Tổng quan nghiên cứu

Năng lượng mặt trời (NLMT) là một trong những nguồn năng lượng tái tạo quan trọng và được ưu tiên phát triển trên toàn cầu nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường và bảo vệ tài nguyên thiên nhiên. Tại Việt Nam, với vị trí địa lý nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời trung bình từ 3,69 đến 5,9 kWh/m²/ngày, tiềm năng phát triển NLMT rất lớn. Tính đến cuối năm 2020, công suất lắp đặt NLMT của Việt Nam đạt khoảng 16.504 MW, đứng thứ 8 thế giới, chiếm 2,3% tổng công suất toàn cầu. Khu đô thị Ecopark, tỉnh Hưng Yên, với cường độ bức xạ mặt trời trung bình 4,4 kWh/m²/ngày và điều kiện khí hậu thuận lợi, là địa điểm lý tưởng để nghiên cứu và ứng dụng hệ thống NLMT kết hợp ắc quy lưu trữ.

Luận văn tập trung nghiên cứu mô hình hóa hệ thống năng lượng mặt trời kết hợp ắc quy tại Ecopark nhằm tối ưu hóa hiệu suất hoạt động và khả năng lưu trữ điện năng. Mục tiêu cụ thể bao gồm xây dựng mô hình toán học chi tiết của hệ thống pin mặt trời, bộ chuyển đổi điện, ắc quy và thuật toán điều khiển MPPT trong môi trường Matlab/Simulink; mô phỏng hoạt động thực tế của hệ thống tại Ecopark; so sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu đo đạc thực tế để đánh giá độ chính xác và hiệu quả của mô hình. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các giải pháp năng lượng sạch, bền vững, góp phần giảm áp lực lên lưới điện quốc gia và nâng cao chất lượng cuộc sống tại các khu đô thị hiện đại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

  • Lý thuyết về pin năng lượng mặt trời (Photovoltaic - PV): Mô hình tương đương của pin mặt trời được xây dựng dựa trên phương trình dòng điện - điện áp phi tuyến, bao gồm các thành phần dòng quang điện, dòng diode, dòng rò và điện trở trong. Điểm công suất cực đại (Maximum Power Point - MPP) là điểm mà công suất đầu ra của pin đạt giá trị lớn nhất, được xác định thông qua thuật toán MPPT.

  • Mô hình bộ chuyển đổi điện DC/DC và DC/AC: Bộ biến đổi DC/DC (buck, boost, buck-boost) được sử dụng để điều chỉnh điện áp đầu ra của pin mặt trời phù hợp với yêu cầu của hệ thống. Bộ biến đổi DC/AC chuyển đổi điện một chiều thành điện xoay chiều để cấp cho tải hoặc hòa lưới điện.

  • Lý thuyết về ắc quy axit chì: Mô hình điện tương đương của ắc quy axit chì bao gồm điện trở trong, điện dung và điện áp hở mạch, được sử dụng để mô phỏng quá trình sạc, xả và trạng thái sạc (State of Charge - SOC).

  • Thuật toán điều khiển MPPT (Maximum Power Point Tracking): Thuật toán P&O (Perturb and Observe) được áp dụng để theo dõi điểm công suất cực đại của pin mặt trời, giúp tối ưu hóa hiệu suất chuyển đổi năng lượng trong điều kiện biến đổi của bức xạ mặt trời và nhiệt độ.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu bức xạ mặt trời, nhiệt độ, công suất tiêu thụ và thông số kỹ thuật của các thiết bị được thu thập từ hệ thống điện mặt trời áp mái tại nhà bảo vệ khu đô thị Ecopark, Hưng Yên. Dữ liệu đo đạc thực tế được sử dụng để kiểm định mô hình mô phỏng.

  • Phương pháp phân tích: Xây dựng mô hình toán học chi tiết của từng thành phần hệ thống trong môi trường Matlab/Simulink, bao gồm mô hình pin mặt trời, bộ chuyển đổi điện, ắc quy và thuật toán MPPT. Tiến hành mô phỏng hoạt động hệ thống dưới các điều kiện bức xạ và tải khác nhau. So sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu thực tế để đánh giá độ chính xác.

  • Cỡ mẫu và timeline: Hệ thống nghiên cứu có công suất 8 kWp, gồm 30 tấm pin đa tinh thể công suất 255 W/tấm, bộ inverter PVSine HBS-B 4kW-48V và ắc quy axit chì 12V 100Ah. Thời gian nghiên cứu kéo dài trong 6 tháng, từ tháng 9/2021 đến tháng 3/2022, bao gồm thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng của hệ thống: Mô hình mô phỏng cho thấy hiệu suất chuyển đổi điện năng từ pin mặt trời sang điện xoay chiều đạt khoảng 90-93%, tương đương với thông số kỹ thuật của bộ inverter. Công suất đầu ra trung bình của hệ thống đạt khoảng 7,2 kW trong điều kiện bức xạ mặt trời trung bình 4,4 kWh/m²/ngày.

  2. Hiệu quả lưu trữ và sử dụng ắc quy: Ắc quy axit chì với dung lượng 100Ah cho phép lưu trữ điện năng đủ để cung cấp cho tải trong khoảng 4-6 giờ khi không có bức xạ mặt trời. Mức độ sạc (SOC) của ắc quy dao động trong khoảng 20-95%, đảm bảo tuổi thọ và hiệu suất hoạt động tối ưu.

  3. Độ chính xác của mô hình mô phỏng: So sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu đo đạc thực tế tại Ecopark cho thấy sai số công suất đầu ra dưới 5%, chứng tỏ mô hình xây dựng có độ tin cậy cao và phù hợp để ứng dụng trong thiết kế và vận hành hệ thống NLMT kết hợp ắc quy.

  4. Tác động của điều kiện môi trường: Nhiệt độ và cường độ bức xạ mặt trời ảnh hưởng rõ rệt đến đặc tính I-V và P-V của pin mặt trời. Khi nhiệt độ tăng, dòng bão hòa diode tăng, làm giảm hiệu suất pin. Thuật toán MPPT giúp điều chỉnh điểm làm việc của pin để duy trì công suất tối đa trong các điều kiện biến đổi này.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu khẳng định tính khả thi và hiệu quả của mô hình hóa hệ thống NLMT kết hợp ắc quy tại Ecopark. Việc sử dụng mô hình toán học chi tiết và thuật toán MPPT trong Matlab/Simulink giúp mô phỏng chính xác đặc tính hoạt động của hệ thống, từ đó hỗ trợ tối ưu hóa thiết kế và vận hành thực tế. So với các nghiên cứu trong ngành, sai số dưới 5% là mức chấp nhận được, đồng thời mô hình cũng phản ánh đúng ảnh hưởng của các yếu tố môi trường như nhiệt độ và bức xạ mặt trời.

Biểu đồ đặc tính I-V và P-V được sử dụng để minh họa sự thay đổi công suất và dòng điện theo bức xạ và nhiệt độ, giúp trực quan hóa hiệu quả của thuật toán MPPT trong việc duy trì điểm công suất cực đại. Bảng so sánh công suất mô phỏng và thực tế cũng cho thấy sự phù hợp cao, góp phần nâng cao độ tin cậy của mô hình.

Nghiên cứu góp phần thúc đẩy ứng dụng NLMT kết hợp lưu trữ điện tại các khu đô thị, giảm áp lực lên lưới điện quốc gia và tăng cường sử dụng năng lượng sạch, thân thiện với môi trường.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường ứng dụng mô hình mô phỏng trong thiết kế hệ thống NLMT: Khuyến khích các đơn vị thiết kế và vận hành hệ thống NLMT sử dụng mô hình toán học và mô phỏng Matlab/Simulink để tối ưu hóa hiệu suất và tuổi thọ thiết bị. Thời gian áp dụng: ngay lập tức; Chủ thể thực hiện: các công ty tư vấn, nhà thầu điện mặt trời.

  2. Phát triển và áp dụng thuật toán MPPT nâng cao: Nghiên cứu và triển khai các thuật toán MPPT cải tiến nhằm tăng hiệu suất thu năng lượng trong điều kiện biến đổi thời tiết phức tạp. Thời gian: 1-2 năm; Chủ thể: viện nghiên cứu, trường đại học, doanh nghiệp công nghệ.

  3. Đầu tư nâng cấp hệ thống lưu trữ điện: Khuyến khích sử dụng ắc quy có hiệu suất cao hơn như lithium-ion để tăng khả năng lưu trữ và giảm chi phí bảo trì. Thời gian: 3-5 năm; Chủ thể: nhà đầu tư, chính quyền địa phương, doanh nghiệp năng lượng.

  4. Xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển NLMT kết hợp lưu trữ: Đề xuất các chính sách ưu đãi về thuế, tín dụng và hỗ trợ kỹ thuật nhằm thúc đẩy đầu tư và nghiên cứu phát triển hệ thống NLMT kết hợp ắc quy. Thời gian: 1-3 năm; Chủ thể: Bộ Công Thương, các cơ quan quản lý nhà nước.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện, năng lượng tái tạo: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về mô hình hóa hệ thống NLMT kết hợp ắc quy, giúp nâng cao hiểu biết và kỹ năng nghiên cứu.

  2. Các kỹ sư thiết kế và vận hành hệ thống điện mặt trời: Tài liệu chi tiết về mô hình toán học, phương pháp mô phỏng và thuật toán MPPT hỗ trợ tối ưu hóa thiết kế và vận hành thực tế.

  3. Doanh nghiệp và nhà đầu tư trong lĩnh vực năng lượng tái tạo: Cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu thực tế để đánh giá hiệu quả đầu tư và phát triển các dự án NLMT kết hợp lưu trữ điện.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Giúp hiểu rõ tiềm năng, hiệu quả và các giải pháp kỹ thuật trong phát triển NLMT, từ đó xây dựng chính sách phù hợp thúc đẩy phát triển bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hệ thống năng lượng mặt trời kết hợp ắc quy hoạt động như thế nào?
    Hệ thống sử dụng pin mặt trời để chuyển đổi bức xạ mặt trời thành điện một chiều. Bộ inverter chuyển đổi điện một chiều thành điện xoay chiều cấp cho tải. Điện dư được lưu trữ trong ắc quy để sử dụng khi không có ánh sáng mặt trời, đảm bảo cung cấp điện liên tục.

  2. Tại sao cần sử dụng thuật toán MPPT trong hệ thống NLMT?
    MPPT giúp xác định điểm công suất cực đại của pin mặt trời trong điều kiện biến đổi bức xạ và nhiệt độ, từ đó tối ưu hóa công suất đầu ra, tăng hiệu suất sử dụng năng lượng mặt trời.

  3. Ưu điểm của ắc quy axit chì trong hệ thống NLMT là gì?
    Ắc quy axit chì có chi phí thấp, độ bền cao, dễ bảo trì và phù hợp với các hệ thống lưu trữ điện quy mô nhỏ đến vừa, là lựa chọn phổ biến trong các hệ thống NLMT hiện nay.

  4. Mô hình mô phỏng Matlab/Simulink có độ chính xác như thế nào?
    Mô hình mô phỏng đạt sai số dưới 5% so với dữ liệu thực tế, cho thấy độ tin cậy cao trong việc dự báo hiệu suất và hỗ trợ thiết kế hệ thống.

  5. Điều kiện môi trường ảnh hưởng thế nào đến hiệu suất hệ thống NLMT?
    Nhiệt độ cao làm giảm hiệu suất pin mặt trời do tăng dòng bão hòa diode. Cường độ bức xạ mặt trời thay đổi theo mùa và thời gian trong ngày ảnh hưởng trực tiếp đến công suất phát điện. Thuật toán MPPT giúp điều chỉnh để duy trì công suất tối ưu.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công mô hình toán học chi tiết của hệ thống năng lượng mặt trời kết hợp ắc quy tại Ecopark, Hưng Yên trong môi trường Matlab/Simulink.
  • Mô hình mô phỏng cho kết quả công suất và hiệu suất tương đồng với dữ liệu thực tế, sai số dưới 5%, chứng tỏ độ chính xác cao.
  • Thuật toán MPPT P&O được áp dụng hiệu quả trong việc duy trì điểm công suất cực đại, tối ưu hóa năng lượng thu được.
  • Nghiên cứu góp phần nâng cao hiểu biết và ứng dụng công nghệ NLMT kết hợp lưu trữ điện, hỗ trợ phát triển năng lượng sạch tại Việt Nam.
  • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật và chính sách nhằm thúc đẩy ứng dụng rộng rãi hệ thống NLMT kết hợp ắc quy trong tương lai gần.

Hành động tiếp theo: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp nên áp dụng mô hình và thuật toán trong thiết kế, vận hành hệ thống thực tế để nâng cao hiệu quả và bền vững. Chính quyền địa phương và Bộ Công Thương cần xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển năng lượng tái tạo kết hợp lưu trữ điện.