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

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.

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.