MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay, các nguồn năng lƣợng trên trái đất nhƣ dầu mỏ, than đá… đang dần cạn kiệt, không còn để khai thác đƣợc nữa. Ngoài ra, những nguồn năng lƣợng này là nguyên nhân chính gây ra sự ô nhiễm không khí làm ảnh hƣởng đến đời sống con ngƣời. Trong khi đó, nguồn năng lƣợng tái tạo khá dồi dào, có khả năng thay thế nguồn năng lƣợng hóa thạch, giảm thiểu tác động tới môi trƣờng.
Vì vậy, tập trung nghiên cứu ứng dụng năng lƣợng tái tạo đang là hƣớng đi mới trong năng lƣợng công nghiệp, nhất là trong thời đại ngày nay vấn đề tiết kiệm năng lƣợng đang đặt lên hàng đầu. Việc khai thác năng lƣợng tái tạo có ý nghĩa quan trọng cả về kinh tế, xã hội, an ninh năng lƣợng và phát triển bền vững. Năng lƣợng mặt trời là một trong các nguồn năng lƣợng tái tạo quan trọng nhất mà thiên nhiên ban tặng cho hành tinh chúng ta. Đồng thời, nó cũng là nguồn gốc của các nguồn năng lƣợng tái tạo khác nhƣ năng lƣợng gió, năng lƣợng sinh khối, năng lƣợng các dòng sông,… Đó là loại hình năng lƣợng có khả năng áp dụng hơn cả tại các khu vực đô thị và các vùng mà điện lƣới không vƣơn đến đƣợc (vùng núi, vùng hải đảo hay các công trình ngoài khơi, …).
Năng lƣợng mặt trời có thể nói là vô tận, để khai thác, sử dụng nguồn năng lƣợng này cần phải biết các đặc trƣng và tính chất cơ bản của nó, đặc biệt khi tới bề mặt quả đất. Ở Việt Nam, năng lƣợng mặt trời có tiềm năng rất lớn, với lƣợng bức xạ trung bình 5kw/m²/ngày với khoảng 2000 giờ nắng/năm. Một số liệu của Trung tâm Thông tin Khoa học Công nghệ Quốc gia cho biết năm 2008 ở Việt Nam mới chỉ có khoảng 60 hệ thống đun nƣớc nóng bằng năng lƣợng mặt trời cho tập thể và hơn 5.000 hệ thống cho gia đình. Trên tổng thể, điện mặt trời chiếm 0,009% tổng lƣợng điện toàn quốc.
Mặc dù, đã có những chính sách khuyến khích, nhƣng vì nhiều lý do, việc phát triển năng lƣợng mặt trời, vốn đòi hỏi đầu tƣ ban đầu lớn hơn các dạng năng lƣợng truyền thống nên việc sử dụng vẫn còn hạn chế. Trong những năm gần đây đã có nhiều nghiên cứu, ứng dụng nhằm sản xuất và tích trữ năng lƣợng mặt trời, tuy nhiên, việc sử dụng nguồn năng lƣợng này, chủ yếu vẫn chỉ dừng lại ở mức cục bộ ( tức là khai thác và sử dụng tại chỗ ), năng lƣợng dƣ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 2 thừa chƣa hòa đƣợc lên lƣới điện quốc gia (bán trở lại cho lƣới điện thông qua đồng hồ đo để giảm thiểu hóa đơn tiền điện ). Vì vậy, việc nghiên cứu thuật toán xác định và duy trì điểm làm việc cực đại của hệ thống điện mặt trời nối lƣới đang là một vấn đề cấp thiết. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Ý nghĩa khoa học Khi có ánh sáng mặt trời sẽ tạo ra năng lƣợng một chiều (DC), Nguồn năng lƣợng một chiều này đƣợc chuyển đổi thành điện năng xoay chiều (AC) bởi bộ nghịch lƣu.
Bộ điều khiển có chức năng truyền năng lƣợng này đến phụ tải chính để cung cấp điện cho các thiết bị điện trong gia đình. Đồng thời điện năng dƣ thừa đƣợc bán trở lại lƣới điện qua đồng hồ đo để giảm thiểu hóa đơn tiền điện. Ý nghĩa thực tiễn Đề tài hoàn thành sẽ là một tài liệu quan trọng để thiết kế hoàn chỉnh hệ thống lƣới điện thông minh (Smart Grid System). Đem lại hiệu quả to lớn trong việc khai thác và sử dụng hiệu quả nguồn năng lƣợng sạch; Ứng dụng tại các nhà máy, xí nghiệp, khu dân cƣ sử dụng nguồn năng lƣợng mặt trời.
Quá trình nghiên cứu sẽ góp phần tăng nguồn tƣ liệu phục vụ cho công tác học tập và giảng dạy tại cơ quan nơi học viên công tác. Mục tiêu nghiên cứu Đề tài này đặt mục tiêu chính là “ Nghiên cứu thuật toán xác định và duy trì điểm làm việc cực đại của hệ thống điện mặt trời nối lưới’’ Các mục tiêu cụ thể: Tổng quan về năng lƣợng tái tạo. Thiết kế mạch điện tử công suất trong việc khai thác năng lƣợng mặt trời. + Cấu trúc của hệ thống điện mặt trời nối lƣới + Vấn đề hòa lƣới của hệ thống Thuật toán xác định và duy trì điểm làm việc cực đại của hệ thống điện mặt trời nối lƣới Viết chƣơng trình và mô phỏng thực nghiệm.
Đối tƣợng nghiên cứu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 3 Nghiên cứu nguồn năng lƣợng mặt trời: Phƣơng pháp sản xuất, sử dụng và hòa lƣới. Nghiên cứu thuật toán xác định và duy trì điểm làm việc cực đại của hệ thống điện mặt trời nối lƣới. Phƣơng pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết Phân tích đánh giá và hệ thống hóa các công trình nghiên cứu đƣợc công bố thuộc lĩnh vực liên quan: bài báo, tạp chí, sách chuyên ngành… Nghiên cứu thực tiễn Nghiên cứu thuật toán xác định và duy trì điểm làm việc cực đại của hệ thống điện mặt trời nối lƣới 6. Tên đề tài “ Nghiên cứu thuật toán xác định và duy trì điểm làm việc cực đại của hệ thống điện mặt trời nối lưới ”.
Bố cục luận văn Luận văn thực hiện theo bố cục nội dung nhƣ sau: Chƣơng 1: Tổng quan về năng lƣợng mặt trời. Chƣơng 2: Thiết kế mạch điện tử công suất trong việc khai thác năng lƣợng mặt trời Chƣơng 3: Thuật toán xác định và duy trì điểm làm việc cực đại của hệ thống điện mặt trời nối lƣới. Kết luận và kiến nghị Tài liệu tham khảo Phụ lục Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 4 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI 1. Nguồn năng lƣợng mặt trời Năng lƣợng mặt trời là một trong các nguồn năng lƣợng tái tạo quan trọng nhất mà thiên nhiên ban tặng cho hành tinh chúng ta.
Đồng thời nó cũng là nguồn gốc của các nguồn năng lƣợng tái tạo khác nhƣ năng lƣợng gió, năng lƣợng sinh khối, năng lƣợng các dòng sông,… Năng lƣợng mặt trời có thể nói là vô tận. Tuy nhiên, để khai thác, sử dụng nguồn năng lƣợng này cần phải biết các đặc trƣng và tính chất cơ bản của nó, đặc biệt khi tới bề mặt quả đất. Cấu trúc của mặt trời Có thể xem mặt trời là một quả cầu khí ở cách quả đất 1,49. Từ trái đất chúng ta nhìn mặt trời dƣới một góc mở là 31'59.
Từ đó có thể tính đƣợc đƣờng kính của mặt trời là R = 1,4.106 km, tức là bằng 109 lần đƣờng kính quả đất và do đó thể tích của mặt trời lớn hơn thể tích quả đất 130. Từ định luật hấp dẫn ngƣời ta cũng tính đƣợc khối lƣợng của mặt trời là 1,989.1027 tấn, lớn hơn khối lƣợng quả đất 33. Mật độ trung bình của mặt trời là 1,4g/cm3, lớn hơn khối lƣợng riêng của nƣớc (1g/cm3) khoảng 50%. Tuy nhiên mật độ ở các lớp vỏ khác nhau của mặt trời rất khác nhau.
Ở phần lõi của mặt trời, do bị nén với áp suất rất cao nên mật độ lên tới 160 g/cm3, nhƣng càng ra phía ngoài mật độ càng giảm và giảm rất nhanh. Một cách khái quát có thể chia mặt trời thành hai phần chính: phần phía trong và phần khí quyển bên ngoài (hình 1. Phần khí quyển bên ngoài lại gồm 3 miền và đƣợc gọi là quang cầu, sắc cầu và nhật miện. Còn phần bên trong của nó cũng có thể chia thành 3 lớp và gọi là tầng đối lƣu, tầng trung gian và lõi mặt trời.
Một số thông số của các lớp của mặt trời đƣợc cho trên hình 1. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Cấu trúc mặt trời Từ mặt đất nhìn lên ta có cảm giác mặt trời là một quả cầu lửa ổn định. Thực ra bên trong mặt trời luôn luôn có sự vận động mạnh mẽ không ngừng.
Sự ẩn hiện của các đám đen, sự biến đổi của quầng sáng và sự bùng phát dữ dội của khu vực xung quanh các đám đen là bằng chứng về sự vận động không ngừng trong lòng mặt trời. Ngoài ra, bằng kính thiên văn có thể quan sát đƣợc cấu trúc hạt, vật thể hình kim, hiện tƣợng phụt khói, phát xung sáng,. luôn luôn thay đổi và rất dữ dội. Năng lƣợng mặt trời Về mặt vật chất thì mặt trời chứa đến 78,4% khí Hydro (H2), Heli (He) chiếm 19,8%, các nguyên tố kim loại và các nguyên tố khác chỉ chiếm 1,8%.
Năng lƣợng do mặt trời bức xạ ra vũ trụ là một lƣợng khổng lồ. Mỗi giây nó phát ra 3,865.1026J, tƣơng đƣơng với năng lƣợng đốt cháy hết 1,32.1016 tấn than đá tiêu chuẩn. Nhƣng bề mặt quả đất chỉ nhận đƣợc một năng lƣợng rất nhỏ và bằng 17,57.1016J hay tƣơng đƣơng năng lƣợng đốt cháy của 6. Năng lƣợng khổng lồ từ mặt trời đƣợc xác định là sản phẩm của các phản ứng hạt nhân.
Theo thuyết tƣơng đối của Anhxtanh và qua phản ứng nhiệt hạt nhân khối lƣợng có thể chuyển thành năng lƣợng. Nhiệt độ mặt ngoài của mặt trời khoảng 60000K, còn ở bên trong mặt trời nhiệt độ có thể lên đến hàng triệu đô. Áp suất bên trong mặt trời cao hơn 340. Do nhiệt độ và áp suất bên trong mặt trời cao nhƣ vậy nên Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 6 vật chất đã nhanh chóng bị ion hóa và chuyển động với năng lƣợng rất lớn.
Chúng va chạm vào nhau và gây ra hàng loạt các phản ứng hạt nhân. Ngƣời ta đã xác định đƣợc nguồn năng lƣợng mặt trời chủ yếu do hai loại phản ứng hạt nhân gây ra. Đó là các phản ứng tuần hoàn giữa các hạt nhân Cacbon và Nitơ (C.N) và phản ứng hạt nhân Proton. Khối lƣợng của mặt trời xấp xỉ 2.
Nhƣ vậy để mặt trời chuyển hóa hết khối lƣợng của nó thành năng lƣợng cần một khoảng thời gian là 15. Từ đó có thể thấy rằng nguồn năng lƣợng mặt trời là khổng lồ và vô tận. Phổ bức xạ mặt trời Bức xạ mặt trời có bản chất là song điện từ, là quá trình truyền các dao động điện từ trƣờng trong không gian. Trong quá trình truyền sóng, các vectơ cƣờng độ điện trƣờng và cƣờng độ từ trƣờng luôn luôn vuông góc với nhau và vuông góc với phƣơng truyền của sóng điện từ.