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.

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.