Luận văn thạc sĩ về hiện tượng bóng che trong nghiên cứu biến đổi năng lượng mặt trời

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện phân tích hiện tượng bóng che trong biến đổi năng lượng mặt trời, ứng dụng và giải pháp cải thiện hiệu suất.

• Tác giả: Phạm Minh Hoàng
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Hữu Phúc
• Trường học: Đại Học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Nghiên Cứu Hiện Tượng Bóng Che Trong Biến Đổi Năng Lượng Mặt Trời
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• MỤC LỤC CÁC HÌNH
• 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 Tengger Desert 1547 MW, Trung Quốc
• 1.2.1.2. Dự án Solar Star 579MW, California
• 1.2.1.3. Desert Sunlight Solar Farm 550MW, California
• 1.2.1.4. Topaz Solar Farms 550 MW, California
• 1.2.2. Tình hình sử dụng pin NLMT ở trong nước
• 1.2.2.1. Nhà máy điện mặt trời Dầu Tiếng
• 1.2.2.2. Nhà máy quang năng BIM – Ninh Thuận
• 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: THUẬT TOÁN CẢI TIẾN ĐÁP ỨNG CÁC ĐIỀU KIỆN THAY ĐỔI
• 3.1. Phân tích các đường cong đặc trưng trong điều kiện PSC
• 3.2. Giải thuật cải tiến 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 cải tiến 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 các dãy pin NLMT bị bóng che một phần
• 4.2. Kết quả mô phỏng
• 4.2.1. Khi BXMT trên các dãy pin lần lượt là 1000, 1000, 800, 500 W/m2
• 4.2.2. Khi BXMT trên các dãy pin lần lượt là 1000, 800, 600, 400 W/m2
• 4.2.3. Khi BXMT trên các dãy pin lần lượt là 1000, 900, 800, 600 W/m2
• 4.3. Mô phỏng hệ thống 6 dãy pin NLMT
• 4.3.1. Mô hình mô phỏng
• 4.3.2. Kết quả mô phỏng
• 4.4. Mô phỏng hệ thống 20 dãy pin NLMT
• 4.4.1. Mô hình mô phỏng
• 4.4.2. Kết quả mô phỏng
• 5. Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
• 5.2. Hướng phát triển

Tóm tắt

I. Tổng quan

Nhu cầu năng lượng tái tạo đang gia tăng mạnh mẽ do sự khủng hoảng năng lượng toàn cầu. Năng lượng mặt trời (NLMT) đã trở thành lựa chọn hàng đầu trong việc phát điện nhờ tính khả thi và miễn phí. Hệ thống năng lượng mặt trời bao gồm các tấm pin quang điện (PV) chuyển đổi NLMT thành năng lượng điện. Tuy nhiên, một trong những vấn đề chính làm giảm hiệu suất năng lượng của các hệ thống PV là hiện tượng bóng che. Hiện tượng này thường xảy ra khi một phần của tấm pin bị che khuất, dẫn đến sự giảm sút trong sản lượng điện. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh hiện nay khi các hệ thống PV đang có công suất ngày càng cao. Nghiên cứu này nhằm tìm ra phương pháp nhận dạng và giải quyết vấn đề bóng che để tối ưu hóa hiệu suất của các tấm pin quang điện.

1.1 Năng lượng mặt trời và tác động môi trường

Sự phát triển của năng lượng tái tạo như NLMT không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn góp phần vào việc bảo vệ sức khỏe con người. Các nhà máy điện truyền thống là nguyên nhân hàng đầu gây ô nhiễm môi trường. Việc chuyển sang sử dụng NLMT sẽ giúp giảm thiểu lượng khí thải CO2 và các khí gây hiệu ứng nhà kính khác. Hơn nữa, việc sử dụng NLMT còn giúp giảm bớt sự phụ thuộc vào các nguồn năng lượng hóa thạch, vốn đang dần cạn kiệt. Do đó, việc nghiên cứu hiện tượng bóng che và tìm ra giải pháp tối ưu cho các hệ thống PV sẽ đóng góp vào sự phát triển bền vững và bảo vệ môi trường.

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

Hiện tượng bóng che ảnh hưởng lớn đến hiệu suất năng lượng của các tấm pin PV. Khi một hoặc nhiều tấm pin bị che khuất, dòng điện sản xuất ra sẽ bị giảm sút, dẫn đến giảm hiệu suất toàn bộ hệ thống. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, trong điều kiện bóng che, hiệu suất của các tấm pin có thể giảm từ 30% đến 50%. Điều này không chỉ ảnh hưởng đến sản lượng điện mà còn làm giảm tuổi thọ của các tấm pin. Việc nhận biết và xử lý hiện tượng bóng che là rất quan trọng để đảm bảo rằng các hệ thống PV hoạt động hiệu quả nhất có thể. Nghiên cứu này đề xuất các phương pháp cải tiến để nhận dạng và xử lý bóng che nhằm tối ưu hóa sản lượng điện từ các tấm pin PV.

2.1 Các giải pháp cải tiến hiệu suất

Để khắc phục vấn đề bóng che, một số giải pháp đã được đề xuất. Một trong những phương pháp hiệu quả là sử dụng các thuật toán tìm điểm công suất cực đại (MPPT) cải tiến, cho phép hệ thống tự động điều chỉnh để tối ưu hóa sản lượng điện ngay cả trong điều kiện bóng che. Nghiên cứu này sẽ áp dụng các thuật toán như P&O (Perturb and Observe) và INC (Incremental Conductance) để cải thiện khả năng thu NLMT trong điều kiện không đồng đều. Việc áp dụng các công nghệ này không chỉ giúp tăng hiệu suất mà còn làm tăng khả năng cạnh tranh của NLMT so với các nguồn năng lượng khác.

III. Kết quả mô phỏng và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu đã thực hiện mô phỏng các hệ thống PV trong điều kiện bóng che khác nhau để đánh giá hiệu suất và khả năng thu NLMT. Kết quả cho thấy rằng, việc áp dụng các giải pháp cải tiến giúp tăng đáng kể hiệu suất năng lượng, đặc biệt là trong các điều kiện bóng che phức tạp. Mô phỏng cũng chỉ ra rằng các hệ thống PV có thể đạt được hiệu suất tối ưu khi được trang bị công nghệ MPPT hiện đại. Điều này không chỉ có ý nghĩa lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn trong việc thiết kế và lắp đặt các hệ thống năng lượng mặt trời trong tương lai, giúp nâng cao hiệu suất và khả năng thu NLMT.

3.1 Ứng dụng trong các dự án thực tế

Các kết quả từ nghiên cứu có thể được áp dụng vào thực tế trong các dự án năng lượng mặt trời. Việc sử dụng công nghệ cải tiến trong các hệ thống PV sẽ giúp tối ưu hóa sản lượng điện và giảm thiểu tác động của bóng che. Điều này đặc biệt quan trọng trong các dự án quy mô lớn, nơi mà hiệu suất năng lượng có thể ảnh hưởng trực tiếp đến lợi nhuận. Hơn nữa, các công nghệ này cũng có thể được áp dụng trong các khu vực có điều kiện ánh sáng không đồng đều, giúp đảm bảo rằng NLMT được thu thập một cách hiệu quả nhất.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Sự chuyển dịch cơ cấu năng lượng toàn cầu đang diễn ra mạnh mẽ nhằm ứng phó với biến đổi khí hậu và sự cạn kiệt của nhiên liệu hóa thạch. Tính đến cuối năm 2018, tổng công suất lắp đặt điện mặt trời trên toàn thế giới đã đạt mốc 505 GW theo báo cáo Renewables Global Status Report. Tại Việt Nam, mục tiêu phát triển năng lượng tái tạo quốc gia đặt ra lộ trình đạt 850 MW vào năm 2020, 4 GW vào năm 2025 và hướng tới 12 GW vào năm 2030, minh chứng qua các dự án quy mô lớn như Nhà máy điện mặt trời Dầu Tiếng với công suất 420 MW hay cụm nhà máy BIM Ninh Thuận đạt 330 MW.

Tuy nhiên, hiệu suất phát điện của các hệ thống quang điện (PV) đối mặt với rào cản kỹ thuật nghiêm trọng từ hiện tượng bóng che một phần (Partial Shading Conditions - PSC). Khi một phần mảng pin bị che khuất bởi mây, bóng cây, bụi bẩn hoặc các công trình lân cận, đặc tính công suất - điện áp (P-V) sẽ biến dạng từ dạng đơn đỉnh thành dạng đa cực trị phức tạp. Các thuật toán bám điểm công suất cực đại (MPPT) truyền thống dễ bị mắc kẹt tại các điểm cực đại địa phương (LMPP), dẫn đến mức tổn thất năng lượng có thể lên tới 70% tổng sản lượng tiềm năng.

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Điện của tác giả Phạm Minh Hoàng, dưới sự hướng dẫn của PGS. Nguyễn Hữu Phúc tại Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM, tập trung giải quyết bài toán cốt lõi này. Mục tiêu nghiên cứu là đề xuất giải thuật cải tiến có khả năng nhận dạng và xác định chính xác điểm công suất cực đại toàn cục (GMPP) trong điều kiện che bóng không đồng đều, đồng thời kiểm chứng hiệu quả qua mô hình mô phỏng trên nền tảng phần mềm chuyên dụng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Cơ sở vận hành của tế bào quang điện dựa trên hiệu ứng quang điện trong chất bán dẫn, chuyển đổi năng lượng photon ánh sáng thành dòng điện một chiều. Mạch điện tương đương chuẩn của tế bào quang điện bao gồm một nguồn dòng quang điện tỷ lệ thuận với bức xạ mặt trời, mắc song song với một tiếp giáp p-n (diode), cùng với điện trở nối tiếp và điện trở dòng rò song song để mô tả các tổn hao nội tại.

Đặc tính dòng điện - điện áp (I-V) và công suất - điện áp (P-V) của mảng pin chịu ảnh hưởng trực tiếp bởi hai thông số môi trường chính là cường độ bức xạ mặt trời và nhiệt độ bề mặt pin. Dưới điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn với mức bức xạ 1000 W/m² và nhiệt độ 25°C, mỗi tế bào quang điện đơn tinh thể Silic tạo ra điện áp xấp xỉ 0,5 V đến 0,6 V và công suất khoảng 2 W. Tùy thuộc vào công nghệ chế tạo, hiệu suất chuyển đổi quang năng dao động từ 13% đến 17% đối với Silic đơn tinh thể, 11% đến 15% đối với Silic đa tinh thể, 6% đến 8% đối với Silic vô định hình và có thể đạt trên 18% ở dòng pin lai Hybrid.

Để bảo vệ các mô-đun khỏi hiện tượng điểm nóng (hot spot) gây cháy nổ khi bị che bóng, các diode bypass được tích hợp song song với từng nhóm tế bào quang điện. Khi xuất hiện bóng che, các diode này phân cực thuận và dẫn dòng đi vòng qua phần bị che. Mặc dù bảo vệ được phần cứng, hoạt động này làm đường đặc tuyến P-V xuất hiện nhiều đỉnh công suất cực đại, làm vô hiệu hóa các thuật toán bám điểm cực đại truyền thống như Nhiễu loạn và quan sát (P&O) hoặc Điện dẫn gia tăng (INC) vốn chỉ hoạt động hiệu quả khi đặc tuyến có duy nhất một đỉnh cực trị.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu áp dụng phương pháp mô hình hóa toán học kết hợp mô phỏng số trên môi trường MATLAB/Simulink nhằm kiểm chứng giải thuật đề xuất.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 3 cấu hình mảng pin quang điện đại diện với quy mô tăng dần: hệ thống 4 dãy pin, hệ thống 6 dãy pin và hệ thống 20 dãy pin mắc nối tiếp - song song. Phương pháp chọn mẫu có chủ đích được áp dụng để bao quát từ các hệ thống điện mặt trời phân tán quy mô nhỏ cho đến các trang trại điện mặt trời công suất lớn. Các kịch bản bức xạ được thiết lập biến thiên đa dạng từ 350 W/m² đến 1000 W/m² trên từng dãy pin nhằm mô phỏng chính xác các cấp độ che bóng tĩnh và động trong thực tế.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích mô phỏng số thông qua bộ chuyển đổi DC/DC giảm áp Buck là khả năng kiểm soát chặt chẽ các điều kiện biên môi trường, đo lường tức thời đáp ứng điện áp bus DC và dòng điện ngõ ra, đồng thời đánh giá độ tin cậy của thuật toán với độ chính xác cao mà không gây nguy cơ hỏng hóc thiết bị thực nghiệm. Toàn bộ quá trình nghiên cứu và thử nghiệm mô hình được thực hiện hoàn chỉnh trong giai đoạn từ năm 2018 đến tháng 02 năm 2020.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng các kịch bản che bóng khác nhau trên các cấu hình mảng pin đã mang lại các phát hiện kỹ thuật quan trọng:

Thứ nhất, khi mức bức xạ trên các dãy pin phân bố không đồng đều (chẳng hạn như kịch bản 1000, 1000, 800, 500 W/m² hoặc 1000, 800, 600, 400 W/m²), đặc tuyến P-V luôn xuất hiện từ 3 đến 4 điểm cực đại cục bộ. Các thuật toán truyền thống như P&O hay INC có xác suất mắc kẹt tại đỉnh cục bộ lên tới 65%, dẫn đến tổn thất công suất phát thực tế từ 30% đến gần 70% so với công suất khả dụng tối đa.

Thứ hai, giải thuật cải tiến được đề xuất trong luận văn có khả năng dự đoán chính xác vùng tọa độ của điểm cực đại toàn cục (GMPP) dựa trên phân tích tương quan điện áp từng phân đoạn mà không cần thực hiện quét mù toàn bộ đường cong P-V. Thời gian hội tụ về điểm GMPP được rút ngắn hơn 40% so với phương pháp quét chu kỳ thông thường, đồng thời triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng dao động công suất quanh điểm làm việc ở trạng thái xác lập.

Thứ ba, khi mở rộng quy mô thử nghiệm lên hệ thống 6 dãy pin với dải bức xạ phức tạp từ 350 W/m² đến 1000 W/m² và hệ thống lớn 20 dãy pin, thuật toán vẫn duy trì khả năng bám chính xác điểm cực đại toàn cục. Hệ thống duy trì điện áp ngõ ra ổn định trên thanh cái DC, bảo toàn hơn 95% công suất đỉnh lý thuyết của toàn bộ dàn pin quang điện.

Thảo luận kết quả

Hiện tượng xuất hiện đa đỉnh công suất được giải thích bởi cơ chế kích hoạt phân cực của các diode bypass khi dòng quang điện giữa các chuỗi bị mất cân bằng nghiêm trọng. Dưới góc độ biểu diễn dữ liệu kỹ thuật, các kết quả mô phỏng trong luận văn được thể hiện trực quan thông qua đồ thị họ đường cong I-V và P-V đa đỉnh, bảng đối chiếu thông số điện áp - công suất và các biểu đồ sóng thời gian thực của điện áp bus DC.

So với các phương pháp cải tiến hai giai đoạn hoặc phương pháp tối ưu hóa bầy đàn (PSO) trong các tài liệu chuyên ngành gần đây, giải thuật của luận văn thể hiện ưu thế vượt trội về mặt tính toán. Phương pháp không yêu cầu phần cứng đo đạc phức tạp (như mạch đo ngắn mạch hay hở mạch trực tuyến gây gián đoạn cấp điện) và không phụ thuộc vào việc chọn ngẫu nhiên các hệ số quán tính. Kết quả này mở ra giải pháp khả thi để nâng cao hiệu suất vận hành cho các nhà máy điện mặt trời tại những khu vực có điều kiện thời tiết hay thay đổi mây mù che phủ.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm tối ưu hóa hiệu quả thu hồi năng lượng mặt trời trong điều kiện bóng che thực tế, nghiên cứu đưa ra 4 nhóm giải pháp và khuyến nghị hành động cụ thể:

Thứ nhất, tích hợp thuật toán dự đoán GMPP vào bộ điều khiển vi xử lý của các biến tần (Inverter) và bộ tối ưu hóa công suất DC (DC Optimizer). Các doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện tử công suất cần cập nhật firmware điều khiển theo thuật toán mới với mục tiêu nâng cao 15% đến 25% sản lượng điện thu hồi dưới điều kiện bóng che một phần, thực hiện lộ trình triển khai trong thời gian 6 đến 12 tháng.

Thứ hai, chuẩn hóa cấu hình chuỗi pin và bố trí diode bypass tối ưu theo phân vùng địa hình. Các kỹ sư thiết kế nhà máy điện mặt trời cần phân tích hướng bóng đổ của cây cối và công trình lân cận để gom nhóm các tấm pin có cùng mức độ phơi sáng vào chung một chuỗi, giảm thiểu nguy cơ suy giảm công suất mảng pin xuống dưới 10% tại các dự án quy mô trên 50 MW, áp dụng ngay trong giai đoạn thiết kế kỹ thuật từ 1 đến 3 tháng.

Thứ ba, thiết lập quy trình bảo dưỡng và làm sạch bề mặt tấm pin định kỳ. Các đơn vị quản lý vận hành trang trại điện mặt trời cần trang bị hệ thống cảm biến bức xạ đa điểm và ứng dụng robot vệ sinh tự động nhằm kiểm soát tổn hao do bụi bẩn và lá cây dưới ngưỡng 5%, thực hiện kế hoạch bảo trì định kỳ hàng quý.

Thứ tư, ứng dụng công cụ mô phỏng số MATLAB/Simulink vào giai đoạn thẩm định tiền khả thi dự án. Các viện nghiên cứu và chủ đầu tư năng lượng tái tạo cần xây dựng mô hình dự báo tổn thất do che bóng đa kịch bản để tính toán chính xác dòng tiền và sản lượng phát điện trong suốt vòng đời dự án từ 20 đến 25 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị thực tiễn cao cho 4 nhóm đối tượng chính:

Nhóm thứ nhất là các kỹ sư thiết kế, tư vấn và vận hành hệ thống điện mặt trời. Tài liệu cung cấp cơ sở tính toán chi tiết về mạch điện tương đương, tác động của diode bypass và cách bố trí mảng pin nhằm hạn chế tối đa điểm nóng và sụt giảm công suất tại các dự án áp mái công nghiệp và trang trại nối lưới.

Nhóm thứ hai là các nhà nghiên cứu, giảng viên và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Điện, Hệ thống Năng lượng và Tự động hóa. Luận văn là tài liệu tham khảo giá trị về phương pháp mô hình hóa hệ thống phi tuyến trên MATLAB/Simulink, kỹ thuật điều khiển bộ biến đổi DC/DC Buck và giải thuật bám điểm cực đại toàn cục tiên tiến.

Nhóm thứ ba là các đơn vị nghiên cứu phát triển (R&D) và sản xuất thiết bị biến tần quang điện. Các phân tích thuật toán trong luận văn là tiền đề để lập trình vi điều khiển DSP hoặc FPGA, giúp cải tiến chất lượng sản phẩm thương mại và nâng cao khả năng cạnh tranh trên thị trường thiết bị năng lượng tái tạo.

Nhóm thứ tư là các nhà đầu tư và chuyên gia thẩm định dự án năng lượng tái tạo. Nghiên cứu giúp nhận diện rõ các rủi ro kỹ thuật liên quan đến hiện tượng bóng che, từ đó đưa ra phương án đánh giá hiệu quả kinh tế và kế hoạch hoàn vốn chính xác cho các dự án điện mặt trời.

Câu hỏi thường gặp

Hiện tượng bóng che một phần (PSC) gây ra những tổn thất gì cho hệ thống pin mặt trời?

Bóng che một phần khiến các tế bào quang điện bị che khuất chuyển sang trạng thái tiêu thụ điện năng thay vì phát điện, sinh nhiệt cục bộ và tạo ra điểm nóng làm hỏng tấm pin. Đồng thời, việc phân cực diode bypass làm biến dạng đường đặc tính P-V thành dạng đa đỉnh, khiến bộ điều khiển MPPT thông thường bám nhầm đỉnh cục bộ và làm suy giảm tới 70% công suất phát của toàn hệ thống.

Tại sao các thuật toán P&O và INC truyền thống không thể tìm được điểm GMPP khi có bóng che?

Thuật toán P&O và INC vận hành dựa trên việc quan sát độ dốc đạo hàm công suất theo điện áp và chỉ di chuyển điểm làm việc theo từng bước gia số nhỏ. Khi đường cong P-V xuất hiện đồng thời nhiều đỉnh cực đại do bức xạ không đồng đều từ 400 W/m² đến 1000 W/m², các thuật toán này sẽ dừng lại ngay tại đỉnh cực đại địa phương đầu tiên gặp phải mà không thể vượt qua thung lũng công suất để tiến tới đỉnh toàn cục.

Diode Bypass có vai trò như thế nào trong dãy pin quang điện?

Diode bypass được mắc song song ngược chiều với từng nhóm tế bào quang điện để tạo đường dẫn phụ phân dòng khi có tế bào bị che khuất. Thiết bị này ngăn chặn dòng điện từ các tế bào hoạt động tốt chạy ép qua tế bào bị che, giúp bảo vệ an toàn cho tấm pin khỏi hiện tượng quá nhiệt phá hủy, dù hoạt động này tạo ra đường đặc tính P-V đa đỉnh phức tạp hơn.

Giải thuật cải tiến trong luận văn khắc phục nhược điểm của phương pháp quét toàn dải như thế nào?

Phương pháp quét toàn dải buộc bộ chuyển đổi phải thay đổi liên tục chu kỳ làm việc trên toàn bộ dải điện áp từ 0 đến điện áp hở mạch, gây tổn thất công suất nghiêm trọng trong quá trình quét. Giải thuật cải tiến dự đoán trực tiếp các vùng tọa độ có khả năng chứa điểm cực đại toàn cục, từ đó rút ngắn hơn 40% thời gian tìm kiếm và bảo toàn trên 95% năng lượng sẵn có.

Giải thuật đề xuất có thể áp dụng cho các hệ thống điện mặt trời quy mô lớn không?

Nghiên cứu đã tiến hành kiểm chứng thành công trên các mô hình từ 4 dãy, 6 dãy đến 20 dãy pin với nhiều dải bức xạ biến thiên từ 350 W/m² đến 1000 W/m². Giải thuật thể hiện độ ổn định cao và khả năng đáp ứng nhanh, hoàn toàn phù hợp để triển khai thực tế trên cả hệ thống điện mặt trời dân dụng độc lập lẫn các nhà máy điện mặt trời quy mô hàng trăm megawatt.

Kết luận

• Hiện tượng bóng che một phần là nguyên nhân hàng đầu gây sụt giảm hiệu suất và làm biến dạng đặc tính P-V của mảng pin mặt trời thành dạng đa đỉnh cực trị.
• Các thuật toán MPPT kinh điển như P&O và INC bộc lộ hạn chế lớn khi dễ mắc kẹt tại đỉnh cục bộ, gây thất thoát công suất khả dụng lên tới 70%.
• Luận văn đã đề xuất thành công giải thuật cải tiến có khả năng phân tích và dự đoán chính xác điểm công suất cực đại toàn cục mà không cần quét mù toàn dải.
• Mô hình mô phỏng trên MATLAB/Simulink với các cấu hình 4, 6 và 20 dãy pin đã kiểm chứng độ tin cậy của thuật toán, duy trì hiệu suất thu hồi năng lượng trên 95%.
• Kết quả nghiên cứu đóng góp giải pháp kỹ thuật thiết thực giúp nâng cao sản lượng điện và tối ưu hóa chi phí vận hành cho các dự án quang điện.

Đóng góp cốt lõi của luận văn là xây dựng hoàn chỉnh thuật toán bám điểm GMPP cải tiến, giải quyết triệt để bài toán che bóng không đồng đều trong kỹ thuật biến đổi năng lượng mặt trời. Trong lộ trình 6 đến 12 tháng tới, hướng phát triển tiếp theo là hiện thực hóa giải thuật trên các vi điều khiển nhúng DSP chuyên dụng và thử nghiệm tại các giàn pin thực địa. Hãy ứng dụng ngay giải thuật tối ưu này để nâng cao hiệu suất phát điện cho hệ thống quang điện 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 [8]. 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 12 biến tần, hoặc là pin (off-grid) hoặc một kết nối trực tiếp tới lưới điện thông qua một 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 13 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 2018, tổng công suất lắp đặt toàn cầu của sản xuất NLMT đạt 505 GW theo báo cáo Renewables Global Status Report 2019 trong [1] 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 2018 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, 14 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 2018.

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 Tengger Desert 1547 MW, Trung Quốc Hình 1.

5 Dự án Tengger 1547MW, China Đây là nhà máy NLMT lớn nhất thế giới thời điểm hiện nay, nhà máy tọa lạc tại Zhongwei, Ningxia – Trung Quốc. Với công suất 1547MW, nhà máy Tengger có khả năng phục vụ nhu cầu cho 600.000 hộ dân xung quanh. Với thời điểm hoàn thành thành việc xây dựng nhà máy vào năm 2015, đây được xem là tổ hợp nhà máy điện mặt trời lớn nhất thế giới về quy mô xây dựng (43 km) và sản lượng điện khi kết nối với 25 nhà máy điện trong khu vực này. Trong thời gian ¼ thế kỷ, Trung Quốc đã dẫn đầu toàn cầu về điện năng lượng mặt trời.2 Dự án Solar Star 579MW, California Hình 1.

6 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 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.3 Desert Sunlight Solar Farm 550MW, California 16 Hình 1. 7 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.4 Topaz Solar Farms 550 MW, California. 8 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 17 160.000 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.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. Theo thống kê [1], mục tiêu về sản lượng điện NLMT củaViệt Nam trong tương lai là năm 2020 sẽ đạt mức 850MW, năm 2025 đạt mức 4GW và 12GW vào năm 2030.

Một số các công trình tiêu biểu được đưa ra như bên dưới.1 Nhà máy điện mặt trời Dầu Tiếng Hình 1. 9 Nhà máy điện mặt trời Dầu Tiếng 420MW-Tây Ninh Nhà máy Điện Mặt trời Dầu Tiếng là dự án hợp tác đầu tư giữa Công ty TNHH Xuân Cầu (Việt Nam) và Công ty TNHH B. Grimm Power Public (Thái Lan). Dự án được khởi công vào cuối tháng 6/2018.

Sau gần 1 năm thi công xây dựng và lắp đặt, cụm Nhà máy điện mặt trời Dầu Tiếng: DT 1 và DT2 đã chính thức đưa vào vận hành 18 thương mại, hòa lưới điện quốc gia trong tháng 6/2019. Nhà máy được xây dựng trên diện tích 504 ha, công suất lắp đặt 420 MW. Cụm Nhà máy DT1 và DT2 đi vào hoạt động sẽ cung cấp lên lưới điện quốc gia khoảng 688 triệu kWh mỗi năm. Ước tính, bằng khoảng mức tiêu thụ điện hàng năm của gần 320.000 hộ gia đình Việt Nam.

Trong dự án này, gần 1.000 tấm pin năng lượng mặt trời với công nghệ quang điện loại silic đa tinh thể có hiệu suất cao đã được lựa chọn để lắp đặt. Với công suất này, lượng giảm phát thải khí nhà kính mỗi năm của dự án tương đương 595.2 Nhà máy quang năng BIM – Ninh Thuận Sau hơn 9 tháng thi công, 3 nhà máy điện mặt trời BIM 1, BIM 2 và BIM 3 đã hoàn tất nghi thức đóng điện và hòa lưới điện quốc gia sáng ngày 27/4/2019, với tổng công suất 330MW.