Đặt vấn đề Ngày nay, tình hình dân số và nền công nghiệp phát triển không ngừng. Điều này càng thể hiện rõ vai trò quan trọng của ngành năng lượng và trở thành yếu tố không thể thiếu trong cuộc sống. Hai lý do chính khiến nhu cầu sử dụng năng lượng gia tăng đó là sự phát triển dân số và kinh tế. Dân số và kinh tế là hai yếu tố quan trọng để thúc đẩy sự phát triển của mỗi quốc gia.
Sự đi lên này gắn liền với việc sử dụng năng lượng. Hay nói cách khác, muốn phát triển kinh tế thì phải phát triển năng lượng. Vấn đề năng lượng hiện nay đang là chủ đề nóng và được cả thế giới quan tâm. Theo nghiên cứu và đánh giá về tình hình sử dụng năng lượng trên thế giới, các nhà nghiên cứu nhận định rằng thị trường tiêu thụ năng lượng ở các quốc gia trên thế giới không ngừng gia tăng.
Đặc biệt gia tăng mạnh mẽ ở một số nhóm các quốc gia như Bắc Mỹ, Châu Á, Châu Âu. Thị trường tiêu thụ năng lượng trên thế giới của một số nhóm quốc gia điển hình từ năm 2007 đến 2035 được trình bày ở bảng 1.com kho tài liệu miễn phí 2 Bảng 1.1 Thị trường tiêu thụ năng lượng thế giới của các nhóm quốc gia (từ năm 2007 đến 2035-nghìn triệu Btu) Thay đổi Khu vực 2007 2015 2020 2025 2030 2035 trung bình (%) Phát triển 245.5 kinh tế Bắc Mỹ 123.2 triển kinh tế Châu Âu và 51.8 Trung và Nam 28.8 Mỹ Tổng sản 495.4 lượng thế giới Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí 3 1.2 Tính cần thiết Khi nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng gia tăng thì các nguồn năng lượng truyền thống như dầu mỏ, than đá… càng dần bị cạn kiệt và trở nên khan hiếm. Bên cạnh đó, việc sử dụng những năng lượng truyền thống trên cho thấy những tác động xấu đến môi trường, gây ô nhiễm bầu khí quyển như gây hiệu ứng nhà kính, thủng tầng ozôn… là một trong những nguyên nhân làm trái đất ấm dần lên. Các khí thải ra từ việc đốt các nguyên liệu này đã gây ra mưa axit, hạn hán, lũ lụt… gây hại cho môi trường sống của con người.
Trước tình hình đó, việc phải tìm được những nguồn năng lượng mới để đáp ứng nhu cầu sử dụng năng lượng đang dần lớn mạnh hàng ngày, thay thế những nguồn năng lượng có hại cho môi trường hoặc đang cạn kiệt trở nên cần thiết đòi hỏi nhiều sự quan tâm. Tầm quan trọng của phát triển nguồn năng lượng mới cũng được thúc đẩy bởi nhận thức của người dân về vấn đề môi trường. Thực tế, có nguồn năng lượng khác thay thế hứa hẹn một tiềm năng cung cấp năng lượng rất lớn đó là năng lượng hạt nhân. Nhưng việc sử dụng nguồn năng lượng này vẫn là vấn đề tranh cãi vì sự an toàn và ảnh hưởng đến môi trường sống.
Ví dụ gần đây nhất là vụ động đất, sóng thần tại Nhật Bản ngày 11/3/2011 đã phá hủy nhà máy điện hạt nhân Fukushima, gây thiệt hại về người và kinh tế. Tiếp theo đó, một số nước Châu Âu đã quyết định đóng cửa vĩnh viễn các nhà máy điện hạt nhân. Hơn nữa, nhu cầu sử dụng điện tại Việt Nam là rất lớn kể cả trong ngắn hạn, trung hạn và dài hạn. Theo tính toán của EVN, để đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế với tốc độ tăng trưởng từ 7,5% -8% và thực hiện được mục tiêu đến năm 2020, Việt Nam cơ bản trở thành một nước công nghiệp thì trong 20 năm tới nhu cầu điện sẽ phải tăng từ 15%-17% mỗi năm.
Do đó, phương án đầu tư vào nguồn năng lượng tái sinh là có hiệu quả đối với một quốc gia có nhiều điều kiện thuận lợi về địa lý như Việt Nam. Vì vậy, việc Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí 4 nghiên cứu các giải pháp để nâng cao hiệu quả của hệ thống điện năng lượng mặt trời là hết sức cần thiết và cấp bách.3 Tình hình nhận định của thế giới Theo UNEP, sản lượng điện từ các nguồn năng lượng tái sinh (không kể thuỷ điện) đã chiếm tới 44% tổng sản lượng điện tăng thêm trên toàn cầu trong năm 2011. Đến đầu năm 2012, có ít nhất 118 nước, trong đó hơn 50% là các nước đang phát triển, đã đặt mục tiêu đẩy mạnh sử dụng các nguồn năng lượng tái sinh so với con số 96 nước năm 2010. Mặc dù vậy, hiện nay các nguồn năng lượng tái sinh mới chỉ chiếm 16,7% tổng năng lượng tiêu thụ toàn cầu.
Bên cạnh đó, việc sử dụng năng lượng sạch vẫn chủ yếu tập trung ở một số nước. Các nước dẫn đầu thế giới về sản lượng điện từ các nguồn năng lượng tái sinh là Mỹ, Trung Quốc, Đức, Tây Ban Nha, Italy, Ấn Độ và Nhật Bản. Tổng sản lượng điện sản xuất từ các nguồn năng lượng tái sinh của những nước này hiện chiếm tới 70% tổng sản lượng cả thế giới. Nguyên nhân chủ yếu khiến việc sử dụng năng lượng tái sinh vẫn chưa phổ biến trên thế giới là do những nghiên cứu chưa sâu, các công nghệ khai thác năng lượng tái sinh vẫn còn nhiều hạn chế, khiến cho giá thành sản xuất vẫn cao [2].
Mặt khác, theo nghiên cứu của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), trong năm 2011, lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính trên thế giới đã tăng 3,2% so với năm 2010 bất chấp các nỗ lực không ngừng của nhiều nước trên thế giới. Điều này khiến hiện tượng biến đổi khí hậu trầm trọng thêm và gây thiệt hại lớn đối với nền kinh tế toàn cầu. Riêng tại khu vực Mỹ Latinh, theo nghiên cứu do ngân hàng phát triển Liên Bang Mỹ (BID) công bố trước thềm hội nghị liên hợp quốc về môi trường và phát triển sắp tới ở Brazil, nếu nhiệt độ tăng thêm 2 0C, khu vực này sẽ phải gánh chịu thiệt hại vật chất tới 100 tỷ USD/năm cho đến năm 2050.com kho tài liệu miễn phí 5 Cuối tháng 8/2011, Tổng Thư ký Liên hợp quốc Ban Ki-Moon đã lên tiếng kêu gọi thế giới tiến hành một cuộc “cách mạng năng lượng sạch” để giúp chuyển đổi nền kinh tế thế giới và đưa thế giới trở lại con đường phát triển sạch, an toàn và hợp lý hơn. Ông nhấn mạnh: “Các nước đi theo hướng nhanh chóng phát triển năng lượng sạch sẽ trở thành cường quốc kinh tế trong thế kỷ 21.
Người dân các nước này cũng sẽ được tận hưởng không khí sạch hơn, có sức khỏe tốt hơn, khả năng cạnh tranh trên thị trường thế giới cao hơn và an ninh tốt hơn”. Dù vậy, tốc độ phát triển các nguồn năng lượng thay thế quá chậm chạp. Từ lâu, các nhà lập chính sách đã nhận thấy rằng các nguồn năng lượng mới là hết sức cần thiết để bù đắp cho các nguồn năng lượng hiện có đang ngày càng cạn kiệt và để giảm bớt lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính làm thay đổi khí hậu toàn cầu. So với những nguồn năng lượng mới đang được khai thác sử dụng như năng lượng gió, năng lượng hạt nhân… Năng lượng mặt trời được coi là một nguồn năng lượng rẻ, vô tận, là một nguồn năng lượng sạch không gây hại cho môi trường đang thu hút sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học, nhà nghiên cứu và sẽ trở thành nguồn năng lượng tươi sáng trong tương lai [3].4 Dự báo trong tương lai Theo thông tin của Hiệp hội Công nghiệp quang điện Châu Âu dự báo, cho đến năm 2020, cơn "bùng nổ năng lượng mặt trời" sẽ diễn ra trên toàn thế giới.
Năm 2012 vừa qua là cột mốc quan trọng cho lĩnh vực này - tổng công suất các nhà máy điện năng lượng mặt trời trên thế giới vượt mốc 100 GW. Và, như dự đoán của hiệp hội, sau 8 năm, con số này sẽ tăng lên 6 lần. Trước đó, Cơ quan Năng lượng Quốc tế dự đoán rằng trong vòng 50 năm tới, năng lượng mặt trời sẽ thay thế các đối thủ cạnh tranh. Kết quả của năm 2012 thực sự ấn tượng: tổng công suất của tất cả các nhà máy điện năng lượng mặt trời thế giới đã tăng gần 30 GW và lên đến 100 GWh, tương đương với tổng công suất của hàng chục nhà máy điện hạt nhân.
Nước giữ kỷ lục là Đức, năm ngoái đã tăng thêm 8 GW. Theo Hiệp hội công nghiệp quang điện Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí 6 Châu Âu, xét qua tốc độ phát triển của ngành công nghiệp có tương lai này, có thể nói chẳng bao lâu nữa năng lượng mặt trời sẽ lấn át nhà máy điện truyền thống.5 Mục tiêu của đề tài Để sử dụng năng lượng mặt trời có hiệu quả. Nhiều bài toán với nhiều khía cạnh khác nhau được đặt ra. Một trong những khía cạnh của nghiên cứu hiện nay là việc thiết kế và sử dụng hệ pin quang điện sao cho chúng làm việc tốt nhất trong tất cả các điều kiện khác nhau.
Vấn đề tập trung chủ yếu vào kỹ thuật theo dõi và dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT) của một pin quang điện hay của hệ nhiều pin quang điện kết nối lại, ngay cả trong những điều kiện pin quang điện bị che một phần. Đối với một pin quang điện, có thể áp dụng kỹ thuật leo đồi P&O, INC hay điện áp là hằng số. để theo dõi và dò tìm điểm công suất cực đại. Những kỹ thuật trên đã đạt được những kết quả xuất sắc trong việc thiết kế, mô phỏng khi dò tìm điểm công suất cực đại.
Tuy nhiên, ngoài những ưu điểm thì những thuật toán này cũng tồn tại một số nhược điểm nhất định như tốc độ dò tìm chậm, dò công suất chưa chính xác khi thay đổi bức xạ đột ngột. Bài toán đặt ra là cần phải tìm được điểm công suất cực đại nhanh hơn, chính xác hơn ngay cả khi thay đổi các điều kiện về nhiệt độ hay bức xạ, xét đến cả việc kết hợp hai hay nhiều tấm pin quang điện. Đề tài tập trung nghiên cứu các phương pháp tìm điểm công suất cực đại của hệ pin quang điện khi kết hợp hai hay nhiều tấm pin quang điện. Dựa theo các đặc tuyến của pin quang điện thì khi kết hợp nhiều tấm pin sẽ tồn tại điểm cực trị.
Điểm cực trị ấy là các điểm vận hành tối ưu của các tấm pin, nơi mà công suất nhận được là lớn nhất. Tuy nhiên, điểm vận hành tối ưu này không cố định mà nó thay đổi theo các điều kiện môi trường đặc biệt là bức xạ mặt trời và nhiệt độ pin quang điện. Mục tiêu chính của đề tài là phải tìm được điểm vận hành tối ưu nơi mà công suất nhận được là lớn nhất trong các điều kiện khác nhau, đặc biệt là điều kiện về nhiệt độ và bức xạ.