Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố: Năng lượng có vai trò đặc biệt quan trọng trong việc duy trì mức tăng trưởng kinh tế cao, cải thiện đời sống nhân dân, góp phần đảm bảo an ninh chính trị, an ninh năng lượng và phát triển bền vững của mỗi quốc gia. Ngày nay, do sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật, các ngành công nghiệp sử dụng các dạng năng lượng tăng mạnh (phụ tải tăng). Cùng với sự biến đổi khí hậu diễn biến phức tạp nên việc sử dụng năng lượng ngày càng tăng, nguồn năng lượng thiên nhiên khai thác tăng nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng năng lượng trên toàn cầu, nguồn năng lượng hóa thạch thì có hạn, con người khai thác đến một lúc nào đó sẽ hết, sẽ dần cạn kiệt, hơn nữa việc khai thác và sử dụng nguồn năng lượng hóa thạch, thủy điện,…đã để lại cho con người những hậu quả về tác động môi trường là vô cùng lớn. Cụ thể, khi sử dụng nguồn nguyên liệu này thải ra môi trường các loại khí độc làm ô nhiễm bầu khí quyển từ đó làm thay đổi khí hậu, tác động xấu đến cuộc sống của con người trong hiện nay và trong tương lai.
Ngày nay, khi tiềm năng thủy điện được khai thác gần hết, còn nguyên liệu như than đá, dầu khí thì không có khả năng tái tạo và sẽ cạn kiệt trong tương lai, còn năng lượng nguyên tử chứa đựng nhiều yếu tố nguy hiểm do sự độc hại của nó thì việc nghiên cứu tìm ra các nguồn năng lượng mới và sạch đã trở thành yêu cầu cấp thiết của nhiều quốc gia, đặc biệt là các nước đang phát triển và đã đạt được nhiều thành công nhất định như sự ra đời của các nhà máy phát điện dùng năng lượng gió, năng lượng mặt trời với công suất lên tới hàng ngàn MW. Tuy nhiên các nguồn năng lượng này tương đối phụ thuộc vào tự nhiên. Hòa cùng xu hướng phát triển về khoa học kỹ thuật trên thế giới, thì trong những năm gần đây hoạt động nghiên cứu năng lượng tái tạo nói chung và năng lượng mặt trời nói riêng ở nước ta triển khai khá mạnh mẽ bởi tính ưu việc của nó như luôn có sẵn, siêu sạch và gần 1 Luan van như vô tận. Vì vậy, chúng ta cần nghiên cứu và ứng dụng nguồn năng lượng vô tận này một cách tốt nhất và hiệu quả nhất.
Chính vì vậy, việc tập trung chỉ đạo, đầu tư cho phát triển nguồn năng lượng luôn được Đảng và Nhà nước ta chú trọng, đặc biệt là nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, năng lượng sinh khối, gió, thủy điện. Hiện nay, năng lượng gió tạo ra trên thế giới hàng năm tăng 20% với sản lượng điện năng năm 2011 đạt 238.000 MW và tổng sản lượng năng lượng mặt trời trên toàn thế giới đã đạt 67. Trên thực tế, hệ thống năng lượng mặt trời với công suất lớn có thể cung cấp tin cậy một phần năng lượng trên toàn thế giới. Trong khi đó ở Việt Nam, theo chiến lược phát triển năng lượng quốc gia giai đoạn từ năm 2011 đến năm 2020 và tầm nhìn đến năm 2030 đã được Thủ tướng chính phủ phê duyệt, lượng năng lượng tái tạo và năng lượng mới sẽ đạt mức 5,6% tổng sản lượng điện quốc gia vào năm 2020 và tăng trưởng đến mức 9,4% vào năm 2030 [3].
Vì nguồn năng lượng này có nhiều ưu điểm như chi phí bảo dưỡng thấp, an toàn cho người sử dụng, không gây ô nhiễm môi trường và đặc biệt nguồn tài nguyên này vô cùng phong phú. Việt Nam có vị trí địa lý nằm gần đường xích đạo nên chúng ta có nguồn năng lượng tái tạo vô cùng lớn, đặc biệt năng lượng mặt trời có cường độ bức xạ tương đối cao, với bức xạ trung bình đạt 4 đến 5 kWh/m2 mỗi ngày. Các khu vực có cường độ ánh sáng cao phải kể đến khu vực phía Nam có những khu vực cường độ ánh sáng lên đến 5 kWh/m2 thời gian nắng lên đến 7000 h/năm. Như vậy có thể nói ở khu vực phía Nam là nơi thuận lợi để khai thác tiềm năng năng lượng mặt trời.
Các khu vực còn lại như ở phía Bắc do điều kiện khí hậu 4 mùa thay đổi do đó thời gian có năng ở khu vực này không cao, cường độ ánh sáng trung bình thấp, chỉ có một vài tháng hè có cường độ ánh sáng cao nhưng tính thời gian trung bình có nắng trong năm lại thấp do đó ở các khu vực này khó sử dụng pin mặt trời hơn, nếu sử dụng thì sản lượng điện thu được cũng không cao do đó tính hiệu quả kinh tế sẽ thấp. 2 Luan van Tổng số giờ nắng (TSGN) trong 3 tháng VI-VIII/2014 dao động từ 400 đến trên 700 giờ ở đại bộ phận diện tích cả nước. Trong đó, khu vực ven biển từ Hà Tĩnh đến Ninh Thuận có TSGN cao nhất từ 600 đến trên 700 giờ. Đáng chú ý, các khu vực đo được TSGN cao nhất là ở Nha Trang (Khánh Hòa): 725 giờ và Quy Nhơn (Bình Định): 707 giờ.
Ngược lại, TSGN thấp nhất đo được là 304 giờ tại Sa Pa (Lào Cai). TSGN hụt chuẩn từ 1 đến 250 giờ ở phần lớn diện tích cả nước. Trong khi đó, TSGN vượt chuẩn từ 1 đến 70 xảy ra ở đa phần diện tích Tây Bắc và Nam Bộ. TSGN tháng VIII dao động từ 100 đến 200 giờ ở hầu hết diện tích cả nước; riêng tại Chi Nê (Hòa Bình) và Hồi Xuân (Thanh Hóa) có TSGN dưới 100 giờ.
Trong tháng này, TSGN hụt chuẩn từ 1 đến gần 100 giờ ở hầu hết diện tích phía Bắc (từ Quảng Nam trở ra) và vượt chuẩn từ 1 đến 65 giờ ở phía Nam (từ Quảng Ngãi trở vào) (Hình 1.1: Phân bố tổng giờ nắng 3 tháng 3 Luan van Bảng 1.1: Số giờ nắng (SGN) và chuẩn sai (CS) tại một số trạm (giờ) Vì vậy, ở khu vực phía Nam nói chung và Tiền Giang nói riêng rất thích hợp trong việc sử dụng Pin mặt trời (pin quang điện) là thiết bị ứng dụng hiệu ứng quang điện trong bán dẫn (thường gọi là hiệu ứng quang điện trong – quang dẫn) để tạo ra dòng điện một chiều từ ánh sáng mặt trời. Loại pin mặt trời thông dụng nhất hiện nay là loại sử dụng Silic tinh thể. Tinh thể Silic tinh khiết là chất bán dẫn điện rất kém vì các điện tử bị giam giữ bởi liên kết mạng, không có điện tử tự do. Khi bị ánh sáng hay nhiệt độ kích thích, các điện tử bị bứt ra khỏi liên kết, hay là các điện tử tích điện âm nhảy từ vùng hoá trị lên vùng dẫn và để lại một lỗ trống tích điện dương trong vùng hoá trị.
Lúc này chất bán dẫn mới dẫn điện. Tuy nhiên, với tiềm năng lớn song năng lượng mặt trời đang gặp khó khăn nhất định như giá thành cao và hiệu suất chuyển đổi năng lượng còn thấp. Chi phí đầu tư pin năng lượng mặt trời còn khá cao tức khoảng 1. Vì vậy, để giảm giá thành và nâng hiệu suất của pin thì các nhà khoa học đã nghiên cứu và phát triển công nghệ sản xuất pin theo hướng cải thiện hiệu suất chuyển đổi năng lượng và sử dụng bộ điều khiển dò điểm công suất cực đại là phương pháp tiếp cận được sử dụng để tối ưu hóa công suất trong hệ thống pin mặt trời do đó năng lượng phát ra từ pin mặt trời có thể được trích xuất tối đa.
Có nhiều phương pháp MPPT (Maximum power point tracking - Điều khiển bám điểm công suất cực đại). MPPT đã được phát triển và thực hiện bởi các nhà 4 Luan van nghiên cứu thế kỷ 20. Nhìn chung, các kỹ thuật MPPT có thể được chia thành hai loại, cụ thể là các phương pháp trực tiếp và gián tiếp. Các phương pháp MPPT trực tiếp bao gồm phương pháp nhiễu và quan sát (P&O), phương pháp gia tăng độ dẫn (INC: Incremental Conductance), phương pháp hồi tiếp điện áp hoặc dòng điện, phương pháp logic mờ (FLC: Fuzzy logic controller) và phương pháp nơron.
Các phương pháp gián tiếp bao gồm điện áp PV vòng hở, dòng PV ngắn mạch,…Các phương pháp sử dụng phổ biến là P&O và INC Phương pháp P&O là phương pháp được sử dụng rộng rãi trong MPPT vì có cấu trúc cơ bản, đơn giản và nó đòi hỏi chỉ có một vài thông số (hình 1. Tuy nhiên, phương pháp P&O truyền thống có đáp ứng kém khi cường độ chiếu sáng của mặt trời thay đổi nhanh.2: Biểu diễn lưu đồ giải thuật phương pháp P&O Giải thuật P&O cải tiến theo phương pháp so sánh công suất trung bình của nhóm tác giả “Dezso Sera, et.al, Aalborg University/Institute of Energy Technology, Aalborg, Denmark” khắc phục được nhược điểm này, tuy nhiên tôi đề ra một phương pháp tiếp cận khác của giải thuật P&O dựa vào bản chất dòng ngắn 5 Luan van mạch Isc của pin quang điện. Giải thuật tiếp cận này cũng khắc phục được nhược điểm của giải thuật P&O truyền thống, và tỏ ra có một số ưu điểm với P&O cải tiến theo phương pháp so sánh công suất trung bình. Phương pháp INC là phương pháp dựa trên việc phân tích đạo hàm của công suất theo điện áp.
Ở bên trái điểm cực đại, đạo hàm có giá trị dương. Ở bên phải điểm cực đại, đạo hàm có giá trị âm. =0 Tại điểm MPP 0 Bên trái điểm MPP 0 Bên phải điểm MPP Phương pháp INC dựa trên việc so sánh những biểu thức trên để xác định điểm cực đại. Tỷ số độ thay đổi dòng điện và điện áp được so sánh với tỷ số dòng điện và điện áp tức thời để biết được PV đang vận hành ở bên trái hay bên phải so với điểm cực đại.
Khi điểm vận hành của PV đến được điểm cực đại, giá trị đặt sẽ được giữ không đổi. Khi có sự thay đổi về điều kiện môi trường và tải, giải thuật sẽ so sánh tiếp để điều chỉnh giá trị đặt nhằm bắt công suất cực đại mới (hình 1.3: Biểu diễn lưu đồ giải thuật phương pháp INC 6 Luan van Trong nước và trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu về hệ thống pin năng lượng mặt trời, cụ thể như: Ổn định và nâng cao điện áp phát ra của hệ thống pin năng lượng mặt trời Các phương pháp điều khiển nhằm giúp hệ thống pin năng lượng mặt trời làm việc tại điểm công suất cực đại Các phương pháp nghịch lưu nhằm cải thiện chất lượng điện trong hệ thống năng lượng mặt trời. Các phương pháp điều khiển công suất tác dụng, công suất phản kháng và dòng điện bơm vào lưới của hệ thống pin năng lượng mặt trời.