Đặt vấn đề Khai thác năng lượng tái tạo đang là xu hướng chung trên thế giới để thay thế nguồn năng lượng hóa thạch vốn đang dần cạn kiệt, và hơn nữa là hạn chế sự biến đổi đến mức cực đoan của khí hậu. Nguồn năng lượng này được đầu tư và phát triển khá nhanh trong những năm gần đây với những thành quả ấn tượng ở một số quốc gia trong đó có Việt Nam. Nhưng nhìn chung năng lượng tái tạo vẫn còn rất khiêm tốn trong bức tranh tổng thể về năng lượng trên toàn cầu. Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và công nghiệp thì các nguồn năng lượng hóa thạch sẽ gần như hết đi trong tương lai gần.
Năng lượng được quan tâm khai thác của thế giới không thể nằm ở những nguồn này, mà là những nguồn năng lượng tái tạo (renewable energy), ví dụ như năng lượng gió và thủy năng. Nhưng tổng cộng dự trữ của tất cả các nguồn khác này (trong đó chủ yếu là gió) chỉ bằng khoảng 1 phần trăm nguồn dự trữ năng lượng mặt trời. Vì vậy năng lượng mặt trời được khai thác và sử dụng chủ yếu trên thế giới. Ở Việt Nam các dự án nguồn thủy điện lớn đã được khai thác tối đa, các dự án nhiệt điện than phải đối mặt với áp lực về môi trường thì việc phát triển các nguồn năng lượng tái tạo, trong đó có năng lượng mặt trời, đang là hướng đi mới.
Theo Hiệp hội Năng lượng sạch Việt Nam, nước ta là một trong những quốc gia có ánh nắng mặt trời nhiều nhất trong biểu đồ bức xạ mặt trời thế giới. 1 Luan van Hình 1.1: Bức xạ năng lượng mặt trời trung bình theo tháng các vùng ở Việt Nam Với mục tiêu nâng công suất nguồn điện mặt trời từ mức không đáng kể như hiện nay lên khoảng 850 MW vào năm 2020, khoảng 4.000 MW vào năm 2025 và khoảng 12. Như vậy, theo lộ trình này, từ nay đến năm 2020, mỗi năm chúng ta phải xây dựng các dự án điện mặt trời với công suất hơn 200 MW; từ năm 2020 - 2025, mỗi năm phải lắp đặt hơn 600 MW và 5 năm tiếp theo, mỗi năm phải lắp đặt 1.600 MW mới đạt kế hoạch đề ra. Hiện nay cả nước có khoảng 30 nhà đầu tư bắt đầu xúc tiến lập các dự án điện mặt trời có công suất từ 20 đến trên 300 MW tại một số địa phương, tập trung chủ yếu ở khu vực miền Trung.
Trong đó đáng chú ý là 2 dự án của Công ty Đầu tư và Xây dựng Thiên Tân (tại tỉnh Quảng Ngãi và Ninh Thuận) và dự án Tuy Phong do Công ty TNHH DooSung Vina (Hàn Quốc) đầu tư với quy mô 66 triệu USD, công suất 30 MW tại tỉnh Bình Thuận. 2 Luan van Năng lượng mặt trời được đánh giá là thân thiện nhất với môi trường và ít gây ảnh hưởng xấu về mặt xã hội. Trong khi xây dựng nhà máy thủy điện yêu cầu diện tích lớn, di dời dân cư, gây mất các vùng đất canh tác truyền thống, nhà máy nhiệt điện luôn là thủ phạm ô nhiễm môi trường nặng nề, nguồn nhiên liệu kém ổn định và giá ngày một tăng cao, nhà máy điện hạt nhân có nguy cơ ảnh hưởng tới sức khỏe lâu dài của người dân xung quanh nhà máy do rò rỉ hạt nhân thì năng lượng mặt trời lại tốt cho môi trường và có khả năng tái tạo, chi phí nhiên liệu và bảo dưỡng thấp, an toàn cho người sử dụng. Bên cạnh đó, do đặc trưng phân tán và nằm sát dân cư nên loại hình này dễ áp dụng tới vùng nông thôn, miền núi, nơi nằm xa khu vực trung tâm khiến điện lưới khó tiếp cận.
Các tấm phát điện năng mặt trời đặt trên nóc nhà nhằm đáp ứng các yêu cầu cơ bản như đun nước, lò sấy… Mặt khác, giúp tiết kiệm chi phí truyền tải so với các hình thức sản xuất điện khác. Năng lượng sạch mặt trời giúp đa dạng hóa các nguồn năng lượng như nhiệt điện, thủy điện hay điện nguyên tử, giúp phân tán rủi ro và tăng cường an ninh năng lượng. Tuy nhiên, những khó khăn, thách thức về việc sử dụng đất, vốn, đấu nối, giải tỏa công suất, về hạn chế trong việc tiếp cận công nghệ mới và hiệu quả kinh tế, về nguồn dự phòng, về cơ chế chính sách, luôn đặt ra cho các nhà quản lý trong quá trình định hướng, xây dựng chính sách phát triển nguồn điện tái tạo. Thách thức lớn cho việc sử dụng pin mặt trời hiện nay do bởi giá thành cao và hiệu suất chuyển đổi năng lượng còn thấp.
Giá của một mô đun pin mặt trời khoảng 3.5$/Wp và nếu tính cả chi phí lắp đặt hệ thống thì khoảng 7$/Wp dẫn đến giá thành điện năng phát ra còn rất cao khoảng 0.65 $/kWh gấp gần 5 lần điện năng phát ra dùng nguồn năng lượng hóa thạch [1]. Ngoài ra còn các rào cản khác như thiếu sự hỗ trợ về chính sách của chính phủ, nhận thức của mọi người về năng lượng, sự tham gia của các tổ chức cá nhân vào các dự án phát triển nguồn năng lượng tái tạo. Để khắc phục những khó khăn trong việc khai thác và sử dụng năng lượng mặt trời, đặc biệt là hiệu suất làm việc của pin. 3 Luan van Điện năng tạo ra của pin phụ thuộc vào điện áp hoạt động của PV.
Trên đặc tuyến V(I) và P(V) của PV tồn tại duy nhất một điểm mà ở đó công suất phát của PV đạt cực đại (MPP), điểm MPP này thay đổi phụ thuộc vào bức xạ và nhiệt độ môi trường chính vì vậy để khắc phục những hạn chế khai thác và sử dụng PV các nhà khoa học đã nghiên cứu các phương pháp để thu được công suất là lớn nhất, đảm bảo các PV làm việc tối ưu nhất. các phương pháp đó là nghiên cứu các vật liệu làm PV, cách mắc các PV, sử dụng bộ thu năng lượng tập trung, xây dựng các giải thuật dò tìm sử dụng bộ dò tìm MPP. Các lĩnh vực - kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước Các nghiên cứu chủ yếu về lĩnh vực pin năng lượng mặt trời như: Ổn định và nâng cao điện áp phát ra của hệ thống pin mặt trời [2, 3]; Các phương pháp điều khiển nhằm đưa hệ thống pin mặt trời làm việc tại điểm công suất cực đại [4-5]; Các phương pháp nghịch lưu cải thiện điện năng trong hệ thống năng lượng mặt trời; Các phương pháp ngăn ngừa hiện tượng Islending cho hệ thống pin năng lượng mặt trời [6,7]; phương pháp điều khiển công suất tác dụng, công suất phản kháng và dòng điện bơm vào lưới của hệ thống pin nối lưới [6,7]; Các phương pháp và giải thuật dò tìm điểm công suất cực đại Trong các tài liệu đánh giá trước đây trong [8] và [9], các tác giả chủ yếu đã nhấn mạnh vào các thuật toán MPPT thông thường dưới bức xạ đồng đều và không đồng đều. Trong [10], tác giả chủ yếu hạch toán các cấu trúc liên kết chuyển đổi khác nhau, nhưng việc thực hiện đầy đủ tất cả các tiến bộ gần đây trong MPPT vẫn chưa được thực hiện cho đến ngày 1.
Mục tiêu của luận văn Mỗi tấm pin mặt trời đều có một điểm có công suất cực đại được gọi là MPP (Maximum Power Point) và điểm công suất cực đại này sẽ luôn thay đổi tùy theo điều kiện môi trường. Mục tiêu của luận văn là lấy được công suất lớn nhất của hệ thống pin 4 Luan van năng lượng mặt trời trong thời gian nhanh nhất có thể, ngay cả khi điều kiện môi trường thay đổi như: Bóng của các tòa nhà, bóng cây… Hiện nay có rất nhiều phương pháp dò tiềm điểm công suất cực đại (MPP) của pin mặt trời với những sự khác biệt ở nhiều khía cạnh như: Độ phức tạp, tốc đồ dò điểm công suất cực đại, số lượng cảm biến, phương pháp dò tìm. Phạm vi nghiên cứu của luận văn. Sử dụng phương pháp Micro DC - DC converter, thiết kế mô phỏng bằng phần mềm PSim sử dụng giải thuật PSO dò tìm điểm công suất cực đại của pin năng lương mặt trời ở điều kiện bức xa bình thường và khi bị bóng che một phần 1.
Nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu của luận văn - Nghiên cứu tổng quan cở sở lý thuyết về hệ thống pin năng lượng mặt trời - Phân tích các đặc tuyền I-V, P-V của pin mặt trời và sự phụ thuộc của các đường đặc tính khi các điều kiện môi trường thay đổi - Tìm hiểu giải thuật PSO và phương pháp điều khiển dò tìm điểm công suất cực đại. - Tìm hiểu phương pháp Micro DC - DC converter xây dựng mô hình mô phổng dò điểm công suất cực đại của PV đáp ứng điều kiện thay đổi của môi trường - Mô phỏng dò tìm điểm công suất cực đại bằng phần mềm PSIM sử dụng phương pháp Micro DC - DC converter. Phương pháp nghiên cứu - Thu thập các tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu của luận văn - So sanh kết quả, ưu điểm, nhược điểm của các phương pháp dò điểm công suất cực đại của pin khi mắc ở các chế độ khác nhau trong cùng điều kiện. - Phân tích được những ưu, nhược điểm của phương pháp đề xuất đề xuất - Xây dựng mô hình mô phỏng pin mặt trời bằng PSIM và giải thuật MPPT - Phân tích các kết quả nhận được và các kiến nghị.
5 Luan van - Đánh giá tổng quan và hướng phát triển của luận văn 1. Kết quả của luận văn - Xác định phương pháp dò tìm công suất cực đại của pin quang điện với tốc độ nhanh hơn, độ ổn định cao hơn so với phương pháp thông thường. - Xây dựng phương pháp và mô phỏng được kết quả dò tìm điểm công suất cực đại của pin quang điện, đáp ứng những điều kiện thay đổi của môi trường bên ngoài với thời gian ngắn. Giá trị thực tiễn của luận văn Từ những kết quả thu được từ luận văn đã đưa ra một phương pháp tối ưu mới được ứng dụng giúp các hệ thống năng lượng mặt trời hoạt động ổn định với hiệu suất tối ưu nhất.
Từ những kết quả mô phổng của luận văn có thể thiết kế thi công bộ dò tìm MPPT, đáp ứng sự thay đổi của điều điện môi trường trong các cánh đồng pin quang điện giúp nó hoạt động ổn định và thu được công suất lớn nhất. Bố cục của luận văn bao gồm Chương 1: Tổng quan Chương 2: Cơ sở lý thuyết và phương pháp tiếp cận Chương 3: Xây dựng phương pháp dò tìm điểm công suất cực đại Chương 4: Kết quả mô phỏng Chương 5: Kết luận và hướng phát triển của luận văn.