Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu hệ thống điện mặt trời làm việc trong điều kiện bóng che không đồng đều

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích nghiên cứu hệ thống điện mặt trời làm việc trong điều kiện có bóng che tức thời không đồng đều, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất

• Tác giả: Trần Quốc Tuấn
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Hữu Phúc
• Trường học: Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Điện - Điện Tử
• Đề tài: Nghiên cứu hệ thống điện mặt trời dưới bóng che không đồng đều
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• MỤC LỤC
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu
• 1.2. Tiềm năng năng lượng mặt trời ở thế giới và Việt Nam
• 1.2.1. Tình hình sử dụng pin NLMT ngoài nước
• 1.2.1.1. Dự án Solar Star 579MW, California
• 1.2.1.2. Desert Sunlight Solar Farm 550MW, California
• 1.2.1.3. Topaz Solar Farms 550 MW, California
• 1.2.1.4. Longyangxia Dam Solar Park 530 MW, Qinghai
• 1.2.2. Tình hình sử dụng pin NLMT ở trong nước
• 1.2.2.1. Nhà máy điện mặt trời Thiên Tân
• 1.2.2.2. Nhà máy quang năng An Hội
• 1.2.2.3. Dự án NLMT trên đảo Trường Sa
• 1.2.3. Nhận xét chung
• 1.3. Điểm công suất cực đại và tác động do bóng che của Pin NLMT
• 1.4. Mục tiêu luận văn
• 1.5. Nhiệm vụ luận văn
• 1.6. Phạm vi luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Tế bào quang điện
• 2.1.1. Đặc tính của tế bào quang điện
• 2.1.2. Các tấm pin quang điện và các dãy pin quang điện
• 2.1.3. Các loại tế bào quang điện
• 2.2. Các ứng dụng chủ yếu của PV
• 2.3. Pin NLMT và phương trình toán của pin NLMT
• 2.3.1. Phương trình tương đương của pin NLMT
• 2.3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến pin NLMT
• 2.3.3. Phương trình tương đương của bộ pin NLMT
• 2.4. Các thuật toán phổ biến xác định điểm công suất cực đại của pin mặt trời
• 2.4.1. Thuật toán nhiễu loạn và quan sát P&O
• 2.4.2. Thuật toán điện dẫn gia tăng INC
• 2.5. Hiện tượng bóng che một phần và các ảnh hưởng
• 3. CHƯƠNG 3: ĐỀ XUẤT THUẬT TOÁN ĐÁP ỨNG CÁC ĐIỀU KIỆN THAY ĐỔI
• 3.1. Phân tích các đường cong đặc trưng trong điều kiện PSC
• 3.2. Giải thuật đề xuất tìm điểm MPPT khi các dãy pin bị bóng che một phần (Mức bức xạ trên các PV bị che là đồng đều)
• 3.3. Giải thuật đề xuất tìm điểm MPPT khi bị bóng che một phần (Mức bức xạ trên các PV bị che là không đồng đều)
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
• 4.1. Mô hình hóa mô phỏng
• 4.1.1. Khối pin NLMT
• 4.1.2. Khối mạch DC/DC và bus DC
• 4.1.3. Khối điều khiển
• 4.1.4. Mô hình mô phỏng của hệ thống pin NLMT
• 4.1.5. Mô hình kiểm tra công suất dãy pin NLMT khi bị bóng che một phần
• 4.2. Kết quả mô phỏng
• 4.2.1. Khi BXMT trên các tấm pin lần lượt là 1000, 1000, 1000, 400 W/m2
• 4.2.2. Khi BXMT trên các tấm pin lần lượt là 1000, 400, 400, 400 W/m2
• 4.2.3. Khi BXMT trên các tấm pin lần lượt là 1000, 1000, 700, 400 W/m2
• 4.2.4. Khi BXMT trên các tấm pin lần lượt là 400, 500, 600, 1000 W/m2
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
• 5.1. Kết luận
• 5.2. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu hệ thống điện mặt trời dưới bóng che không đồng đều

Nghiên cứu về hệ thống điện mặt trời dưới bóng che không đồng đều đang trở thành một chủ đề nóng trong lĩnh vực năng lượng tái tạo. Với sự gia tăng nhu cầu về năng lượng sạch, việc tối ưu hóa hiệu suất của các tấm pin mặt trời là rất quan trọng. Hiện tượng bóng che có thể làm giảm đáng kể hiệu suất của hệ thống điện mặt trời, dẫn đến việc giảm sản lượng điện và hiệu quả kinh tế. Do đó, việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp để nhận diện và xử lý vấn đề này là cần thiết.

1.1. Tại sao bóng che ảnh hưởng đến hiệu suất năng lượng mặt trời

Bóng che không đồng đều có thể gây ra sự giảm sút hiệu suất của hệ thống điện mặt trời. Khi một phần của tấm pin bị che khuất, dòng điện sản xuất ra sẽ bị giảm, dẫn đến việc giảm công suất tổng thể. Nghiên cứu cho thấy rằng hiệu suất của các tấm pin có thể giảm đến 50% trong điều kiện bóng che nặng. Điều này không chỉ ảnh hưởng đến sản lượng điện mà còn làm tăng chi phí vận hành và bảo trì.

1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến bóng che trong hệ thống điện mặt trời

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hiện tượng bóng che trong hệ thống điện mặt trời. Các yếu tố này bao gồm vị trí lắp đặt, cấu trúc xung quanh, và thời tiết. Việc hiểu rõ các yếu tố này sẽ giúp các kỹ sư thiết kế hệ thống hiệu quả hơn, từ đó tối ưu hóa sản lượng điện. Nghiên cứu cho thấy rằng việc lắp đặt tấm pin ở vị trí tối ưu có thể giảm thiểu tác động của bóng che.

II. Thách thức trong việc tối ưu hóa hiệu suất năng lượng mặt trời

Một trong những thách thức lớn nhất trong việc tối ưu hóa hiệu suất năng lượng mặt trời là hiện tượng bóng che không đồng đều. Điều này không chỉ làm giảm sản lượng điện mà còn gây ra sự không đồng nhất trong việc phân phối năng lượng. Các hệ thống điện mặt trời hiện tại cần phải được thiết kế để có thể hoạt động hiệu quả ngay cả trong điều kiện bóng che. Việc phát triển các giải pháp công nghệ mới là rất cần thiết để giải quyết vấn đề này.

2.1. Tác động của bóng che đến hiệu suất năng lượng

Bóng che có thể gây ra sự giảm sút hiệu suất của hệ thống điện mặt trời. Khi một phần của tấm pin bị che khuất, dòng điện sản xuất ra sẽ bị giảm, dẫn đến việc giảm công suất tổng thể. Nghiên cứu cho thấy rằng hiệu suất của các tấm pin có thể giảm đến 50% trong điều kiện bóng che nặng.

2.2. Giải pháp công nghệ để giảm thiểu tác động của bóng che

Các giải pháp công nghệ như sử dụng công nghệ điện mặt trời thông minh có thể giúp giảm thiểu tác động của bóng che. Việc áp dụng các thuật toán tối ưu hóa và hệ thống điều khiển thông minh có thể giúp tăng cường hiệu suất của hệ thống ngay cả trong điều kiện bóng che không đồng đều.

III. Phương pháp nghiên cứu và giải pháp chính cho hệ thống điện mặt trời

Để giải quyết vấn đề bóng che không đồng đều, nhiều phương pháp nghiên cứu đã được đề xuất. Các phương pháp này bao gồm việc sử dụng các thuật toán tối ưu hóa để xác định điểm công suất cực đại (MPPT) trong điều kiện bóng che. Việc áp dụng các công nghệ mới như công nghệ điện mặt trời thông minh cũng là một giải pháp khả thi.

3.1. Thuật toán tối ưu hóa điểm công suất cực đại

Thuật toán tối ưu hóa điểm công suất cực đại (MPPT) là một trong những phương pháp quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống điện mặt trời. Các thuật toán như P&O và INC đã được áp dụng để tìm kiếm điểm công suất tối ưu trong điều kiện bóng che không đồng đều.

3.2. Công nghệ điện mặt trời thông minh

Công nghệ điện mặt trời thông minh giúp tối ưu hóa hiệu suất của các tấm pin trong điều kiện bóng che. Việc sử dụng cảm biến và hệ thống điều khiển thông minh có thể giúp tăng cường khả năng thu năng lượng từ ánh sáng mặt trời, ngay cả khi có bóng che.

IV. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu về hệ thống điện mặt trời

Nghiên cứu về hệ thống điện mặt trời dưới bóng che không đồng đều đã cho thấy nhiều ứng dụng thực tiễn. Các dự án điện mặt trời lớn trên thế giới đã áp dụng các phương pháp tối ưu hóa để nâng cao hiệu suất. Kết quả cho thấy rằng việc áp dụng các công nghệ mới có thể giúp tăng cường sản lượng điện và giảm thiểu tác động của bóng che.

4.1. Các dự án điện mặt trời thành công

Nhiều dự án điện mặt trời lớn đã áp dụng các phương pháp tối ưu hóa để nâng cao hiệu suất. Ví dụ, dự án Solar Star tại California đã sử dụng công nghệ theo dõi ánh sáng mặt trời để tối ưu hóa sản lượng điện, giảm thiểu tác động của bóng che.

4.2. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng công nghệ mới

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng các công nghệ mới có thể giúp tăng cường sản lượng điện và giảm thiểu tác động của bóng che. Các hệ thống điện mặt trời hiện đại đã cho thấy khả năng hoạt động hiệu quả ngay cả trong điều kiện bóng che không đồng đều.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu hệ thống điện mặt trời

Nghiên cứu về hệ thống điện mặt trời dưới bóng che không đồng đều là một lĩnh vực quan trọng trong việc phát triển năng lượng tái tạo. Việc tối ưu hóa hiệu suất của các tấm pin mặt trời sẽ giúp nâng cao sản lượng điện và giảm thiểu tác động của bóng che. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều giải pháp công nghệ mới, giúp cải thiện hiệu quả của hệ thống điện mặt trời.

5.1. Tương lai của công nghệ điện mặt trời

Công nghệ điện mặt trời đang phát triển nhanh chóng với nhiều giải pháp mới được đề xuất. Việc nghiên cứu và phát triển các công nghệ mới sẽ giúp tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống điện mặt trời trong tương lai.

5.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu trong phát triển năng lượng tái tạo

Nghiên cứu về hệ thống điện mặt trời không chỉ giúp nâng cao hiệu suất mà còn đóng góp vào sự phát triển bền vững của năng lượng tái tạo. Việc tìm kiếm các giải pháp mới sẽ giúp đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng của thế giới.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Sự gia tăng nhu cầu năng lượng toàn cầu cùng tình trạng cạn kiệt của nhiên liệu hóa thạch đã thúc đẩy mạnh mẽ quá trình chuyển dịch sang năng lượng tái tạo. Tính đến cuối năm 2015, tổng công suất lắp đặt quang điện (PV) toàn cầu đã đạt 227 GW, với sự xuất hiện của các nhà máy quy mô lớn như Solar Star (579 MW tại California, giúp giảm 570.000 tấn CO2 mỗi năm) hay Longyangxia Dam (530 MW tại Trung Quốc, giảm 795.000 tấn CO2 mỗi năm). Tại Việt Nam, nhiều dự án trọng điểm đã được đưa vào vận hành hiệu quả như Nhà máy điện mặt trời Thiên Tân công suất 19,2 MW (cung cấp 28 triệu kWh mỗi năm) và hệ thống lai ghép gió - mặt trời tại 48 điểm đảo thuộc quần đảo Trường Sa với hơn 5.700 tấm pin, giúp tiết kiệm 700.000 lít dầu diesel mỗi năm.

Tuy nhiên, hiệu suất phát điện của các hệ thống quang điện chịu ảnh hưởng nặng nề bởi hiện tượng bóng che một phần (Partial Shading Conditions - PSC) xuất phát từ mây che, bóng cây, bụi bẩn hoặc các công trình xung quanh. Khi xảy ra PSC, đường đặc tính công suất - điện áp (P-V) của mảng pin không còn dạng đơn đỉnh mà xuất hiện nhiều điểm cực đại cục bộ (Local Maximum Power Point - LMPP) cùng một điểm cực đại toàn cục (Global Maximum Power Point - GMPP). Các phương pháp bám điểm công suất cực đại (MPPT) truyền thống dễ bị mắc kẹt tại các LMPP, gây tổn thất sản lượng điện năng lên tới 70%.

Nghiên cứu này được thực hiện nhằm đề xuất một giải thuật MPPT cải tiến có khả năng nhận dạng chính xác hiện tượng bóng che và bám nhanh điểm GMPP, loại bỏ quá trình quét mù làm lãng phí năng lượng. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mô hình hóa mảng pin quang điện nối bus DC và kiểm chứng giải thuật thông qua mô phỏng trên nền tảng MATLAB/Simulink tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn quan trọng, giúp tối ưu hóa công suất thu hồi, nâng cao hiệu quả vận hành và gia tăng độ tin cậy kinh tế cho các hệ thống năng lượng mặt trời.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết vật lý bán dẫn của tế bào quang điện (PV cell). Một tế bào PV đơn lẻ tạo ra mức điện áp khoảng 0,5 V và công suất xấp xỉ 2 W. Mối quan hệ dòng điện - điện áp (I-V) của pin mặt trời được xác định thông qua mô hình mạch điện tương đương một diode, bao gồm nguồn dòng quang điện Iph, dòng bão hòa Is, điện trở nối tiếp Rs và điện trở rò Rsh. Dòng quang điện phụ thuộc trực tiếp vào cường độ bức xạ mặt trời (chuẩn hóa tại mức 1000 W/m2) và nhiệt độ vận hành theo các hằng số vật lý như điện tích electron q = 1,6x10^-19 C và hằng số Boltzmann k = 1,38x10^-23 J/K.

Về mặt công nghệ vật liệu, hiệu suất quang điện có sự khác biệt rõ rệt giữa các dòng sản phẩm: pin Silicon đơn tinh thể (Mono-Si) đạt hiệu suất 13-17%, Silicon đa tinh thể (Poly-Si) đạt 11-15%, Silicon vô định hình (a-Si) đạt 6-8%, trong khi các tế bào quang điện lai (Hybrid PV) có thể đạt hiệu suất vượt trên 18%.

Đối với bài toán tối ưu hóa công suất, hai thuật toán MPPT kinh điển được sử dụng làm cơ sở đối chiếu là Thuật toán Nhiễu loạn và Quan sát (P&O) và Thuật toán Điện dẫn Gia tăng (INC). Cả hai phương pháp này đều dựa trên đặc tính đạo hàm dP/dV = 0 tại điểm cực đại trong điều kiện bức xạ đồng nhất. Khi xảy ra hiện tượng bóng che một phần (PSC), các diode bypass được tích hợp song song với các nhóm pin sẽ phân cực thuận và dẫn dòng để bảo vệ tế bào pin khỏi hiện tượng điểm nóng (hotspot). Sự dẫn dòng này tạo ra sụt áp âm khoảng -0,7 V trên module bị che, khiến đường cong P-V trở nên phi tuyến phức tạp với nhiều đỉnh công suất.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô hình hóa toán học kết hợp mô phỏng số trên môi trường phần mềm chuyên dụng MATLAB/Simulink. Hệ thống nghiên cứu gồm một mảng pin quang điện mắc nối tiếp 4 module PV tiêu chuẩn, kết nối với tải thông qua bộ biến đổi giảm áp DC/DC Buck converter và khối điều khiển trung tâm. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 4 kịch bản chiếu xạ điển hình đại diện cho các điều kiện vận hành thực tế:

1. Bức xạ phân bố ở mức 1000, 1000, 1000, 400 W/m2.
2. Bức xạ phân bố ở mức 1000, 400, 400, 400 W/m2.
3. Bức xạ phân bố ở mức 1000, 1000, 700, 400 W/m2.
4. Bức xạ phân bố đa mức ở mức 400, 500, 600, 1000 W/m2.

Phương pháp chọn mẫu kịch bản có chủ đích được áp dụng nhằm bao quát cả hai trường hợp: che bóng với mức bức xạ đồng đều trên các tấm bị che và che bóng với nhiều mức bức xạ không đồng đều. Lý do lựa chọn phương pháp phân tích mô phỏng số là nhằm đảm bảo khả năng theo dõi chính xác các đáp ứng quá độ mili-giây của dòng điện và điện áp, đồng thời triệt tiêu nguy cơ hỏng hóc thiết bị phần cứng do quá nhiệt trong quá trình thử nghiệm lặp lại nhiều lần. Thuật toán cải tiến thiết lập điện áp tham chiếu khởi tạo ban đầu tại 85% điện áp hở mạch (0,85 Voc) và sử dụng ngưỡng sai lệch điện áp chuẩn xác Const = 0,05 V để phát hiện tức thời trạng thái che bóng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và phân tích đặc tuyến đã làm sáng tỏ các quy luật vận hành cốt lõi của hệ thống PV dưới điều kiện bóng che một phần:

Thứ nhất, số lượng đỉnh cực đại trên đường cong P-V tương ứng chính xác với số lượng các mức bức xạ khác nhau chiếu trên mảng PV. Trong kịch bản 1 module bị che ở mức 400 W/m2 và 3 module nhận bức xạ 1000 W/m2, đường đặc tính P-V phân tách thành 2 vùng rõ rệt: vùng bên trái tương ứng với trạng thái diode bypass dẫn dòng (điện áp module bị che giảm về giá trị xấp xỉ -0,7 V) và vùng bên phải khi tất cả module cùng phát điện.

Thứ hai, thuật toán GMPPT cải tiến nhận diện sự xuất hiện của PSC với độ nhạy cao thông qua điều kiện sai lệch điện áp giữa các module vượt quá ngưỡng 0,05 V. Cơ chế này loại bỏ hoàn toàn việc phải quét mù toàn bộ dải điện áp từ 0 đến Voc, giúp tiết kiệm đáng kể thời gian tìm kiếm.

Thứ ba, giải thuật đề xuất thể hiện khả năng hội tụ tuyệt đối về điểm công suất cực đại toàn cục (GMPP). Trong tất cả các kịch bản thử nghiệm từ bức xạ đồng nhất chuyển sang bức xạ phân tầng (từ 400 W/m2 đến 1000 W/m2), hệ thống nhanh chóng xác định đúng đỉnh GMPP, giúp gia tăng sản lượng công suất thu hồi từ 25% đến trên 70% so với trường hợp các bộ điều khiển P&O cổ điển bị mắc kẹt tại đỉnh LMPP.

Thảo luận kết quả

Sự vượt trội của giải thuật đề xuất bắt nguồn từ cơ chế phân nhóm điện áp thông minh và khả năng đọc tín hiệu phân cực của diode bypass. Khi điện áp của bất kỳ module nào nhỏ hơn 0 V, hệ thống lập tức khoanh vùng đỉnh cực đại nằm ở phần bên trái đường cong. Ngược lại, khi các module đều có điện áp dương, thuật toán sẽ phân tách thành hai nhóm điện áp để xác định đỉnh phía bên phải.

So sánh với các nghiên cứu của các tác giả trước đây tại Việt Nam (như giải thuật INC cải tiến hay bộ điều chỉnh điện áp MPPT có gia số biến thiên), cũng như các phương pháp quét toàn dải trên thế giới, phương pháp này vượt trội ở khả năng giảm thiểu tối đa hiện tượng dao động công suất quanh điểm cực đại và rút ngắn thời gian đáp ứng khi bức xạ biến đổi đột ngột.

Dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan thông qua các họ đường đặc tính I-V đa bậc và đồ thị P-V đa đỉnh. Dạng sóng điện áp bus DC và công suất đầu ra theo thời gian thực trong MATLAB/Simulink thể hiện rõ quỹ đạo chuyển trạng thái mượt mà từ điểm làm việc ban đầu (0,85 Voc) đến điểm GMPP xác lập. Một bảng tổng hợp so sánh giữa phương pháp truyền thống và giải thuật cải tiến ở 4 chế độ bức xạ minh chứng rõ ràng mức gia tăng công suất thu hồi ổn định từ 30% đến 65%, khẳng định tính đúng đắn của giải pháp đề xuất.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm tối ưu hóa hiệu quả vận hành của các hệ thống quang điện trong điều kiện thực tế, các giải pháp kỹ thuật và quản lý được khuyến nghị triển khai theo lộ trình cụ thể:

Thứ nhất, tích hợp thuật toán GMPPT cải tiến vào firmware của các bộ biến tần chuỗi (String Inverter) thương mại nhằm rút ngắn thời gian bám điểm cực đại xuống dưới 0,2 giây, giúp tăng sản lượng phát điện thực tế từ 15% đến 25% cho các hệ thống áp mái đô thị. Thời gian thực hiện từ 6 đến 12 tháng do các kỹ sư R&D và đơn vị sản xuất biến tần phụ trách.

Thứ hai, triển khai hệ thống cảm biến đo điện áp phân đoạn trên từng chuỗi module với độ phân giải đạt ngưỡng sai lệch 0,05 V. Giải pháp này cho phép phát hiện sớm hiện tượng suy giảm công suất cục bộ và kích hoạt bảo vệ quá nhiệt điểm nóng, giúp giảm tỷ lệ hỏng hóc tế bào quang điện xuống dưới 1% mỗi năm. Lộ trình áp dụng trong vòng 3 đến 6 tháng bởi các đơn vị quản lý vận hành O&M.

Thứ ba, chuẩn hóa thiết kế khoảng cách và góc nghiêng lắp đặt dàn pin từ 15 đến 25 độ tại các dự án nhà máy điện mặt trời quy mô lớn (tương tự tiêu chuẩn tại Topaz Solar Farms), nhằm hạn chế tối đa bóng che tương hỗ giữa các dãy pin trong các khung giờ bức xạ thấp, mục tiêu khống chế tổn thất bóng che tĩnh dưới mức 5%. Nhiệm vụ này do các tổng thầu EPC thực hiện ngay trong giai đoạn thiết kế kỹ thuật.

Thứ tư, xây dựng hệ thống giám sát và cảnh báo từ xa qua mạng truyền thông không dây (tương tự mô hình vận hành tại nhà máy điện Côn Đảo công suất 36 kW), cho phép tự động điều chỉnh chu kỳ ngắt định thời của bộ điều khiển khi biên độ bức xạ dao động trên 30%, triển khai trong vòng 6 tháng bởi các doanh nghiệp giải pháp năng lượng số.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị thiết thực cho nhiều nhóm đối tượng:

Nhóm kỹ sư thiết kế và vận hành hệ thống điện mặt trời (EPC & O&M): Tài liệu cung cấp cơ sở phân tích đặc tính phi tuyến và phương pháp tính toán tổn thất bóng che, giúp tối ưu hóa sơ đồ đấu nối và lựa chọn cấu hình biến tần phù hợp cho các nhà máy quy mô lớn (từ 19,2 MW đến hàng trăm MW) cũng như các hệ thống pin mặt trời phân tán.

Nhóm nghiên cứu và phát triển sản phẩm (R&D biến tần quang điện): Bản mô tả chi tiết lưu đồ thuật toán GMPPT cải tiến, phương trình toán học và ngưỡng nhận diện 0,05 V là tài liệu tham khảo trực tiếp để lập trình vi điều khiển DSP/ARM trong các thiết bị sạc MPPT và Inverter thế hệ mới.

Nhóm giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử: Luận văn là tài liệu học thuật hoàn chỉnh về mô hình tương đương một diode của PV cell, phân tích mạch Buck DC/DC và cung cấp nền tảng mã nguồn mô phỏng trên MATLAB/Simulink phục vụ nghiên cứu mở rộng sang các thuật toán tối ưu hóa bầy đàn (PSO) hoặc trí tuệ nhân tạo (AI).

Nhóm chủ đầu tư và các nhà hoạch định chính sách năng lượng: Các phân tích thực tế từ các công trình lớn trên thế giới (như Desert Sunlight 550 MW) và hải đảo (tiết kiệm 700.000 lít dầu tại Trường Sa) cung cấp luận cứ kỹ thuật vững chắc để thẩm định dự án và tối ưu hóa bài toán hoàn vốn kinh tế.

Câu hỏi thường gặp

Hiện tượng bóng che một phần (PSC) gây tổn thất năng lượng như thế nào trong hệ thống quang điện? Khi một số tấm pin bị che khuất bởi mây hoặc bóng cây, chúng nhận mức bức xạ thấp hơn các tấm khác (ví dụ 400 W/m2 so với 1000 W/m2). Tình trạng này làm phát sinh nhiều đỉnh cực đại cục bộ trên đường đặc tính P-V. Nếu hệ thống điều khiển bị khóa vào đỉnh cục bộ, tổn thất công suất có thể vượt quá 70% kèm theo nguy cơ phá hủy pin do quá nhiệt.

Tại sao các thuật toán MPPT truyền thống như P&O hay INC lại mất hiệu quả khi có bóng che? Các phương pháp P&O và INC hoạt động dựa trên nguyên lý độ dốc dP/dV = 0 trên đường đặc tính đơn đỉnh. Khi xảy ra hiện tượng bóng che tạo ra nhiều đỉnh cục bộ (LMPP), các thuật toán này sẽ dừng lại ngay tại đỉnh cực đại đầu tiên mà nó tiếp cận được, hoàn toàn không có cơ chế nhận biết và nhảy sang đỉnh cực đại toàn cục (GMPP).

Giải thuật đề xuất nhận dạng trạng thái bóng che một phần bằng cách nào? Thuật toán sử dụng một ngắt định thời để liên tục quét và so sánh điện áp giữa các module PV trong cùng chuỗi. Khi độ chênh lệch điện áp vượt qua ngưỡng sai lệch 0,05 V hoặc khi xuất hiện điện áp âm xấp xỉ -0,7 V do diode bypass thông mạch, bộ điều khiển sẽ lập tức xác nhận trạng thái PSC và chuyển sang chương trình con GMPP.

Việc thiết lập điện áp tham chiếu ban đầu tại 85% Voc mang lại ý nghĩa gì? Mức thiết lập 85% điện áp hở mạch (0,85 Voc) giúp đưa điểm làm việc ban đầu của hệ thống vào sát vùng lân cận điểm công suất cực đại trong điều kiện vận hành chuẩn. Điều này rút ngắn tối đa thời gian khởi động của bộ biến đổi Buck DC/DC và giảm thiểu năng lượng tổn hao trong giai đoạn xác lập ban đầu.

Thuật toán này có đòi hỏi phần cứng phức tạp và đắt tiền khi triển khai thực tế không? Thuật toán không yêu cầu các cảm biến bức xạ đắt tiền hay bộ xử lý hiệu năng cao. Nhờ cấu trúc logic dựa trên việc đo đạc điện áp sẵn có và điều chế độ rộng xung (PWM) của mạch Buck, giải thuật hoàn toàn có thể nhúng trực tiếp vào các vi điều khiển 32-bit thông dụng với chi phí sản xuất phần cứng rất thấp.

Kết luận

• Luận văn đã mô hình hóa toàn diện đặc tính phi tuyến của mảng pin quang điện và giải thích bản chất sụt áp -0,7 V của diode bypass dưới điều kiện bóng che một phần.
• Đề xuất thành công giải thuật GMPPT cải tiến với cơ chế kích hoạt thông minh dựa trên ngưỡng sai lệch điện áp 0,05 V, khắc phục triệt để hiện tượng mắc kẹt tại cực đại địa phương.
• Kiểm chứng xuất sắc độ chính xác của giải thuật trên 4 kịch bản bức xạ biến thiên từ 400 W/m2 đến 1000 W/m2 bằng phần mềm MATLAB/Simulink.
• Nâng cao hiệu suất thu hồi công suất hệ thống từ 25% đến trên 70% so với phương pháp P&O truyền thống, đồng thời đảm bảo an toàn nhiệt cho các tế bào pin.
• Cung cấp giải pháp công nghệ khả thi, chi phí thấp, sẵn sàng tích hợp vào các bộ điều khiển sạc và biến tần quang điện nối lưới.

Đóng góp lớn nhất của nghiên cứu là cung cấp một giải thuật điều khiển tối ưu hóa năng lượng mặt trời chính xác, loại bỏ hoàn toàn quá trình quét mù tốn kém. Trong lộ trình 6 đến 12 tháng tới, hướng phát triển trọng tâm là chế tạo phần cứng thực nghiệm và tích hợp thuật toán xử lý dữ liệu thích nghi theo thời gian thực. Hãy liên hệ và áp dụng ngay các giải pháp kỹ thuật từ công trình nghiên cứu này để tối đa hóa hiệu suất cho hệ thống năng lượng tái tạo của bạn!

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu Nhu cầu năng lượng gia tăng từng ngày cùng sự tăng sự gia tăng của dân số thế giới. Khi sự gia tăng nhu cầu năng lượng cùng với việc các nguồn năng lượng thông thường đang phải đối mặt với tình trạng thiếu hụt và tác động môi trường, thì việc sử dụng năng lượng tái tạo đã trở nên quan trọng hơn. NLMT đã được chọn là nguồn năng lượng dồi dào nhất cho năng lượng trong tương lai và đang trở thành một đối thủ cạnh tranh mạnh mẽ với nhiên liệu hóa thạch. NLMT là một phương pháp quan trọng để tạo ra năng lượng sạch vì NLMT là tự do, phong phú, khả thi và thân thiện với môi trường.

Ngoài ra, nhiên liệu hoá thạch có rất nhiều nhược điểm, như giảm trữ lượng và ô nhiễm. Ngược lại, các nguồn năng lượng tái tạo được công nhận là năng lượng sạch hơn và sản xuất năng lượng mà không gây ô nhiễm. Các nhà máy điện truyền thống là một trong những nguyên nhân hàng đầu gây ô nhiễm môi trường và tác động tiêu cực đến sức khoẻ con người từ phát thải khí nhà kính [1]. Đây là một phương pháp thay thế nhằm hỗ trợ các nhà máy điện truyền thống hiện có trong giờ cao điểm.

Đặc biệt, các công nghệ năng lượng tái tạo đã trở thành một đóng góp quan trọng cho nhu cầu về tương lai năng lượng bền vững. Do đó, hoàn toàn là cần thiết để tìm một phương pháp thay thế của thế hệ để bảo vệ môi trường và sức khỏe từ tác động của năng lượng thông thường.2 Tiềm năng năng lượng mặt trời ở thế giới và Việt Nam Việc sử dụng NLMT để tạo ra điện là một hiện tượng gần đây và được biết đến như là NLTT. Các nền văn minh trong quá khứ dựa vào mặt trời để tạo ra ánh sáng và nhiệt cho các hoạt động hàng ngày. Việc sử dụng phổ biến nhất của ánh sáng này là thông qua các tế bào PV, giúp tạo ra điện khi đặt dưới ánh sáng mặt trời (bức xạ mặt trời).

Một tấm PV / dãy PV được tạo thành từ nhiều tế bào PV được lắp đặt trong một hệ thống riêng lẻ (độc lập) hoặc ở quy mô rất lớn dưới hình thức một trang trại NLMT (nối lưới). Một hệ thống PV bao gồm một tấm hoặc dãy PV, một bộ lưu điện và một biến tần, hoặc là pin (off-grid) hoặc một kết nối trực tiếp tới lưới điện thông qua một 1 kết nối với các đơn vị tiêu dùng (off-grid / on-grid).1 mô tả một hệ thống PV như một hệ thống độc lập được dùng để cung cấp năng lượng cho các tải độc lập và các hệ thống độc lập này thường có công suất nhỏ. Các hệ thống pin NLMT độc lập thường được gắn trên các mái nhà hoặc các tòa nhà dùng trong chiếu sáng các con đường, bãi đậu xe và dùng trong các ứng dụng sinh hoạt trong gia đình. 1 Hệ thống pin mặt trời vận hành độc lập Hình 1.2 minh hoạ cho việc thiết lập các tấm PV như một hệ thống kết nối lưới điện được lắp đặt dưới dạng một trang trại NLMT.

Mục đích của các trang trại NLMT là để đáp ứng các yêu cầu về tải có công suất lớn và lưới điện cao hơn, cung cấp điện năng ở quy mô lớn hơn. 2 Trang trại gió kết nối lưới điện 2 Việc sử dụng NLMT ngày càng tăng đã làm giảm việc tiêu thụ các nguồn năng lượng không tái tạo và do đó có thể dự đoán được sự gia tăng trong việc lắp đặt hệ thống PV (trang trại NLMT). Vào cuối năm 2015, tổng công suất lắp đặt toàn cầu của sản xuất NLMT đạt 227 GW theo báo cáo Renewables Global Status Report 2015 trong [23] được thể hiện như trong Hình 1. 3 Tổng sản lượng PV toàn cầu Hình 1.

4 Top 10 nước phát triển pin PV nhất thế giới đến 2015 3 Nhiều quốc gia đã xây dựng các trang trại NLMT để tạo ra điện năng rẻ và thay thế các nguồn không tái tạo. Cho đến gần đây, nhu cầu tập trung ở các nước giàu; Hiện nay, các thị trường mới nổi trên tất cả các châu lục đã bắt đầu đóng góp đáng kể vào tăng trưởng toàn cầu, với việc NLMT thường được lắp đặt tại các nơi mà điện cần thiết nhất: ở các nước đang phát triển. Đồng thời, nhiều thị trường có công suất lớn truyền thống trước đây ở châu Âu đã lắp đặt ít công suất vào năm 2015. Sự mở rộng thị trường ở hầu hết các nước trên thế giới là do sự cạnh tranh ngày càng tăng của các nhà sản xuất tấm pin NLMT cũng như các chương trình kích thích sử dụng năng lượng tái tạo của chính phủ.

Nhu cầu về điện và nâng cao nhận thức về tiềm năng PV của NLMT khi các quốc gia tìm cách làm giảm ô nhiễm và lượng phát thải CO2.1 Tình hình sử dụng pin NLMT ngoài nước. Trên thế giới hiện đã xây dựng được các nhà máy NLMT công suất lớn. Tiêu biểu có thể kể đến các dự án NLMT như sau: 1.1 Dự án Solar Star 579MW, California Hình 1. 5 Dự án Solar Star 579MW, California Đây là nhà máy NLMT lớn nhất thế giới thời điểm hiện nay, nhà máy tọa lạc tại Kern và Los Angeles ở California.

Với công suất 579MW, nhà máy Solar Star có khả năng phục vụ nhu cầu cho 255.000 hộ dân xung quanh. Công việc xây dựng nhà máy được bắt đầu năm 2013 và hoàn thành đưa vào sử dụng tháng 6 năm 2015. Nhà máy được xây dựng trên diện tích 13 km vuông gần Rosamond, California. Để có được 4 công suất lớn như vậy, nhà máy đã sử dụng hết 1.7 triệu module pin NLMT được làm từ bán dẫn đơn tinh thể.

Với công nghệ pin mặt trời, Solar Star ước tính đã tiết giảm được 570,000 tấn khí thải CO2 ra môi trường mỗi năng, lượng khí thải này tương đương với việc vận hành 108.000 chiếc xe hơi trên các đường phố mỗi năm. Nhà máy đã sử dụng công nghệ Oasis Power Plant được phát triển bởi Sun Power cho phép các tấm pin NLMT bám theo ánh sáng mặt trời trong suốt một ngày làm việc. Điều này cho phép nhà máy nâng hiệu suất thu NLMT đạt đến 25%. Công ty BHE là chủ sở hữu nhà máy điện mặt trời này và bán lượng điện năng thu được cho Southern California Edison với một hợp đồng dài hạn.2 Desert Sunlight Solar Farm 550MW, California Hình 1.

6 Desert Sunlight Solar Farm 550MW, California Trang trại Desert Sunlight Solar được đặt tại Riverside County và Carrizo Plain ở California. Nhà máy là sản phẩm hợp tác giữa tập đoàn GE và tập đoàn Sumitomo. Với công suất 550 MW, nhà máy có khả năng đáp ứng nhu cầu năng lượng của 160.000 hộ dân quanh vùng. Việc xây dựng nhà máy đã giúp tiết giảm gần 300.000 tấn khí CO2 thải ra môi trường mỗi năm, nó tương đương với khí thải của 60.

Dự án được xây dựng và vận hành bởi First Solar. Đây cũng là nhà cung cấp 8 triệu module pin NLMT có công nghệ cadmium telluride. Nhà máy được xây dựng trên diện tích 15. Giai đoạn 1 được khởi công vào tháng 9 năm 2011 có công suất 300 MW.

Giai đoạn 2 hoàn thành năm 2015 với công suất 250 MW.3 Topaz Solar Farms 550 MW, California. 7 Topaz Solar Farms 550 MW, California. Topaz Solar Farms là nhà máy điện NLMT có công suất 550 MW đặt tại vùng San Luis Obispo County, California. Nhà máy có khả năng cung cấp năng lượng cho 160.000 căn hộ trong vùng.

Dự án trị giá 2.5 tỉ USD được sở hữu bởi công ty BHE Renewables. Năng lượng thu được của dự án có thể giảm thiểu 377.000 tấn CO2 mỗi năm. Nó tương đương với khí thải của 73. Dự án tiêu tốn 9 triệu panel pin mặt trời, chúng được đặt nghiên 250 để tối ưu NLMT.

Nhà máy được bắt đầu xây dựng năm 2011 và hoàn thành năm 2014 trên diện tích 24. Điện năng được bán cho công ty Pacific Gas and Electric bằng một hợp đồng có thời hạn 25 năm.4 Longyangxia Dam Solar Park 530 MW, Qinghai Hình 1. 8 Longyangxia Dam Solar Park 530 MW, Qinghai 6 Longyangxia Dam Solar Park được đặt gần nhà máy thủy điện Longyangxia Dam trên lưu vực sông Hoàng Hà của Trung Quốc. Con đập được hoàn thành năm 1992.

Dự án pin NLMT trãi rộng trên diện tích 9.6 km vuông và là một phần của nhà máy hỗn hợp thủy điện-pin mặt trời lớn nhất thế giới. Công ty China Power Investment bắt đầu xây dựng vào tháng 3 năm 2013 và hoàn thành trong 9 tháng với công suất thiết kế là 320 MW. Giai đoạn 2 của dự khởi công vào tháng 8 năm 2015 và hoàn thành vào năm 2015 với công suất thiết kế 530 MW. Với kết quả này, dự án đã giảm thiểu được 795.000 tấn khí CO2 phát thải ra môi trường mỗi năm.2 Tình hình sử dụng pin NLMT ở trong nước Cùng với sự phát triển nhanh chóng của việc sử dụng NLMT trên thế giới, tại nước ta hiện nay việc sử dụng điện NLMT cũng được phát triển nhanh dưới sự hỗ trợ về giá cũng như cơ chế của nhà nước về phát triển năng lượng tái tạo.

Nhiều hệ thống NLMT được thi công và vận hành trong thời gian qua cũng như các hệ thống NLMT cho các hộ dân cũng được phát triển rộng khắp cả nước. Một số các công trình tiêu biểu được đưa ra như bên dưới.1 Nhà máy điện mặt trời Thiên Tân Ngày 29/8/2015, dự án Nhà máy quang điện mặt trời Thiên Tân do Công ty Cổ phần Đầu tư và Xây dựng Thiên Tân làm chủ đầu tư đã chính thức được khởi công xây dựng, nhà máy có công suất 19,2 MW với tổng mức đầu tư 800 tỉ đồng, được xây dựng trên diện tích 24 ha tại thôn Đạm Thủy, xã Đức Minh, huyện Mộ Đức, tỉnh Quảng Ngãi bằng nguồn vốn vay trong nước và nước ngoài. Dự án do Công ty TNHH Full Advantage làm tư vấn. Nhà máy quang điện mặt trời Thiên Tân được sử dụng công nghệ và thiết bị hiện đại, hiệu suất cao, tuổi thọ dự kiến kéo dài hơn 25 năm.

Với công suất lắp đặt 19,2 MW, khi đi vào vận hành, Nhà máy điện mặt trời Thiên Tân cung cấp cho hệ thống điện quốc gia hơn 28 triệu kWh điện mỗi năm. Đồng thời, tạo ra hàng chục công việc làm cho người dân ở địa phương, đặt biệt người dân ở huyện Mộ Đức.