CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tổng quan về vấn đề năng lượng mặt trời ở nước ta Trong thời đại ngày nay năng lượng là vấn đề cấp thiết của tất cả các quốc gia trên toàn thế giới. Bên cạnh việc nghiên cứu và tìm kiếm các nguồn năng lượng mới thì việc sử dụng tiết kiệm và hiệu quả năng lượng cũng là mối quan tâm hàng đầu. Năng lượng gồm có 2 loại: năng lượng tái tạo và năng lượng không tái tạo.
Hiện nay, nước ta cũng như nhiều nước khác đang khai thác 4 dạng năng lượng thương mại truyền thống là thủy năng, than đá, dầu – khí và nguyên tử. Ngoài thủy năng là năng lượng tái tạo, 3 loại còn lại thuộc dạng năng lượng không tái tạo, có nghĩa là khai thác đến một mức độ nào đấy sẽ hết. Sử dụng năng lượng cần gắn liền với bền vững môi trường, hạn chế ảnh hưởng đến biến đổi khí hậu. Và xu hướng mới của việc sử dụng năng lượng là tận dụng các nguồn tài nguyên vô tận, thân thiện với môi trường và là các năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, gió, thủy triều, sóng biển, thủy năng, chất thải,… Hiện nay, hầu hết mọi người đều biết đến nguồn năng lượng mặt trời là rất lớn, rất dễ hấp thu và nhất là rất phù hợp với khí hậu Việt Nam.
Bởi vì vị trí địa lý đã ưu ái cho Việt Nam một nguồn năng lượng tái tạo vô cùng lớn, đặc biệt là năng lượng mặt trời. Trải dài từ vĩ độ 23023’ Bắc đến 8027’ Bắc, Việt Nam nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao. Trong đó, nhiều nhất phải kể đến thành phố Hồ Chí Minh, tiếp đến là các vùng Tây Bắc (Lai Châu, Sơn La, Lào Cai) và vùng Bắc Trung Bộ (Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh). Đặc biệt, số ngày nắng trung bình trên các tỉnh của miền trung và miền nam là khoảng 300 ngày/năm.
Việt Nam là quốc gia có lượng nắng trung bình 1 ngày khá cao, khoảng 5 giờ nắng/ ngày. Năng lượng mặt trời có thể được khai thác cho hai nhu cầu sử dụng: sản xuất điện và cung cấp nhiệt. TRẦN VĂN PHỤNG – 14142447 1 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS. TRƯƠNG VIỆT ANH Hình 1.1: Bản đồ bức xạ mặt trời ở Việt Nam Bảng 1: Số liệu về cường độ bức xạ mặt trời tại các vùng ở Việt Nam Năng lượng mặt trời có những ưu điểm như: sạch, chi phí nhiên liệu và bảo dưỡng thấp, an toàn cho người sử dụng… Đồng thời, phát triển ngành công nghiệp sản xuất pin mặt trời sẽ góp phần thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch, giảm phát khí thải nhà kính, bảo vệ môi trường.
Vì thế, đây được coi là nguồn năng lượng quý giá, có thể thay thế những dạng năng lượng cũ đang ngày càng cạn kiệt. Từ lâu, nhiều nơi trên thế giới đã sử dụng năng lượng mặt trời như một giải pháp TRẦN VĂN PHỤNG – 14142447 2 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS. TRƯƠNG VIỆT ANH thay thế những nguồn tài nguyên truyền thống. Tại Đan Mạch, năm 2000, hơn 30% hộ dân sử dụng tấm thu năng lượng mặt trời, có tác dụng làm nóng nước.
Ở Brazil, những vùng xa xôi hiểm trở như Amazon, điện năng lượng mặt trời luôn chiếm vị trí hàng đầu. Ngay tại Đông Nam Á, điện mặt trời ở Philipines cũng đảm bảo nhu cầu sinh hoạt cho 400. Có bốn dạng công nghệ năng lượng mặt trời hiện đang có mặt trên thị trường Việt nam. Đó là công nghệ năng lượng mặt trời quy mô hộ gia đình, quy mô thương mại sử dụng cho các khách sạn, nhà hàng, bệnh viện, quân đội và các trung tâm dịch vụ, cho làng mạc như đèn công cộng, âm thanh, tivi và trạm sạc pin.
Tổng quan về các kỹ thuật tăng áp khác nhau và ứng dụng của bộ tăng áp DC-DC Các bộ biến đổi điện áp DC-DC với khả năng tăng điện áp được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng chuyển đổi năng lượng, từ phân số-volt đến hàng chục nghìn volt ở mức công suất từ milliwatts đến megawatt. Các tài liệu đã trình bày về các kỹ thuật tăng áp khác nhau, trong đó các thành phần lưu trữ năng lượng cơ bản (cuộn cảm và tụ điện) hoặc máy biến áp kết hợp với công tắc và (các) diode được sử dụng trong mạch điện. Những kỹ thuật này bao gồm tụ điện chuyển mạch (chi phí bơm), nhân áp, cuộn cảm chuyển mạch/nâng điện áp, cặp từ, và đa bậc, và mỗi loại có ưu và nhược điểm riêng tùy vào ứng dụng, về chi phí, độ phức tạp, mật độ công suất, độ tin cậy và hiệu suất. Các loại mạch chuyển đổi tăng áp Mạch tăng áp Chuyển mạch Không cách Một chiều/hai Nguồn áp/nguồn Tuyến tính/Không cứng/chuyển ly/cách ly chiều dòng tuyến tính mạch mềm Trong các tài liệu sau được thảo luận trong bài báo, có một nhu cầu nhất quán về các bộ chuyển đổi DC-DC tăng áp đáng tin cậy, hiệu quả, kích thước nhỏ và nhẹ cho các ứng dụng công suất khác nhau.
Một số yêu cầu này có thể đạt được một cách đơn giản bằng việc sử dụng bộ chuyển đổi dc-dc PWM thứ hai, thứ ba và thứ tư, ví dụ: bộ tăng áp, SEPIC, Cuk, và bộ chuyển đổi Zeta. Hơn nữa, các bộ chuyển đổi flyback, forward, push-pull, half-và full- bridge vẫn phổ biến và được sử dụng ở các mức điện áp và công suất khác nhau, trong đó yêu cầu cách ly điện cực. Tuy nhiên, tài liệu cũng trình bày các cấu hình mới phức tạp hơn, sử dụng các kỹ thuật tăng áp khác nhau như sử dụng các cấu trúc đa bậc, xen kẽ, hoặc ghép tầng, TRẦN VĂN PHỤNG – 14142447 3 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS. TRƯƠNG VIỆT ANH hoặc sử dụng các tế bào nhân điện áp (VMC), thậm chí có thể kết hợp với các tụ điện chuyển mạch (SCs) và/hoặc ghép đôi cuộn cảm.
Mỗi cấu hình có những ưu điểm và nhược điểm riêng và nên lựa chọn dựa trên ứng dụng và các yêu cầu của nó, ví dụ, cách ly/không cách ly, một chiều/hai chiều, nguồn áp/nguồn dòng, chuyển mạch cứng/mềm, tuyến tính/không tuyến tính. Các ứng dụng của mạch tăng áp DC-DC hiện nay Hình 1.2: Ứng dụng của mạch tăng áp theo từng lĩnh vực TRẦN VĂN PHỤNG – 14142447 4 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS. TRƯƠNG VIỆT ANH 1. Các cách để nâng cao hiệu suất của hệ thống pin năng lượng mặt trời Hiện nay trên thế giới đã công bố rất nhiều nghiên cứu liên quan đến vấn đề sử dụng hiệu quả hệ thống pin mặt trời, có thể chia thành ba hướng chính như sau: 1.
Dò điểm công suất cực đại cho pin mặt trời Đây là vấn đề được quan tâm nhiều nhất trong số các hướng nghiên cứu. Với cùng mạng lưới pin PV, công suất thu được sẽ khác nhau trong các điều kiện môi trường hay điện trở tải khác nhau. Do đó, cần phải xây dựng phương pháp để tấm pin mặt trời hoạt động ở điểm có công suất là lớn nhất, giúp nâng cao hiệu suất sử dụng và tránh lãng phí. Mục đích cuối cùng là dò tiềm được điểm công suất cực đại một cách nhanh nhất có để, đáp ứng những điều kiện thay đổi của môi trường bên ngoài.
Vì vậy việc dò tìm điểm công suất cực đại của pin mặt trời là một phần không thể thiếu trong bất cứ một hệ thống pin mặt trời nào.1 trình bày đặc tuyến điển hình của một tấm pin mặt trời.3: Điểm công suất cực đại của pin mặt trời Hiện nay có rất nhiều phương pháp dò tiềm điểm công suất cực đại của pin mặt trời với những sự khác biệt ở nhiều khía cạnh như: độ phức tạp, tốc độ dò điểm công suất cực đại, số lượng cảm biến, phương pháp dò điểm…. Nâng cao hiệu quả nối lưới của pin năng lượng mặt trời Hệ thống PV nối lưới trong các ứng dụng dân dụng gần đây đang phát triển nhanh chóng ở châu Âu, Nhật Bản và Mỹ. Nhưng không may, điện áp ra của tấm PV tương đối thấp. Để đáp ứng yêu cầu điện áp cao cho toàn cầu, bán cầu, hoặc nghịch lưu lưới đa bậc, cấu hình PV mắc nối tiếp là giải pháp thông thường.
Tuy nhiên, công suất phát ra của tấm PV bị giảm do module bị lỗi hoặc bị khuất bóng đặc biệt là ở các khu vực đô thị. Hệ thống PV nối lưới dùng bộ nghịch lưu đa bậc cầu H ghép tầng hoặc các cấu hình đa bậc khác được giới thiệu để tối ưu công suất phát ra của tấm PV. Hơn nữa, khả năng tương tác hiệu suất cao của hệ thống phát điện PV với mạch điều khiển phát điện (GCC) được trình bày để tận dụng tất cả các tấm PV mắc nối tiếp. Tuy nhiên, nhiều thiết bị công suất là cần thiết và chi phí tăng trong các giải pháp này để đạt được điện TRẦN VĂN PHỤNG – 14142447 5 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.
TRƯƠNG VIỆT ANH áp lưới 220V.4: Sơ đồ hệ thống PV nối lưới một pha Hình 1.5: Bộ chuyển đổi tăng áp đơn công tắc một pha và dạng sóng của nó trong ứng dụng điện áp cao. (a) Bộ chuyển đổi tăng áp đơn công tắc một pha. (b) Dạng sóng trong ứng dụng điện áp cao. Trong hệ thống lưới PV dân dụng, các tấm PV thường được lắp đặt trên mái nhà.
Do đó, công suất của các tấm PV giảm đáng kể với cấu hình PV mắc nối tiếp khi chúng bị che bởi bóng râm, điều đó có thể gây ra bởi mây, cây cối, nhà hàng xóm, và thậm chí là các đường dây tải điện. Trong các trường hợp này, cấu hình PV mắc song song hiệu quả cao hơn cấu hình PV mắc nối tiếp do hiệu suất cao hơn. Mặt khác, cấu hình PV mắc song song phát ra điện áp thấp, điều đó dễ dàng đáp ứng yêu cầu về an toàn trong các ứng dụng dân dụng. Ngoài ra, đa cấu trúc, điều đó có nghĩa là kết hợp cấu hình mắc nối tiếp và song song của các tấm PV, nó cũng điển hình cho ứng dụng PV nối lưới bởi vì có thể dò tìm được điểm công suất cực đại (MPPT) hiệu quả trên định TRẦN VĂN PHỤNG – 14142447 6 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.
TRƯƠNG VIỆT ANH hướng các chuỗi khác nhau. Do đó, khuynh hướng nghiên cứu mới là sử dụng cấu hình PV mắc song song nhiều hơn là nối tiếp trong các hệ thống phát điện dân dụng.