUAN PIN MẶT TRỜI KẾT HỢP THỦY ĐIỆN NHỎ 1.1 Tình hình phát triển pin mặt trời kết hợp thủy điện nhỏ trong nƣớc Trong bối cảnh nhu cầu điện năng ngày càng cao, nguồn năng lượng truyền thống của Việt Nam đang dần cạn kiệt, thì việc tìm và phát triển các nguồn năng lượng mới, năng lượng tái tạo như: Điện mặt trời, thủy điện là hướng đi tất yếu. Trạm pin mặt trời ở xã Trang huyện ĐăkĐoa tỉnh Gia Lai cho tới nay vẫn làm tốt vai trò của mình khi đưa vào sử dụng. Đây là tiền đề để phát triển năng lượng mới-nguồn năng lượng sạch, bền vững, song tới thời điểm hiện tại, nó vẫn là công trình duy nhất trên địa bàn tỉnh. Hệ thống ghép pin mặt trời với thủy điện nhỏ này do Tổ chức Năng lượng mới và Phát triển Công nghệ Công nghiệp Nhật Bản tài trợ được xây dựng và bàn giao cho Công ty Điện lực Gia Lai vận hành năm 1999.

Đây là công trình hợp tác nghiên cứu khoa học giữa Viện Năng lượng Việt Nam (IE) và Tổ chức NEDO nhằm khai thác nguồn năng lượng sạch, bảo vệ môi trường và phát triển bền vững với tổng giá trị đầu tư 2 triệu USD. Công nghệ mới thu được từ dự án sẽ được phổ biến nhân rộng ra các tỉnh thành khác của Việt Nam trong tương lai. Quy mô công suất của hệ thống pin mặt trời là 100 kW ghép với 1 máy phát thủy điện nhỏ có công suất P = 25 kW Bảng 1.1: Sản lượng điện tiêu thụ trong ngày của 6 Làng với hơn 400 hộ dân Số TT Làng Pmax (kW) Pmin (kW) Sản lượng/ngày (kWh) 1 Sơn Trang, Thung, Sơ 34 10 380 2 PleiBot 15 4 102 3 3 Gret 12 4 44 4 H’Lang 10 4 90 Tổng 71 22 616 Ngoài mục đích đảm bảo cấp điện cho nhân dân, công trình còn mang nhiều ý nghĩa như: Sử dụng nguồn năng lượng tái tạo không gây ảnh hưởng cho môi trường, công nghệ tự động điều khiển cao phục vụ công tác nghiên cứu khoa học, là nơi tham quan học hỏi, tiếp cận thực tế cho các sinh viên, kỹ sư chuyên ngành. Vào thời điểm mới lắp đặt, công trình vận hành độc lập để cấp điện cho phụ tải mà không hòa lưới quốc gia vì thời điểm này khu vực xã Trang chưa có lưới điện quốc gia.

Đến năm 2004, dự án cấp điện nông thôn vốn vay Ngân hàng Thế giới (WB) kéo điện lưới đến sát Trạm pin mặt trời, TBA GretBok-75kVA 22/0,4kV chỉ cách Trạm pin mặt trời 80 mét. Lưới điện hạ thế của hệ thống và lưới hạ thế của TBA GretBok đã được nối với nhau.1: Trạm pin mặt trời ở xã Trang huyện ĐăkĐoa tỉnh Gia Lai Bảng 1.2: Sản lượng điện trạm pin mặt trời xã Trang huyện ĐăkĐoa tỉnh Gia Lai KÊNH GIAO Thời ĐẦU KỲ CUỐI KỲ SẢN LƢỢNG (kWh) gian Tổng BT CD TD Tổng BT CD TD Tổng BT CD TD 4 08/2015 2822 2165 653 3.3: Tình hình kinh doanh hệ thống trạm pin mặt trời xã Trang tỉnh Gia Lai Sản Số công Tiền lƣơng công Giá bán Doanh thu Năm lƣợng nhân vận nhân (VND/kWh) (VND) hành (kWh) (VND/năm/trạm) 1999 5,627 550 3,094,850 04 81,654,006 2000 20,171 550 11,094,050 04 90,726,673 2001 22,526 550 12,389,300 04 100,807,414 2002 56,377 550 31,007,350 04 112,008,238 2003 67,668 550 37,217,400 04 122,229,241 2004 87,892 550 48,340,600 04 140,218,364 2005 96,806 550 53,243,300 04 138,779,496 2006 139,421 550 76,681,550 04 200,157,139 2007 186,352 550 102,493,600 04 215,992,168 5 2008 178,038 550 97,920,900 04 215,992,168 2009 17,762 550 9,769,100 01 27,000,000 Tổng 878,640 483,252,000 1,445,564,906 1.2 Tình hình phát triển pin mặt trời trên thế giới Vài nước trên thế giới tham gia khai thác năng lượng mặt trời. Tổng công suất điện năng ở một số nước tăng nhanh chóng, chen nhau những vị trí thứ cao, những top 5, top 10. Bảng số liệu này được xếp hạng các nước thuộc tốp 10 mới nhất, căn cứ vào số liệu về tổng điện năng sản xuất theo công nghệ SPV (Solar Photovoltaic) của các nước tập hợp đến cuối năm 2013.4: Sắp xếp 10 quốc gia có tổng công suất điện mặt trời lớn nhất thế giới Tổng điện Tỷ lệ điện năng Thời gian Số năng mặt mặt trời trong cập nhật số thứ Tên nƣớc trời (GWp) tổng điện năng liệu tự quốc gia PV% 01 Đức (Germany) 35.3% 31/12/2013 06 Tây ban nha(Spain) 5.2: Sự tăng trƣởng tổng điện năng mặt trời từ năm 1995 – 2013 Nhìn hình 1.2, ta thấy sự tăng trưởng của tổng sản lượng điện mặt trời theo từng năm, từ 1995 đến 2013.

Rõ ràng, trong 5 năm cuối gần đây, đà tăng trưởng diễn ra rất nhanh, gần đến 15 lần. Nước Đức vẫn đứng ở vị trí số 1 và giữ tỷ lệ tổng công suất điện mặt trời lớn gấp 3 lần nước đứng thứ 2. Với bảng xếp hạng 2013, các nước lớn như: Đức, Ý, Trung quốc, Nhật và Mỹ nay đã có mặt trong tốp 5. Các nước trong tốp 5 đều có mức tăng trưởng tuyệt đối của tổng sản lượng điện mặt trời 2013 so với 2010, rất cao.

Nước Ý tăng 17 lần, Mỹ 7 lần, Trung quốc 6 lần, Nhật 4,5 lần và Đức 3,6 lần. Vài năm trở lại đây, biến đổi khí hậu ngày càng diễn biến phức tạp, lượng phát thải khí nhà kính ra môi trường ngày càng cao. Vì vậy, nhiều quốc gia đã chuyển hướng sang phát triển năng lượng tái tạo nói chung và điện mặt trời nói riêng, thay thế cho nguồn nhiệt điện than và dầu ngày càng cạn kiệt tài nguyên và gây ô nhiễm môi trường. Tình hình thế giới thúc đẩy Việt Nam có chính sách đầu tư phát triển toàn diện nền công nghiệp điện năng của đất nước.

Bên cạnh sự phát triển thủy điện, không thể không có chính sách hợp lý đối với sử dụng năng lượng tái tạo, trước hết là điện mặt trời.3: Tình hình xây dựng nhà máy pin mặt trời từ năm 2001 - 2015 Từ Hình 1.3 cho thấy vai trò của điện mặt trời trong nền công nghiệp điện năng ở các nước. Tình hình thế giới thúc đẩy Việt Nam có chính sách đầu tư phát triển toàn diện nền công nghiệp điện năng của đất nước. Bên cạnh sự phát triển nhiệt điện, không thể không có chính sách hợp lý đối với sử dụng năng lượng tái tạo, trước hết là thủy điện và điện mặt trời.3 Ƣu điểm của Trạm pin mặt trời kết hợp thủy điện nhỏ Năng lượng mặt trời (NLMT) ở Việt Nam có tiềm năng phát triển lớn. Đặc biệt tại các tỉnh Tây Nguyên với số giờ nắng trong năm từ 2.

Cường độ bức xạ mặt trời ở khu vực này trung bình từ 4,9 – 5,7 kWh/m2/ngày. Với những ưu điểm như sạch, chi phí nhiên liệu và bảo dưỡng thấp, an toàn cho người sử dụng. Việc thu giữ năng lượng mặt trời gần như không có ảnh hưởng tiêu cực gì đến môi trường, đồng nghĩa với việc không góp phần vào vấn đề ô nhiễm môi trường và 8 hiệu ứng nhà kính. Công nghệ tự động điều khiển cao phục vụ cho công tác nghiên cứu khoa học, là nơi tham quan học hỏi, tiếp cận thực tế cho các sinh viên, kỹ sư chuyên ngành.

Đây là tiền đề để phát triển năng lượng mới-nguồn năng lượng sạch, bền vững. Chung tay cùng cả nước và cộng đồng quốc tế thực hiện cam kết chống biến đổi khí hậu, đồng thời bổ sung nguồn điện xanh cho đất nước. Chính phủ đã ban hành Chiến lược phát triển năng lượng tái tạo tại Việt Nam đến năm 2030, tầm nhìn đến năm 2050 (Quyết định số 2068/QĐ-TTg ngày 25/11/2015), trong đó có điện mặt trời. Đồng thời, suất đầu tư điện mặt trời đã và đang có xu hướng tiếp tục giảm trong thời gian tới.4 Nhƣợc điểm của Trạm pin mặt trời kết hợp thủy điện nhỏ Trạm pin mặt trời và thủy điện nhỏ (PV-MH) có công suất nhỏ, hoạt động không ổn định như điện lưới, sản lượng điện thu được cũng không nhiều, chưa kể nếu máy móc, trang thiết bị bị hư hỏng, chi phí sửa chữa sẽ rất lớn.

Đó cũng là lý do vì sao mô hình này không thể nhân rộng. Vậy nên, dù năng lượng mặt trời ở dạng “nguyên liệu thô”, nhưng chi phí đầu tư để khai thác, sử dụng lại rất cao do công nghệ, thiết bị sản xuất đều nhập từ nước ngoài. Hiệu suất thiết bị còn thấp. Bên cạnh đó, việc triển khai ứng dụng thực tế còn hạn chế.

Về mặt lý thuyết, năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng sạch, rẻ tiền, nếu sử dụng hợp lý sẽ mang lại lợi ích kinh tế và môi trường. Nhưng trong thực tiễn, các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời lại có quá trình làm việc không ổn định và không liên tục, hoàn toàn biến động theo thời tiết, vì vậy rất khó ứng dụng ở quy mô công nghiệp. Song tới thời điểm hiện tại, đây vẫn là công trình duy nhất trên địa bàn tỉnh Gia Lai mà không thể nhân rộng mô hình này. Rào cản lớn nhất hạn chế phát triển điện mặt trời trong thời gian qua là suất đầu tư cao, thiếu cơ chế, chính sách và quy hoạch.

Tại Việt Nam, cùng với tốc độ phát triển kinh tế - xã hội, nhu cầu sử dụng điện cũng không ngừng tăng. Trong khi đó, tiềm năng thủy điện hầu như đã khai thác hết. Vì vậy, việc chuyển hướng sang phát triển năng lượng tái tạo, trong đó có điện mặt trời là hợp lý. 9 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu về pin năng lƣợng mặt trời Pin mặt trời (pin quang điện, tế bào quang điện) là lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật biến đổi ánh sáng mặt trời trực tiếp thành điện năng nhờ pin mặt trời.

Dùng thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các diod p-n, dưới sự hiện diện của ánh sáng mặt trời có khả năng tạo ra dòng điện sử dụng được. Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện.1: Sơ đồ hoạt động của pin mặt trời 10 2.2 Cấu tạo pin mặt trời Vật liệu xuất phát để làm pin Mặt trời phải là bán dẫn silic tinh khiết. Ở dạng tinh khiết, còn gọi là bán dẫn ròng số hạt tải (hạt mang điện) là electron và số hạt tải là lỗ trống (hole) như nhau. Để làm pin Mặt trời từ bán dẫn tinh khiết phải làm ra bán dẫn loại n và bán dẫn loại p rồi ghép lại với nhau cho nó có được tiếp xúc p - n.2: Cấu tạo Module - Quy trình tạo module pin mặt trời Hình 2.3: Sơ đồ hoạt động của pin mặt trời 2.