Đồ án HCMUTE: Nghiên cứu thuật toán điều khiển sạc tối ưu cho hệ thống pin năng lượng mặt trời

Khám phá đồ án HCMUTE nghiên cứu thuật toán điều khiển sạc tối ưu cho hệ thống pin năng lượng mặt trời, nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng.

• Tác giả: Huỳnh Lâm Ngọc Tâm
• Người hướng dẫn: TS. Trương Đình Nhơn
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Nghiên cứu thuật toán điều khiển sạc tối ưu của hệ thống pin năng lượng mặt trời
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu
• 1.2. Lý do chọn đề tài
• 1.3. Mục đích của đề tài
• 1.4. Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 1.6. Điểm mới của luận văn
• 1.7. Giá trị thực tiễn của luận văn
• 1.8. Nội dung của luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Các loại quang điện
• 2.1.1. Pin quang điện bán dẫn Silic
• 2.1.2. Cấu tạo của pin quang điện Silic
• 2.1.3. Nguyên lý hoạt động của pin quang điện Silic
• 2.1.4. Pin quang điện nhạy cảm chất màu DSC
• 2.3. Pin quang điện dạng keo nước
• 2.4. Mô hình toán của pin mặt trời
• 2.5. Điểm làm việc cực đại của pin mặt trời
• 2.6. Hệ thống pin mặt trời
• 2.7. Các bộ biến đổi bán dẫn trong hệ thống pin mặt trời
• 2.7.1. Bộ biến đổi DC/DC
• 2.7.2. Các loại biến đổi DC/DC
• 2.7.3. Điều khiển bộ biến đổi DC/DC
• 2.8. Phương pháp dò tìm điểm công suất cực đại MPPT
• 2.8.1. Giới thiệu chung
• 2.8.2. Nguyên lý dung hợp tải
• 2.8.3. Thuật toán xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất MPPT
• 2.8.4. Phương pháp điều khiển MPPT
• 2.8.4.1. Phương pháp điều khiển PI
• 2.8.4.2. Phương pháp điều khiển trực tiếp
• 2.8.4.3. Phương pháp điều khiển đo trực tiếp tín hiệu ra
• 2.8.5. Giới hạn của MPPT
• 2.9. Bộ lưu trữ năng lượng
• 2.9.1. Các loại ắc quy
• 2.9.1.1. Ắc quy chì – axít
• 2.9.1.2. Ắc quy kiềm
• 2.9.2. Các đặc tính ắc quy
• 2.9.2.1. Điện áp ngưỡng thấp nhất
• 2.9.2.2. Điện áp hở mạch
• 2.9.3. Chế độ làm việc của ắc quy (ắc quy chì – axít)
• 2.9.3.1. Nạp ắc quy
• 2.9.3.2. Ắc quy phóng
• 2.9.4. Các chế độ của bộ nguồn nạp ắc quy
• 2.9.4.1. Nạp với dòng không đổi
• 2.9.4.2. Nạp với áp không đổi
• 2.9.5. Các sự cố cần bảo vệ của ắc quy chì - axít
• 2.9.6. Các tiêu chí lựa chọn ắc quy
• 2.9.7. Các thông số đặc trưng của ắc quy
• 2.9.7.1. Đặc tính phóng
• 2.9.7.2. Các phương pháp nạp cho ắc quy
• 2.9.7.2.1. Nạp với dòng điện không đổi
• 2.9.7.2.2. Nạp với điện áp không đổi
• 2.9.7.2.3. Phương pháp nạp dòng áp
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ KẾT QUẢ THUẬT TOÁN
• 3.1. Mô hình mô phỏng một phần tử pin mặt trời
• 3.2. Nghiên cứu Solar cell
• 3.2.1. Khi điện trở nối tiếp Rs thay đổi
• 3.2.2. Khi Is thay đổi
• 3.2.3. Khi thay đổi nhiệt độ T
• 3.3. Phân tích giải thuật P&O
• 3.4. Mô hình hóa hệ thống pin năng lượng mặt trời
• 3.5. Kết quả mô phỏng
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 4.1. Các vấn đề được thực hiện trong luận văn
• 4.2. Đề nghị và hướng phát triển của luận văn
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu

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. Cùng với sự biến đổi khí hậu diễn biến phức tạp, 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. Việc khai thác và sử dụng nguồn năng lượng hóa thạch đã để lại cho con người những hậu quả về tác động môi trường rất lớn. Ngày nay, khi tiềm năng thủy điện được khai thác gần hết, 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. Năng lượng mặt trời, với cường độ bức xạ cao, là một trong những nguồn năng lượng tái tạo có tiềm năng lớn tại Việt Nam.

1.1. Lý do chọn đề tài

Việt Nam có vị trí địa lý thuận lợi cho việc khai thác năng lượng mặt trời với cường độ bức xạ cao. Nhu cầu sử dụng điện năng ngày càng tăng, đặc biệt là ở các khu đô thị. Việc phát triển hệ thống năng lượng mặt trời không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn đảm bảo an ninh năng lượng cho quốc gia. Các chính sách hỗ trợ từ Chính phủ cũng tạo điều kiện thuận lợi cho việc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ sạc pin trong lĩnh vực này.

II. Cơ sở lý thuyết

Nghiên cứu về thuật toán sạc pin trong hệ thống pin năng lượng mặt trời là một lĩnh vực quan trọng. Các loại pin quang điện như pin bán dẫn silic và pin nhạy cảm chất màu DSC được sử dụng phổ biến. Nguyên lý hoạt động của các loại pin này dựa trên việc chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng. Việc tối ưu hóa hiệu suất sạc pin là cần thiết để nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng. Các phương pháp như MPPT (Maximum Power Point Tracking) được áp dụng để tìm điểm công suất cực đại, từ đó cải thiện hiệu suất sạc pin. Việc mô phỏng và phân tích các thuật toán này giúp đánh giá hiệu quả và khả năng ứng dụng trong thực tế.

2.1. Các loại quang điện

Các loại pin quang điện như pin silic và pin nhạy cảm chất màu DSC có cấu tạo và nguyên lý hoạt động khác nhau. Pin silic là loại phổ biến nhất, với khả năng chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng hiệu quả. Nguyên lý hoạt động của pin này dựa trên hiện tượng quang điện, nơi ánh sáng mặt trời tác động lên bề mặt pin, tạo ra dòng điện. Việc nghiên cứu và phát triển các loại pin mới có thể giúp nâng cao hiệu suất và giảm chi phí đầu tư cho hệ thống năng lượng mặt trời.

III. Mô phỏng hệ thống pin năng lượng mặt trời

Mô phỏng hệ thống pin năng lượng mặt trời và các thuật toán điều khiển sạc là bước quan trọng trong nghiên cứu. Sử dụng phần mềm Matlab/Simulink, các mô hình được xây dựng để phân tích hiệu suất của hệ thống. Kết quả mô phỏng cho thấy thuật toán P&O (Perturb and Observe) có khả năng tìm điểm công suất cực đại hiệu quả, từ đó tối ưu hóa quá trình sạc pin. Việc áp dụng các thuật toán này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất sạc mà còn giảm thiểu chi phí vận hành cho hệ thống năng lượng mặt trời.

3.1. Phân tích giải thuật P O

Giải thuật P&O là một trong những phương pháp phổ biến nhất trong việc tìm kiếm điểm công suất cực đại cho hệ thống pin năng lượng mặt trời. Phương pháp này hoạt động bằng cách thay đổi tải và quan sát sự thay đổi của điện áp và dòng điện để xác định hướng điều chỉnh. Kết quả cho thấy giải thuật này có thể cải thiện hiệu suất sạc pin lên đáng kể, giúp hệ thống hoạt động hiệu quả hơn trong các điều kiện ánh sáng khác nhau. Việc áp dụng giải thuật này trong thực tế sẽ mang lại lợi ích lớn cho việc phát triển hệ thống năng lượng mặt trời tại Việt Nam.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu năng lượng toàn cầu ngày càng tăng nhanh, trong khi nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt và gây ra nhiều tác động tiêu cực đến môi trường. Tại Việt Nam, dự báo nhu cầu điện tăng gấp 4 lần từ năm 2013 đến 2030, với tỷ lệ năng lượng tái tạo dự kiến chiếm 6% tổng sản lượng điện quốc gia vào năm 2030. Năng lượng mặt trời được xem là nguồn năng lượng tái tạo tiềm năng, đặc biệt ở khu vực phía Nam với cường độ bức xạ trung bình đạt 4-5 kWh/m²/ngày và thời gian nắng lên đến 7000 giờ/năm. Tuy nhiên, chi phí đầu tư cao và hiệu suất chuyển đổi thấp là những thách thức lớn trong việc ứng dụng rộng rãi công nghệ này.

Luận văn tập trung nghiên cứu thuật toán điều khiển sạc tối ưu cho hệ thống pin năng lượng mặt trời nhằm tăng hiệu suất chuyển đổi và khai thác công suất cực đại từ pin quang điện. Mục tiêu chính là phát triển và mô phỏng giải thuật MPPT (Maximum Power Point Tracking) dựa trên phương pháp P&O (Perturb & Observe) để điều khiển bộ biến đổi DC/DC trong hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi mô hình hóa và mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink, tập trung vào điều kiện môi trường thay đổi như nhiệt độ và cường độ bức xạ.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng mặt trời, góp phần giảm áp lực lên nguồn điện lưới quốc gia, đồng thời hỗ trợ phát triển bền vững năng lượng tái tạo tại Việt Nam. Việc tối ưu hóa công suất sạc không chỉ giúp giảm chi phí đầu tư mà còn tăng tuổi thọ và độ ổn định của hệ thống pin mặt trời trong thực tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

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

• Mô hình toán học pin mặt trời: Mạch điện tương đương của pin mặt trời gồm dòng quang điện, dòng bão hòa, điện trở nối tiếp và điện trở rò rỉ, được mô tả bằng các phương trình đặc trưng I-V và P-V. Mô hình này phản ánh sự phụ thuộc của dòng điện và điện áp vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ vận hành.

• Điểm công suất cực đại (MPP): Là điểm trên đặc tuyến công suất-voltage (P-V) của pin mặt trời tại đó công suất đầu ra đạt giá trị lớn nhất. MPP thay đổi theo điều kiện môi trường, do đó cần thuật toán MPPT để theo dõi và duy trì điểm làm việc tối ưu.

• Thuật toán MPPT P&O (Perturb & Observe): Phương pháp dò tìm điểm công suất cực đại bằng cách thay đổi điện áp đầu ra và quan sát sự biến thiên công suất. Thuật toán này có cấu trúc đơn giản, dễ triển khai và phù hợp với điều kiện thay đổi môi trường.

• Bộ biến đổi DC/DC (Buck, Boost, Buck-Boost): Các bộ biến đổi này điều chỉnh điện áp và dòng điện từ pin mặt trời để phù hợp với tải và ắc quy, đồng thời hỗ trợ thuật toán MPPT trong việc duy trì điểm công suất cực đại.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: PV (Photovoltaic), MPPT, P&O, bộ biến đổi DC/DC, dòng quang điện, điểm công suất cực đại, hiệu suất chuyển đổi, và các đặc tính I-V, P-V của pin mặt trời.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink với các bước chính:

• Thu thập dữ liệu và tài liệu: Tổng hợp các nghiên cứu, mô hình toán học và thuật toán MPPT hiện có.

• Xây dựng mô hình pin mặt trời: Mô phỏng mạch điện tương đương của pin mặt trời, phân tích đặc tính I-V, P-V dưới các điều kiện bức xạ và nhiệt độ khác nhau.

• Phát triển thuật toán P&O: Thiết kế và mô phỏng thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại, điều khiển bộ biến đổi DC/DC để tối ưu hóa công suất sạc.

• Phân tích kết quả mô phỏng: So sánh hiệu suất hệ thống khi sử dụng và không sử dụng thuật toán MPPT, đánh giá khả năng thích ứng với biến đổi môi trường.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình mô phỏng được thực hiện trên hệ thống pin mặt trời với các thông số kỹ thuật tiêu chuẩn, mô phỏng trong khoảng thời gian đủ dài để đánh giá hiệu quả thuật toán.

• Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu và mô phỏng kéo dài trong vòng 2 năm (2013-2015), bao gồm thu thập tài liệu, xây dựng mô hình, phát triển thuật toán và phân tích kết quả.

Phương pháp phân tích chủ yếu dựa trên mô phỏng số và so sánh các đặc tính điện áp, dòng điện, công suất đầu ra của hệ thống pin mặt trời dưới các điều kiện môi trường khác nhau.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả của thuật toán P&O trong việc tìm điểm công suất cực đại: Mô phỏng cho thấy thuật toán P&O có thể tăng hiệu suất bộ sạc lên khoảng 10-15% so với hệ thống không sử dụng MPPT. Điện áp đầu ra của pin mặt trời được duy trì gần điểm công suất cực đại, giúp tối ưu hóa công suất truyền tải.

2. Ảnh hưởng của điều kiện môi trường: Khi cường độ bức xạ thay đổi từ 200 W/m² đến 1000 W/m², thuật toán P&O vẫn duy trì được điểm công suất cực đại với sai số nhỏ, đảm bảo công suất đầu ra ổn định. Nhiệt độ tăng từ 25°C lên 50°C làm giảm điện áp tối đa khoảng 10%, tuy nhiên thuật toán điều chỉnh kịp thời để duy trì công suất tối ưu.

3. So sánh các bộ biến đổi DC/DC: Bộ biến đổi Boost cho hiệu suất cao hơn trong điều kiện bức xạ thấp nhờ khả năng tăng áp, trong khi bộ Buck phù hợp khi điện áp pin cao hơn điện áp tải. Kết hợp bộ Buck-Boost giúp hệ thống linh hoạt hơn trong việc điều chỉnh điện áp đầu ra.

4. Tính ổn định và đáp ứng nhanh của hệ thống: Thuật toán P&O phản ứng nhanh với sự thay đổi đột ngột của điều kiện ánh sáng, giảm thiểu thời gian trễ trong việc tìm điểm công suất cực đại, từ đó nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng mặt trời.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng được trình bày qua các biểu đồ đặc tuyến I-V, P-V và đồ thị điện áp, dòng điện đầu ra theo thời gian, minh họa rõ ràng khả năng duy trì điểm công suất cực đại của thuật toán P&O. So với các nghiên cứu khác sử dụng phương pháp Incremental Conductance (INC), thuật toán P&O có ưu điểm về độ phức tạp thấp và dễ triển khai, mặc dù đôi khi có thể gặp hiện tượng dao động nhỏ quanh điểm cực đại.

Nguyên nhân hiệu quả của thuật toán P&O là do khả năng điều chỉnh liên tục điện áp đầu ra dựa trên quan sát biến thiên công suất, phù hợp với các hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập. Việc lựa chọn bộ biến đổi DC/DC phù hợp cũng góp phần quan trọng trong việc tối ưu hóa công suất sạc và bảo vệ ắc quy lưu trữ.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn, đặc biệt trong bối cảnh Việt Nam đang đẩy mạnh phát triển năng lượng tái tạo. Việc áp dụng thuật toán điều khiển sạc tối ưu giúp giảm chi phí vận hành, tăng tuổi thọ thiết bị và nâng cao hiệu quả khai thác nguồn năng lượng mặt trời phong phú tại khu vực phía Nam.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai ứng dụng thuật toán P&O trong các hệ thống pin mặt trời độc lập: Khuyến khích các doanh nghiệp và cơ quan quản lý áp dụng giải thuật này để nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng mặt trời, đặc biệt tại các vùng sâu, vùng xa. Thời gian thực hiện trong vòng 1-2 năm.

2. Phát triển bộ biến đổi DC/DC kết hợp Buck-Boost: Đề xuất nghiên cứu và thiết kế các bộ biến đổi linh hoạt, có khả năng tăng giảm điện áp phù hợp với điều kiện vận hành thực tế, nhằm tối ưu hóa công suất sạc và bảo vệ ắc quy. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ.

3. Tăng cường đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về thuật toán MPPT và thiết kế hệ thống pin mặt trời cho kỹ sư, kỹ thuật viên nhằm nâng cao năng lực vận hành và bảo trì. Thời gian triển khai trong 6-12 tháng.

4. Khuyến khích nghiên cứu nâng cao hiệu suất pin mặt trời và thuật toán điều khiển: Hỗ trợ các đề tài nghiên cứu phát triển vật liệu mới, thuật toán MPPT cải tiến như P&O cải tiến hoặc kết hợp với trí tuệ nhân tạo để tăng hiệu quả và độ ổn định. Chủ thể là các trường đại học và trung tâm nghiên cứu.

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 nền tảng về mô hình pin mặt trời, thuật toán MPPT và bộ biến đổi DC/DC, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển các giải pháp năng lượng sạch.

2. Doanh nghiệp sản xuất và lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời: Tham khảo để áp dụng thuật toán điều khiển sạc tối ưu, nâng cao hiệu suất hệ thống, giảm chi phí vận hành và bảo trì.

3. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chính sách phát triển năng lượng tái tạo, thúc đẩy ứng dụng công nghệ MPPT trong các dự án năng lượng mặt trời.

4. Kỹ sư vận hành và bảo trì hệ thống pin mặt trời: Hướng dẫn thực tiễn về cách thức điều khiển và tối ưu hóa công suất sạc, giúp nâng cao hiệu quả và tuổi thọ thiết bị trong quá trình vận hành.

Câu hỏi thường gặp

1. Thuật toán P&O là gì và tại sao được chọn trong nghiên cứu?
   Thuật toán P&O (Perturb & Observe) là phương pháp dò tìm điểm công suất cực đại bằng cách thay đổi điện áp và quan sát sự biến thiên công suất. Nó được chọn vì cấu trúc đơn giản, dễ triển khai và hiệu quả trong điều kiện môi trường thay đổi, phù hợp với khả năng nghiên cứu và điều kiện thực tế.

2. Hiệu suất của hệ thống pin mặt trời được cải thiện bao nhiêu khi sử dụng thuật toán P&O?
   Mô phỏng cho thấy hiệu suất bộ sạc tăng khoảng 10-15% so với hệ thống không sử dụng MPPT, giúp khai thác tối đa công suất từ pin mặt trời trong điều kiện bức xạ và nhiệt độ biến đổi.

3. Bộ biến đổi DC/DC nào phù hợp nhất cho hệ thống pin mặt trời?
   Bộ biến đổi Boost thích hợp khi cường độ ánh sáng yếu vì khả năng tăng áp, trong khi bộ Buck phù hợp khi điện áp pin cao hơn điện áp tải. Kết hợp Buck-Boost giúp hệ thống linh hoạt điều chỉnh điện áp đầu ra, tối ưu hóa công suất sạc.

4. Thuật toán P&O có nhược điểm gì không?
   Thuật toán P&O có thể gây dao động nhỏ quanh điểm công suất cực đại và phản ứng chậm khi điều kiện môi trường thay đổi đột ngột. Tuy nhiên, các cải tiến thuật toán có thể khắc phục phần nào nhược điểm này.

5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế?
   Có thể triển khai thuật toán P&O trên các bộ điều khiển MPPT trong hệ thống pin mặt trời độc lập, kết hợp với bộ biến đổi DC/DC phù hợp. Đồng thời, cần đào tạo kỹ thuật viên vận hành và bảo trì để đảm bảo hiệu quả và độ bền của hệ thống.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng và mô phỏng thành công thuật toán điều khiển sạc tối ưu dựa trên phương pháp P&O cho hệ thống pin năng lượng mặt trời, giúp tăng hiệu suất khai thác công suất cực đại.
• Mô hình toán học và mô phỏng trên Matlab/Simulink cho thấy thuật toán có khả năng thích ứng tốt với biến đổi điều kiện môi trường như nhiệt độ và cường độ bức xạ.
• Kết hợp bộ biến đổi DC/DC phù hợp (Buck, Boost, Buck-Boost) giúp tối ưu hóa điện áp và dòng điện đầu ra, bảo vệ ắc quy và nâng cao tuổi thọ hệ thống.
• Nghiên cứu góp phần làm cơ sở khoa học cho việc phát triển và ứng dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam, đặc biệt ở các vùng sâu, vùng xa.
• Đề xuất các hướng phát triển tiếp theo bao gồm cải tiến thuật toán MPPT, phát triển vật liệu pin mới và đào tạo chuyển giao công nghệ nhằm thúc đẩy ứng dụng năng lượng tái tạo bền vững.

Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp nên phối hợp triển khai thử nghiệm thực tế thuật toán P&O trên các hệ thống pin mặt trời, đồng thời phát triển các giải pháp tích hợp để nâng cao hiệu quả và tính ổn định của hệ thống năng lượng tái tạo.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN 1. Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu 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 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. HVTH: Huỳnh Lâm Ngọc Tâm 1 do an Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS. Trương Đình Nhơn 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. 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. Kinh tế Việt Nam đã có bước phát triển khá nhanh trong những năm gần đây.

Mức sống của người dân đặc biệt là khu đô thị ngày một nâng cao do đó nhu cầu sử dụng điện năng với chất lượng cao cũng tăng. Theo các tính toán dự báo thì các HVTH: Huỳnh Lâm Ngọc Tâm 2 do an Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS. Trương Đình Nhơn nguồn năng lượng truyền thống như dầu mỏ, than đá đang dần cạn kiệt, không có đủ khả năng cấp năng lượng cho việc phát triển kinh tế. Việt Nam đang mong muốn khai thác và sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời và cũng đã có một số chủ trương chính sách cho việc này.

Cho đến nay đã có các hợp tác quốc tế và trợ giúp cho các doanh nghiệp nhỏ và vừa (SME) Việt Nam trong việc nghiên cứu khảo sát thị trường và ứng dụng năng lượng tái tạo trong cuộc sống: VBCF, IPP, GIZ, SECO, USAid, ADB, WB. Theo số liệu thống kê chính thức, tốc độ tăng trưởng GDP bình quân của Việt Nam là 7,03% năm trong vòng một thập kỷ vừa qua. Kết quả của sự phát triển này là GDP bình quân đầu người của Việt Nam tăng lên đáng kể và Việt Nam trở thành một quốc gia có thu nhập trung bình vào năm 2011. Với việc phát triển kinh tế như vậy, nhu cầu về điện của Việt Nam tăng rất nhanh theo thời gian.

Dự báo nhu cầu điện của Việt Nam 1995 – 2030 (nguồn: N. Ha-Duong / Energy Policy 37 (2009) 1601–1613) Như vậy, nhu cầu năng lượng tăng 4 lần từ năm 2013 đến 2030 (N.Ha-Duong / Energy Policy 37 (2009) 1601–1613). Việt nam sẽ thiếu 70% năng lượng điện cho phát triển kinh tế, bắt buộc phải nhập khẩu điện. Việc thiếu điện ở Việt Nam đã xảy ra vào các năm 2005 – 2009, dự báo tình trạng thiếu điện sẽ gia tăng trong thời gian tới.

Năm 2010, điện năng sản xuất toàn hệ thống điện quốc gia HVTH: Huỳnh Lâm Ngọc Tâm 3 do an Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS. Trương Đình Nhơn đạt 100,071tỷ kWh bao gồm cả sản lượng điện bán cho Campuchia, sản lượng điện toàn quốc là 99,106tỷ kWh chưa tính sản lượng điện bị tiết giảm, tăng 14,37% so với năm 2009. Mức tăng trưởng này cao hơn tốc độ tăng trung bình các năm gần đây (1999 ~ 2009) chỉ là 13,84%. Về nhu cầu phụ tải năm 2010, công suất cực đại đạt cao nhất là 15.416MW tăng 11,64% so với năm 2009 (Tô Quốc Trụ - Trung tâm Tư vấn Năng lượng Việt Nam).

Theo các phân tích trên đây, thì việc phát triển máy phát điện năng lượng mặt trời là rất cần thiết khi khu vực thành phố sẽ có nguy cơ thiếu điện. Dự báo nhu cầu năng lượng điện 2015 - 2030 Dự báo nhu cầu năng Năm Thị phần năng lượng tái tạo (%) lượng điện (tỷ kWh) 2015 194 - 210 3,5 2020 330 - 362 4,5 2030 695 - 834 6,0 (Nguồn: Quyết định 1208/QĐ-TTg ngày 21/7/2011 về việc phê duyệt quy hoạch phát triển điện quốc gia giai đoạn 2011-2020 tầm nhìn đến năm 2030) Ở các nước có nền công nghiệp điện mặt trời phát triển, Chính phủ có các chính sách hỗ trợ lớn để khuyến khích các hộ gia đình, các cơ quan hành chính sử dụng hệ thống điện mặt trời nối lưới. Hiện nay, chi phí đầu tư hệ thống điện mặt trời nối lưới ở các nước trên thế giới là vào khoảng 7$/W. Tại Việt Nam, Thủ tướng Chính phủ đã ký Quyết định 1208/QD-TTg ngày 21/7/2011 về việc phê duyệt quy hoạch phát triển điện quốc gia giai đoạn 2011-2020 tầm nhìn đến năm 2030 (Bảng 1.1), bao gồm các nội dung chính sau: - Nhu cầu điện trong được dự báo 194-210 tỷ kWh vào năm 2015, 330-362 tỷ kWh vào năm 2020 và 695-834 tỷ kWh vào năm 2030.

- Ưu tiên năng lượng tái tạo trong sản xuất điện, điện từ năng lượng tái tạo để thị phần từ 3,5% năm 2010 lên 4,5% trong năm 2020 và 6,0% trong năm 2030. - Đẩy nhanh chương trình điện khí hóa nông thôn. Nhắm mục tiêu gần 100% xã có điện trong năm 2020. HVTH: Huỳnh Lâm Ngọc Tâm 4 do an Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS.

Trương Đình Nhơn * Các sản lượng điện từ năng lượng tái tạo vào năm 2010, năm 2020 và năm 2030, tương ứng 3,5 tỷ, 15 tỷ và 46 tỷ kWh. Hiện nay, tại Việt Nam đã có các công trình nghiên cứu tiềm năng và khả năng ứng dụng năng lượng mặt trời. Theo số liệu của Viện Khoa học Năng lượng - Viện Hàn lâm Khoa học Việt Nam, năng lượng bức xạ mặt trời trung bình toàn quốc là 4-5kWh/m²/ngày (Dương Duy Hoạt). Bản đồ phân bố cường độ bức xạ mặt trời của Việt Nam được trình bày tại (Hình 1.2) Tiềm năng năng lượng mặt trời tốt nhất ở vùng Tây Bắc và các vùng từ Thừa Thiên Huế trở vào Nam.

Vùng Tây Bắc gồm các tỉnh Lai Châu, Sơn La, Lào Cai….và vùng Bắc Trung bộ gồm các tỉnh Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh….có năng lượng bức xạ mặt trời khá lớn, mật độ năng lượng bức xạ mặt trời biến đổi trong khoảng 3- 4kWh/m2/ngày và số giờ nắng trung bình cả năm trong khoảng 1800 đến 2100 giờ. Vùng Đông Bắc, vùng đồng bằng sông Hồng có tiềm năng thấp nhất. Bản đồ cường độ bức xạ mặt trời ở Việt Nam (nguồn: Số liệu Khí tượng Thủy văn Trung ương) Bảng 1. Lượng tổng xạ bức xạ mặt trời trung bình ngày của các tháng trong năm ở một số địa phương của nước ta TT Địa phương Tổng xạ bức xạ mặt trời của các tháng trong năm (đơn vị: MJ/m².ngày) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 8,21 8,72 10,43 12,70 16,81 17,56 1 Cao Bằng 18,81 19,11 17,60 13,57 11,27 9,37 HVTH: Huỳnh Lâm Ngọc Tâm 5 do an Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS.