CHƯƠNG 1 HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1.1 Tổng quan về năng lượng tái tạo Do cạn kiện tài nguyên và các vấn đề về môi trường gây ra bởi khí thải, các nguồn năng lượng truyền thống sử dụng nhiên liệu hóa thạch không bền vững trong dài hạn. Chính vì vậy, nhiều nỗ lực đang được thực hiện trên thế giới và nhiều quốc gia để đưa nhiều nguồn năng lượng tái tạo như: năng lượng gió, năng lượng mặt trời (PV – Photovoltaic system), thủy điện, năng lượng sinh khối (Biomass power), năng lượng thủy triều (Ocean power), địa nhiệt (Geothermal energy)…hòa lưới điện. Công suất lắp đặt của năng lượng tái tạo phát triển rất nhanh trong những thập kỉ gần đây, tính đến năm 2012 tổng công suất lắp đặt trên 420 Giga Watts (GW) (không bao gồm thủy điện), chiếm 5,2% lượng điện tiêu thụ trên toàn thế giới [53]. Nếu bao gồm nguồn năng lượng thủy điện thì công suất lắp đặt của nguồn năng lượng tái tạo chiếm 13% tổng công suất lắp đặt, 84% công suất lắp đặt sử dụng nguồn nhiên liệu hóa thạch, 3% là năng lượng hạt nhân [1].1 Tỷ trọng của các nguồn năng lượng trên thế giới Trong số các nguồn năng lượng tái tạo thì năng lượng thủy điện chiếm tỉ trọng lớn nhất.
Tuy nhiên, do những yêu cầu về vị trí lắp đặt các nhà máy thủy điện (khu vực có sông, hồ) và các vấn đề về môi trường tác động đến đời sống dân sinh và xã hội, tốc độ tăng trưởng của nhà máy thủy điện trên toàn thế giới hiện nay rất chậm và được xem như là bão hòa. Khác với thủy điện, các nguồn năng lượng tái tạo khác ít yêu cầu về vị trí lắp đặt, vùng phân bố rộng hơn, ít tác động đến môi trường và có tiềm năng khai thác lớn, trong đó năng lượng gió và năng lượng mặt trời hứa hẹn sẽ Trang 1 GVHD: PGS.TS PHAN QUỐC DŨNG LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ HỌC VIÊN: NGUYỄN MINH NHẬT nắm vai trò chủ đạo về cả lượng công suất lắp đặt và tốc độ phát triển hàng năm [53]. Năng lượng gió và năng lượng mặt trời chiếm 80% lượng công suất lắp đặt của nguồn năng lượng tái tạo (hình 1.2), tốc độ phát triển nhanh trong 5 năm gần đây (2007-2012) đối với năng lượng gió (25%) và năng lượng mặt trời (60%) (hình 1.2 Tỷ trọng của các nguồn Hình 1.3 Tốc độ phát triển công suất lắp đặt của năng lượng tái tạo các nguồn năng lượng tái tạo Từ các thống kê trên cho thấy năng lượng gió và năng lượng mặt trời sẽ được tập trung nghiên cứu và phát triển trong tương lai. Năng lượng mặt trời (PV) mặc dù có chi phí đầu tư cao hơn so với các nguồn năng lượng tái tạo khác [1] [46], nhưng với giảm giá thành của các mô-đun quang điện (Photovoltaic modules) cùng với sự phát triển của công nghệ chế tạo các tế bào quang điện (PV cell technology), bên cạnh đó là các nghiên cứu ứng dụng điện tử công suất, các giải thuật điều khiển trong kết nối lưới để nâng cao hiệu suất, giảm chi phí, giảm kích thước và khối lượng của bộ chuyển đổi công suất, do đó năng lượng mặt trời đã và đang là nguồn năng lượng đầy tiềm năng để cạnh tranh với các nguồn năng lượng tái tạo khác cũng như năng lượng hóa thạch.
Với những cái nhìn tổng quan trên, năng lượng mặt trời cùng với các ứng dụng của điện tử công suất và điều khiển kết nối lưới sẽ là nhiệm vụ chủ đạo của luân văn.2 Hệ thống năng lượng mặt trời Bên cạnh các mô-đun quang điện để chuyển quang năng thành điện năng cho hiệu suất cao và giá thành rẻ thì vấn đề kết nối lưới hệ thống năng lượng mặt trời PV đóng vai trò quan trọng của hệ thống PV. Một hệ thống PV nối lưới hiệu quả cao, đáng tin cậy khi kết nối lưới trong điều kiện phụ thuộc vào điều khiển về môi trường Trang 2 GVHD: PGS.TS PHAN QUỐC DŨNG LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ HỌC VIÊN: NGUYỄN MINH NHẬT (bức xạ (irradiance level) và nhiệt độ môi trường xung quanh (ambient temperature)) là yêu cầu cần phải có khi kết nối lưới hệ thống PV. Các thiết bị điện tử công suất, gọi tắt là nghịch lưu PV (PV inverter), cùng với các giải thuật điều khiển thông minh [1], [2], [53], cho phép kết lưới hiệu quả hệ thống năng lượng mặt trời. Do đó, hệ thống điện năng lượng mặt trời PV được cho là hiệu quả khi đảm bảo các tiêu chí: khai thác tối ưu nguồn năng lượng mặt trời từ các tấm pin mặt trời PV trong các điều kiện môi trường khác nhau, đồng bộ với lưới điện khu vực, tuân thủ các yêu cầu về kết nối điện.
Trong mục này sẽ đề cập các vấn đề giới thiệu tóm tắt lý thuyết các đặc tính của tế bào quang điện (solar PV cell) trong việc chuyển đổi quang năng thành điện năng, các cấu hình kết nối lưới của hệ thống PV. Các vấn đề về các bộ điện tử công suất, giải thuật điều khiển kết nối lưới hệ thống PV sẽ được đề cập ở các chương khác.1 Mô-đun quang điện (Photovoltaic modules) và đường cong I-V và P-V a) Giới thiệu mô-đun quang điện (Module PV) Mô-đun PV được cấu tạo từ các kết nối các tế bào quang điện (PV cells), các tế bào quang điện được làm bằng hai lớp của các thiết bị bán dẫn tinh thể silicon (monocrystalline and polycrystalline), hay còn gọi là thin-film (bao gồm cadmium telluride, copper indium gallium selenide and amorphous silicon), hình thành nên lớp p-n (p-n junction field) [2]. Khi các photon của tế bào quang điện có năng lượng bằng hoặc lớn hơn năng lượng của band-gap của bán dẫn, thì các photon này được kích thích và trở thành các electron tự do. Khi mạch PV được đóng lại (kết nối tải hoặc các thiết bị chuyển đổi công suất), các electron tự do này sẽ sinh ra dòng điện một chiều từ cực dương của bán dẫn đến cực âm của bán dẫn (thiếu electron) để lấp đầy các lỗ trống (positive holes), lúc này năng lượng mặt trời chuyển đổi thành điện năng.
Vì vậy cường độ dòng điện sinh ra bới các mô-đun quang điện phụ thuộc trực tiếp vào số lượng của các kích thích đến photon, nghĩa là khi bức xạ mặt trời cao sẽ sinh ra nhiều photon có đủ năng lượng để hình thành các electron tự do và vì vậy cường độ dòng điện của mô-đun quang điện sẽ lớn.4 Sơ đồ hoạt động của một tế bào quang điện Trang 3 GVHD: PGS.TS PHAN QUỐC DŨNG LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ HỌC VIÊN: NGUYỄN MINH NHẬT Đặc tính của mô-đun quang điện hay tế bào quang điện là phi tuyến và phụ thuộc vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ môi trường xung quanh [2]. Mô hình của tế bào quang điện được nêu ở Hình 1.5, bao gồm nguồn dòng mắc song song với diode, điện trở song song Rsh và điện trở nối tiếp Rs. Phương trình Kishor cho tế bào quang điện [2]: q ( vPV iPV Rs ) v i R iPV iL i0 (e nKT 1) PV PV s (1.1) Rsh Với VPV : Điện áp đầu ra của tế bào (V) iPV : Dòng điện đầu ra của tế bào (A) Rs : điện trở kí sinh mắc nối tiếp của tế bào (Ω) Rsh : Điện trở kí sinh mắc song song của tế bào (Ω) q : Điện tích (Electronic charge): 1,6 x 10-19 (Coulombs) K : Hàng số Boltzmann: 1,38 x 10-23 (J/K) T : Nhiệt độ Kelvin (K) n : Hệ số của diode lý tưởng: n = 1 io : Dòng điện bão hòa ngược của tế bào: 10-12 (A/cm2) iph : Dòng điện photon (Cell photon current) 35-40mA/cm2/tế bào Hình 1.5 Mô hình điện của tế bào quang điện Các tế bào quang điện được nối nối tiếp hoặc song với nhau để tạo ra một điện áp, dòng điện và công suất lớn. Mô-đun các pin mặt trời gồm các mạch tế bào quang điện nối với nhau trên một tấm mỏng và đây chính là khối cơ bản của hệ thống pin mặt trời.
Các cấp lớn hơn mô-đun PV là array PV như Hình 1. Nhiều tế bào quang điện kết hợp lại tạo thành tấm pin. Các tế bào pin quang điện được mắc nối tiếp hoặc song song với nhau để tạo điện áp ra theo yêu cầu. Khi mắc nối tiếp dòng điện của một tế bào quang điện cũng chính là dòng điện của tấm pin và điện áp của tấm pin sẽ là tổng điện áp của các tấm pin cộng lại.
Trang 4 GVHD: PGS.TS PHAN QUỐC DŨNG LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ HỌC VIÊN: NGUYỄN MINH NHẬT Hình 1.6 Mô-đun quang điện và hệ thống PV Khi mắc song song dòng điện của tấm pin sẽ là tổng dòng điện của mỗi tế bào pin cộng lại và điện áp của tấm pin bằng chính điện áp của một tế bào quang điện. Mô hình của một tấm pin gồm 36 tế bào pin quang điện kết hợp lại với nhau như Hình 1.7 Tấm pin mặt trời gồm 36 tế bào quang điện mắc nối tiếp nhau Đơn giản như những hệ thống khác, hệ thống mô-đun PV cũng tạo ra điện như các thế thông khác nhưng các thiết bị tạo ra thì khác hơn nhiền so với các hệ thống tạo ra điện thông thường. Tuy nhiên nguyên tắc hoạt động và giao tiếp với các thiết bị điện thì vẫn như cũ và dựa trên các tiêu chuẩn kỹ thuật chuẩn. b) Đường cong I-V và P-V của mô-đun quang điện (Mô-đun PV): Từ phương trình (1.1) ta thấy mối quan hệ giữa (I-V và P-V) là phi tuyến, phụ thuộc vào lượng bức xạ mặt trời và nhiệt độ môi trường như ở Hình 1.
Do tính phi tuyến và phụ thuộc vào môi trường, như đã thể hiện ở Hình 1.8, nên cần một giải thuật MPPT (Maximum Power Point Tracking) để đảm bảo rằng lượng điện Trang 5 GVHD: PGS.TS PHAN QUỐC DŨNG LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ HỌC VIÊN: NGUYỄN MINH NHẬT năng chuyển đổi từ năng lượng mặt trời là tối đa, và qua đó giảm chi phí đầu tư (suất đầu tư) của hệ thống PV.8 Đặc tính của mô-đun quang điện PV: (a) đường cong I-V, (b) đường cong P-V Ở Hình 1.8 đường cong P-V có các “đỉnh” phụ thuộc vào các điều kiện khác nhau của môi trường. Đường cong P-V chia làm 03 phân đoạn: a) Climbing – tăng với dp/dv > 0, khi đó tấm PV hoạt động với dòng điện của PV là hằng số; b) Going- down – giảm với dp/dv < 0; c) the-top – đạt công suất cực đại khi dp/dv = 0, với điểm công suất cực đại Maximum Power Point (MPP) tại điều kiện nhiệt độ 250C và bức xạ 1000W/m2 [53]. Nhiều giải thuật tìm công suất cực đại MPPT nêu ở [2]: phương pháp Perturb-and-Observe (P&O), phương pháp độ dẫn (Incremental Conductance - INC).
