Luận văn thạc sĩ về ứng dụng năng lượng mặt trời và thủy điện nhỏ tại các vùng xa lưới điện

Luận văn thạc sĩ HCMUTE nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời và thủy điện nhỏ cho các vùng xa lưới điện, góp phần phát triển bền vững.

• Tác giả: Đoàn Văn Nghiêu
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thị Mi Sa
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời kết hợp với thủy điện nhỏ tại các vùng xa lưới điện
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM TẠ
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• 1. MỞ ĐẦU: GIỚI THIỆU CHUNG
• 1.1. Mục tiêu và nhiệm vụ
• 1.2. Phương pháp nghiên cứu
• 1.3. Giới hạn đề tài
• 1.4. Điểm mới của luận văn
• 1.5. Tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn
• 1.6. Phạm vi ứng dụng
• 1.7. Bố cục của luận văn
• 2. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN PIN MẶT TRỜI KẾT HỢP THỦY ĐIỆN NHỎ
• 2.1. Tình hình phát triển pin mặt trời kết hợp thủy điện nhỏ trong nước
• 2.2. Tình hình phát triển pin mặt trời trên thế giới
• 2.3. Ưu điểm của Trạm pin mặt trời kết hợp thủy điện nhỏ
• 2.4. Nhược điểm của Trạm pin mặt trời kết hợp thủy điện nhỏ
• 3. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 3.1. Giới thiệu về pin năng lượng mặt trời
• 3.2. Cấu tạo pin mặt trời
• 3.3. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời
• 3.4. Tính công suất dàn pin mặt trời Wp
• 3.5. Tính số modun mắc song song và nối tiếp
• 3.6. Dung lượng của bộ acquy tính theo ampe-giờ (Ah)
• 3.7. Các bộ biến đổi bán dẫn trong hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập
• 3.7.1. Bộ biến đổi DC/DC
• 3.7.2. Các cách điều khiển bộ biến đổi DC/DC
• 3.7.3. Bộ biến đổi DC/AC
• 3.8. Phương pháp dò tìm điểm làm việc tối ưu MPPT
• 3.8.1. Giới thiệu chung
• 3.8.2. Nguyên lý dung hợp tải
• 3.8.3. Thuật toán xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất MPPT
• 3.9. Phương pháp nhiễu loạn và quan sát P&O
• 3.10. Phương pháp điều khiển MPPT
• 3.10.1. Phương pháp điều khiển PI
• 3.10.2. Phương pháp điều khiển trực tiếp
• 3.10.3. Phương pháp điều khiển đo trực tiếp tín hiệu ra
• 3.10.4. Giới hạn của MPPT
• 3.11. Kết nối hệ thống pin năng lượng mặt trời với lưới điện
• 3.11.1. Sự cần thiết kết nối hệ thống pin năng lượng mặt trời với lưới điện
• 3.11.2. Các điều kiện hòa nguồn năng lượng mặt trời với lưới điện
• 3.11.2.1. Điều kiện về biên độ điện áp
• 3.11.2.2. Điều kiện về tần số
• 3.11.2.3. Điều kiện về thứ tự pha
• 3.11.2.4. Điều kiện về góc lệch pha
• 3.12. Tổng quan về hệ thống boost điện áp DC
• 3.12.1. Mô hình mạch Boost PFC 1 nhánh
• 3.12.2. Sự biến thiên điện áp đầu ra
• 3.12.3. Sự biến thiên dòng điện trong cuộn dây và chế độ dòng liên tục
• 3.12.4. Mô hình mạch Boost PFC n nhánh
• 3.13. Cơ sở lý thuyết hệ thống nghịch lưu
• 3.13.1. Các phương pháp điều chế
• 3.14. Giới thiệu hệ thống thủy điện nhỏ
• 3.14.1. Tiềm năng thủy điện nhỏ
• 3.14.2. Sơ đồ điện nhà máy thủy điện nhỏ
• 4. CHƯƠNG 3: GIẢI THUẬT DÒ CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI PIN MẶT TRỜI
• 4.1. Kỹ thuật điều khiển hệ thống Boost điện áp DC
• 4.2. Giải thuật điều khiển hệ thống Boost điện áp DC
• 4.3. Kết quả mô phỏng hệ thống Boost DC
• 4.4. Mô hình và mô phỏng giải thuật P&O
• 4.5. Mô hình mô phỏng một phần tử pin mặt trời
• 4.6. Nghiên cứu Solar cell
• 4.7. Khi điện trở nối tiếp Rs thay đổi
• 4.8. Khi Is thay đổi
• 4.9. Khi thay đổi nhiệt độ T
• 4.10. Phân tích giải thuật P&O
• 4.11. Mô phỏng giải thuật P&O
• 5. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
• 5.1. Giới thiệu Trạm pin mặt trời 100 kW tại Xã Trang tỉnh Gia Lai
• 5.2. Cấu hình hệ thống
• 5.3. Thủy điện nhỏ ở Gia Lai
• 5.4. Lưới điện phân phối (dây phân phối 0,4 KV) và phụ tải
• 5.5. Mô phỏng hệ thống
• 6. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 6.1. Những kết quả đạt được
• 6.2. Đóng góp của đề tài
• 6.3. Hướng phát triển tiếp theo của đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu chung

Nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời kết hợp với thủy điện nhỏ tại các vùng xa lưới điện là một giải pháp quan trọng nhằm đảm bảo cung cấp điện cho những khu vực chưa được kết nối với hệ thống điện quốc gia. Việc sử dụng năng lượng tái tạo không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn góp phần vào việc phát triển bền vững. Đặc biệt, trong bối cảnh năng lượng xanh ngày càng được ưu tiên, việc kết hợp giữa năng lượng mặt trời và thủy điện nhỏ sẽ tạo ra một hệ thống điện độc lập, có khả năng cung cấp điện liên tục cho các hộ dân. Hệ thống này không chỉ đáp ứng nhu cầu sử dụng điện mà còn giúp nâng cao chất lượng cuộc sống cho người dân ở những vùng xa lưới điện.

1.1. Tính cấp thiết của nghiên cứu

Việt Nam đang đối mặt với tình trạng thiếu hụt điện năng, đặc biệt là ở các vùng sâu, vùng xa. Việc phát triển năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời và thủy điện nhỏ là cần thiết để đảm bảo an ninh năng lượng. Hệ thống điện kết hợp này không chỉ giúp cung cấp điện cho các hộ dân mà còn giảm thiểu sự phụ thuộc vào nguồn năng lượng hóa thạch. Theo nghiên cứu, việc áp dụng công nghệ mới trong lĩnh vực năng lượng sẽ giúp tối ưu hóa hiệu suất và giảm chi phí sản xuất điện. Hơn nữa, việc sử dụng năng lượng sạch sẽ góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

II. Tổng quan về năng lượng mặt trời và thủy điện nhỏ

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng vô tận và sạch, có thể được khai thác thông qua các tấm pin quang điện. Thủy điện nhỏ cũng là một nguồn năng lượng tái tạo quan trọng, đặc biệt ở những khu vực có điều kiện địa hình thuận lợi. Việc kết hợp giữa hai nguồn năng lượng này sẽ tạo ra một hệ thống điện hiệu quả, có khả năng cung cấp điện liên tục cho các hộ dân. Hệ thống này có thể hoạt động độc lập hoặc hòa vào lưới điện quốc gia, tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng. Việc áp dụng công nghệ mới trong việc quản lý và điều khiển hệ thống sẽ giúp tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu tổn thất năng lượng. Hơn nữa, việc sử dụng năng lượng tái tạo sẽ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường và bảo vệ tài nguyên thiên nhiên.

2.1. Tình hình phát triển năng lượng mặt trời và thủy điện nhỏ

Trong những năm gần đây, năng lượng mặt trời và thủy điện nhỏ đã được phát triển mạnh mẽ tại Việt Nam. Nhiều dự án đã được triển khai nhằm khai thác nguồn năng lượng này, đặc biệt là ở các vùng nông thôn và miền núi. Các trạm điện mặt trời kết hợp với thủy điện nhỏ đã chứng minh được tính khả thi và hiệu quả trong việc cung cấp điện cho các hộ dân. Theo thống kê, số lượng các dự án năng lượng tái tạo ngày càng tăng, cho thấy sự quan tâm của chính phủ và các nhà đầu tư đối với lĩnh vực này. Việc phát triển năng lượng xanh không chỉ giúp đảm bảo an ninh năng lượng mà còn góp phần vào việc bảo vệ môi trường.

III. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu này sử dụng phương pháp mô phỏng và phân tích để đánh giá hiệu quả của hệ thống điện kết hợp giữa năng lượng mặt trời và thủy điện nhỏ. Phần mềm Matlab - Simulink được sử dụng để mô phỏng các thông số kỹ thuật và hiệu suất của hệ thống. Các thông số như công suất, điện áp, và dòng điện được theo dõi và phân tích để xác định điểm công suất cực đại (MPP) của hệ thống. Việc áp dụng thuật toán P&O (Perturb and Observe) giúp tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống, đảm bảo cung cấp điện liên tục cho các hộ dân. Kết quả mô phỏng sẽ được so sánh với dữ liệu thực tế để đánh giá tính khả thi và hiệu quả của hệ thống.

3.1. Đánh giá hiệu quả hệ thống

Đánh giá hiệu quả của hệ thống điện kết hợp giữa năng lượng mặt trời và thủy điện nhỏ là một phần quan trọng trong nghiên cứu này. Các chỉ tiêu như độ ổn định của điện áp, công suất đầu ra, và khả năng đáp ứng nhu cầu sử dụng điện sẽ được phân tích. Kết quả từ mô phỏng sẽ cung cấp cái nhìn tổng quan về khả năng hoạt động của hệ thống trong các điều kiện khác nhau. Việc đánh giá này không chỉ giúp xác định tính khả thi của dự án mà còn cung cấp thông tin quý giá cho các nhà đầu tư và các cơ quan quản lý trong việc phát triển các dự án năng lượng tái tạo trong tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Việc đảm bảo cung cấp điện năng liên tục và ổn định cho các vùng xa lưới điện là một thách thức lớn trong phát triển năng lượng bền vững tại Việt Nam. Theo báo cáo, hệ thống pin mặt trời kết hợp thủy điện nhỏ tại xã Trang, tỉnh Gia Lai, với công suất 125 kW (100 kW pin mặt trời và 25 kW thủy điện nhỏ), đã cung cấp điện cho hơn 400 hộ dân thuộc 6 làng trong khu vực. Sản lượng điện tiêu thụ trung bình hàng ngày đạt khoảng 616 kWh, trong đó các làng Sơn Trang, Thung, Sơ tiêu thụ 380 kWh/ngày. Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá khả năng phối hợp giữa hệ thống pin mặt trời và thủy điện nhỏ nhằm nâng cao tính liên tục và ổn định cung cấp điện cho phụ tải tại các vùng xa lưới điện, đồng thời ứng dụng giải thuật dò tìm điểm công suất cực đại (P&O) để tối ưu hóa hiệu suất hệ thống. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi xã Trang, tỉnh Gia Lai, với dữ liệu thu thập và mô phỏng từ năm 2015 đến 2016. Ý nghĩa của nghiên cứu nằm ở việc khai thác nguồn năng lượng tái tạo sạch, giảm phát thải khí nhà kính, đồng thời góp phần phát triển bền vững và đa dạng hóa nguồn điện cho các vùng nông thôn, phù hợp với chiến lược phát triển năng lượng tái tạo của Chính phủ Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai nền tảng lý thuyết chính: công nghệ pin năng lượng mặt trời (Photovoltaic - PV) và hệ thống thủy điện nhỏ (Micro-hydro - MH). Pin mặt trời hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện, chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng thông qua tế bào quang điện bán dẫn silic với hiệu suất được tối ưu bằng thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT), trong đó giải thuật P&O được áp dụng để xác định điểm làm việc tối ưu. Hệ thống biến đổi điện áp DC/DC, đặc biệt là bộ biến đổi Boost, được sử dụng để điều chỉnh điện áp đầu ra của pin mặt trời phù hợp với tải và hệ thống. Về thủy điện nhỏ, đây là nguồn năng lượng tái tạo ổn định, bổ sung cho nguồn điện mặt trời vào ban đêm hoặc khi điều kiện ánh sáng yếu. Các khái niệm chính bao gồm: công suất đỉnh của dàn pin mặt trời (Wp), thuật toán MPPT, bộ biến đổi DC/DC (Buck, Boost, Buck-Boost, Cúk), và nguyên lý phối hợp nguồn năng lượng tái tạo trong hệ thống điện phân phối.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ hệ thống trạm pin mặt trời 100 kW và thủy điện nhỏ 25 kW tại xã Trang, tỉnh Gia Lai, với dữ liệu vận hành cập nhật 30 phút một lần trong các năm 2015-2016. Phương pháp nghiên cứu bao gồm phân tích tài liệu chuyên ngành, mô phỏng hệ thống bằng phần mềm Matlab-Simulink để kiểm chứng hiệu quả phối hợp giữa hai nguồn năng lượng. Cỡ mẫu nghiên cứu là toàn bộ hệ thống điện phục vụ hơn 400 hộ dân tại 6 làng, với tổng công suất 125 kW. Phương pháp chọn mẫu là nghiên cứu trường hợp thực tế tại địa phương nhằm đánh giá hiệu quả vận hành và khả năng ứng dụng mô hình. Timeline nghiên cứu kéo dài gần 2 năm, từ tháng 10/2015 đến tháng 4/2017, bao gồm thu thập dữ liệu, mô phỏng, phân tích và đề xuất giải pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả phối hợp nguồn năng lượng: Hệ thống pin mặt trời kết hợp thủy điện nhỏ đã duy trì cung cấp điện ổn định cho phụ tải với tổng công suất 125 kW, trong đó pin mặt trời cung cấp 100 kW vào ban ngày và thủy điện nhỏ bổ sung 25 kW vào ban đêm. Sản lượng điện trung bình hàng ngày đạt khoảng 616 kWh, đáp ứng nhu cầu của hơn 400 hộ dân.

2. Tối ưu hóa công suất pin mặt trời bằng giải thuật P&O: Việc áp dụng giải thuật P&O giúp hệ thống pin mặt trời đạt điểm công suất cực đại, tăng hiệu suất sử dụng năng lượng mặt trời. Mô phỏng cho thấy điện áp và công suất đầu ra của pin mặt trời được duy trì ổn định dưới sự biến động của cường độ bức xạ, với điện áp ra dao động trong khoảng 300-950 W/m².

3. Ổn định điện áp và dòng điện tải: Kết quả mô phỏng và thực tế cho thấy điện áp tại tải được duy trì ổn định quanh mức 0,4 kV, dòng điện xoay chiều trên tải phản ứng nhanh với sự thay đổi phụ tải, đảm bảo tính liên tục cung cấp điện. Khi phụ tải tăng thêm 4 kW trong khoảng thời gian ngắn, hệ thống vẫn đáp ứng kịp thời mà không gây sụt áp đáng kể.

4. Khả năng hòa lưới và mở rộng hệ thống: Hệ thống đã được kết nối với lưới điện phân phối 22 kV địa phương từ năm 2004, cho phép phát công suất lên lưới vào ban ngày và sử dụng thủy điện nhỏ vào ban đêm, góp phần giảm tải cho lưới điện quốc gia. Điều này mở ra khả năng nhân rộng mô hình tại các vùng xa lưới điện khác.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp hệ thống hoạt động hiệu quả là sự kết hợp giữa nguồn năng lượng mặt trời có tính biến động theo thời gian trong ngày và thủy điện nhỏ có nguồn cung ổn định hơn vào ban đêm. Giải thuật P&O đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì điểm công suất cực đại của pin mặt trời, giúp tận dụng tối đa nguồn năng lượng sẵn có. So sánh với các nghiên cứu khác, mô hình này tương đồng với xu hướng phát triển hệ thống hybrid năng lượng tái tạo nhằm tăng tính ổn định và giảm phụ thuộc vào nguồn điện truyền thống. Việc duy trì điện áp và dòng điện ổn định tại tải được minh họa qua các biểu đồ điện áp và dòng điện tải, cho thấy khả năng đáp ứng nhanh với biến động phụ tải. Tuy nhiên, hạn chế của hệ thống là chi phí đầu tư ban đầu cao và khó nhân rộng do thiết bị nhập khẩu và công nghệ còn mới tại địa phương. Ý nghĩa thực tiễn của nghiên cứu là cung cấp một mô hình khả thi cho các vùng xa lưới điện, góp phần phát triển năng lượng sạch, giảm phát thải khí nhà kính và thúc đẩy phát triển bền vững.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường đầu tư phát triển hệ thống hybrid năng lượng tái tạo: Khuyến khích các địa phương xa lưới điện đầu tư mở rộng mô hình kết hợp pin mặt trời và thủy điện nhỏ nhằm nâng cao công suất và tính ổn định cung cấp điện, với mục tiêu tăng sản lượng điện lên ít nhất 150 kW trong vòng 3 năm tới.

2. Ứng dụng rộng rãi giải thuật MPPT nâng cao: Đẩy mạnh nghiên cứu và ứng dụng các giải thuật dò tìm điểm công suất cực đại tiên tiến hơn để tối ưu hóa hiệu suất hệ thống pin mặt trời, giảm tổn thất năng lượng, thực hiện trong vòng 1-2 năm, do các viện nghiên cứu và trường đại học chủ trì.

3. Phát triển chính sách hỗ trợ và ưu đãi đầu tư: Chính phủ và các cơ quan quản lý cần xây dựng cơ chế hỗ trợ tài chính, ưu đãi thuế và quy hoạch phát triển năng lượng tái tạo tại các vùng xa lưới điện, nhằm giảm chi phí đầu tư và thúc đẩy nhân rộng mô hình trong 5 năm tới.

4. Nâng cao năng lực vận hành và bảo trì hệ thống: Đào tạo kỹ thuật viên địa phương về vận hành, bảo trì hệ thống pin mặt trời và thủy điện nhỏ, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và kéo dài tuổi thọ thiết bị, thực hiện liên tục và định kỳ hàng năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chiến lược phát triển năng lượng tái tạo, đặc biệt cho các vùng xa lưới điện, nhằm đảm bảo an ninh năng lượng và phát triển bền vững.

2. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện, năng lượng tái tạo: Tham khảo mô hình hệ thống hybrid, giải thuật MPPT và phương pháp mô phỏng Matlab-Simulink để phát triển các nghiên cứu tiếp theo hoặc ứng dụng thực tế.

3. Doanh nghiệp và nhà đầu tư trong lĩnh vực năng lượng sạch: Đánh giá hiệu quả kinh tế và kỹ thuật của mô hình kết hợp pin mặt trời và thủy điện nhỏ để triển khai các dự án tương tự tại các vùng nông thôn và miền núi.

4. Cộng đồng địa phương và các tổ chức phi chính phủ: Hiểu rõ lợi ích và cách vận hành hệ thống năng lượng tái tạo, từ đó tham gia quản lý, vận hành và bảo vệ môi trường sống, đồng thời nâng cao nhận thức về sử dụng năng lượng sạch.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống pin mặt trời kết hợp thủy điện nhỏ hoạt động như thế nào để đảm bảo cung cấp điện liên tục?
   Hệ thống sử dụng pin mặt trời cung cấp điện vào ban ngày khi có ánh sáng, trong khi thủy điện nhỏ bổ sung điện vào ban đêm hoặc khi ánh sáng yếu. Giải thuật MPPT giúp tối ưu công suất pin mặt trời, đảm bảo điện áp và dòng điện ổn định cho tải.

2. Giải thuật P&O có ưu điểm gì trong hệ thống này?
   P&O là giải thuật dò tìm điểm công suất cực đại đơn giản, hiệu quả, giúp hệ thống pin mặt trời luôn hoạt động ở công suất tối ưu bất chấp biến động của cường độ bức xạ và nhiệt độ, từ đó tăng hiệu suất sử dụng năng lượng.

3. Chi phí đầu tư cho hệ thống hybrid này có cao không?
   Chi phí đầu tư ban đầu khá cao do thiết bị và công nghệ nhập khẩu, tuy nhiên chi phí vận hành và bảo dưỡng thấp, đồng thời mang lại lợi ích lâu dài về môi trường và ổn định cung cấp điện cho vùng xa lưới.

4. Hệ thống có thể mở rộng và nhân rộng ở các vùng khác không?
   Có thể, tuy nhiên cần có chính sách hỗ trợ, quy hoạch phù hợp và đào tạo nhân lực vận hành. Mô hình đã chứng minh hiệu quả tại xã Trang, Gia Lai, có thể áp dụng cho các vùng tương tự.

5. Làm thế nào để duy trì hiệu suất hệ thống trong điều kiện thời tiết thay đổi?
   Ngoài giải thuật MPPT, hệ thống sử dụng bộ biến đổi DC/DC (Boost) để điều chỉnh điện áp đầu ra, đồng thời kết hợp thủy điện nhỏ giúp bù đắp khi năng lượng mặt trời giảm, đảm bảo cung cấp điện ổn định.

Kết luận

• Hệ thống pin mặt trời kết hợp thủy điện nhỏ tại xã Trang, Gia Lai, đã cung cấp điện ổn định cho hơn 400 hộ dân với tổng công suất 125 kW, đáp ứng nhu cầu điện năng khoảng 616 kWh/ngày.
• Giải thuật P&O được áp dụng hiệu quả trong việc dò tìm điểm công suất cực đại, tối ưu hóa hiệu suất pin mặt trời dưới điều kiện biến động bức xạ và nhiệt độ.
• Hệ thống duy trì điện áp và dòng điện ổn định tại tải, đáp ứng nhanh với biến động phụ tải, đồng thời đã hòa lưới điện phân phối 22 kV địa phương từ năm 2004.
• Nghiên cứu góp phần phát triển mô hình năng lượng tái tạo bền vững, giảm phát thải khí nhà kính, phù hợp với chiến lược phát triển năng lượng sạch của Việt Nam.
• Đề xuất tiếp tục mở rộng đầu tư, hoàn thiện chính sách hỗ trợ, nâng cao năng lực vận hành và ứng dụng các giải thuật MPPT tiên tiến để nâng cao hiệu quả hệ thống trong tương lai.

Hành động tiếp theo là triển khai các giải pháp đề xuất, đồng thời nhân rộng mô hình tại các vùng xa lưới điện khác nhằm thúc đẩy phát triển năng lượng tái tạo bền vững trên toàn quốc.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Điện năng là nguồn năng lượng then chốt và không thể thiếu được trong nền kinh tế quốc dân, đặc biệt là trong công nghiệp và đời sống xã hội. Với chất lượng điện năng ngày càng cao, đồng thời phải sử dụng có hiệu quả nguồn tài nguyên năng lượng, đa dạng hóa các nguồn năng lượng sơ cấp cho sản xuất điện, đảm bảo an ninh năng lượng tương lai và bảo vệ môi trường. Các nguồn điện sử dụng nhiên liệu truyền thống ngày càng cạn kiệt, xu hướng đi tìm những nguồn năng lượng tái tạo để thay thế rất cần thiết như: Năng lượng mặt trời và năng lượng thủy điện nhỏ. Nghiên cứu thí điểm hệ thống ghép giữa pin mặt trời và thuỷ điện nhỏ giữa Viện năng lượng Việt Nam (IE) và Tổ chức năng lượng mới và phát triển công nghệ công nghiệp Nhật bản (NEDO) nhằm khai thác nguồn năng lượng sạch, không gây hiệu ứng nhà kính, không gây ô nhiễm môi trường và phát triển bền vững.

Công nghệ mới thu được từ dự án sẽ được phổ biến nhân rộng ra các tỉnh thành khác ở Việt Nam và các nước khác trong tương lai. Đó là mô hình tích hợp năng lượng pin mặt trời kết hợp với thủy điện nhỏ. Là công trình sử dụng nguồn năng lượng mặt trời phát điện lớn nhất khu vực Đông nam Á, với quy mô công suất: Pin mặt trời 100 kW ghép với 1 máy phát thủy điện nhỏ 25 kW, cấp điện cho hơn 400 hộ sử dụng thuộc 6 làng: Gret, Plei Bot, H’Lang, Sơn Trang, Tung, Sơ thuộc xã Trang, tỉnh Gia Lai. Vào thời điểm mới lắp đặt trạm năm 1999, công trình vận hành độc lập để cấp điện cho phụ tải, vì thời điểm này khu vực xã Trang chưa có lưới điện quốc gia.

Mục tiêu và nhiệm vụ  Nghiên cứu ứng dụng NLMT kết hợp với TĐN tại các vùng xa lưới điện và sử dụng phần mềm Matlap – Simulink để tính toán và kiểm chứng kết quả.  Đánh giá hệ thống điện kết hợp NLMT và TĐ nhỏ tại xã Trang tỉnh Gia Lai  Dò tìm điểm công suất cực đại của tấm pin NLMT trong hệ thống 1 Luan van 3. Phƣơng pháp nghiên cứu  Đọc các tài liệu nghiên cứu liên quan  Dùng phần mềm Matlap – Simulink để mô phỏng hệ thống 4. Giới hạn đề tài  Đánh giá hệ thống điện có thực, cung cấp điện cho 6 làng với hơn 400 hộ dân có tổng công suất 125kW và Phát công suất nhỏ hòa hệ thống lưới điện.

Điểm mới của luận văn  Kết hợp Năng lượng mặt trời và Thủy điên nhỏ áp dụng tại xã Trang, huyện ĐăkĐoa, tỉnh Gia lai 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn  Đánh giá một hệ thống điện có trong thực tế  Khai thác nguồn năng lượng sạch, bảo vệ môi trường và phát triển bền vững, phù hợp với định hướng phát triển nguồn năng lượng sạch, năng lượng tái tạo của Chính phủ và lộ trình phát triển lưới điện thông minh, hợp phần tích hợp các nguồn năng lượng mới và tái tạo của EVNCPC.  Đây là một trong những công trình khai thác sử dụng năng lượng sạch áp dụng công nghệ mới, là địa điểm lý tưởng để phục vụ việc tham quan, học tập, nghiên cứu khoa học của học sinh, sinh viên và du khách có quan tâm đến lĩnh vực khai thác sử dụng năng lượng mặt trời kết hợp thủy điện nhỏ. Phạm vi ứng dụng  Làm tài liệu tham khảo môn học năng lượng mặt trời và thủy điện.

 Phát công suất 125 kW cho hệ thống lưới điện phân phối 22 kV cho địa phương về ban ngày và 25kW của thủy điện nhỏ về ban đêm. Bố cục của luận văn  Giới thiệu chung  Chương 1: Tổng quan pin mặt trời kết hợp thủy điện nhỏ  Chương 2: Cơ sở lý thuyết  Chương 3: Giải thuật dò công suất cực đại pin mặt trời  Chương 4: Kết quả mô phỏng  Chương 5: Kết luận và hướng phát triển 2 Luan van Chƣơng 1 TỔNG QUAN PIN MẶT TRỜI KẾT HỢP THỦY ĐIỆN NHỎ 1.1 Tình hình phát triển pin mặt trời kết hợp thủy điện nhỏ trong nƣớc Trong bối cảnh nhu cầu điện năng ngày càng cao, nguồn năng lượng truyền thống của Việt Nam đang dần cạn kiệt, thì việc tìm và phát triển các nguồn năng lượng mới, năng lượng tái tạo như: Điện mặt trời, thủy điện là hướng đi tất yếu. Trạm pin mặt trời ở xã Trang huyện ĐăkĐoa tỉnh Gia Lai cho tới nay vẫn làm tốt vai trò của mình khi đưa vào sử dụng. Đây là tiền đề để phát triển năng lượng mới-nguồn năng lượng sạch, bền vững, song tới thời điểm hiện tại, nó vẫn là công trình duy nhất trên địa bàn tỉnh.

Hệ thống ghép pin mặt trời với thủy điện nhỏ này do Tổ chức Năng lượng mới và Phát triển Công nghệ Công nghiệp Nhật Bản tài trợ được xây dựng và bàn giao cho Công ty Điện lực Gia Lai vận hành năm 1999. Đây là công trình hợp tác nghiên cứu khoa học giữa Viện Năng lượng Việt Nam (IE) và Tổ chức NEDO nhằm khai thác nguồn năng lượng sạch, bảo vệ môi trường và phát triển bền vững với tổng giá trị đầu tư 2 triệu USD. Công nghệ mới thu được từ dự án sẽ được phổ biến nhân rộng ra các tỉnh thành khác của Việt Nam trong tương lai. Quy mô công suất của hệ thống pin mặt trời là 100 kW ghép với 1 máy phát thủy điện nhỏ có công suất P = 25 kW Bảng 1.1: Sản lượng điện tiêu thụ trong ngày của 6 Làng với hơn 400 hộ dân Số TT Làng Pmax (kW) Pmin (kW) Sản lượng/ngày (kWh) 1 Sơn Trang, Thung, Sơ 34 10 380 2 PleiBot 15 4 102 3 Luan van 3 Gret 12 4 44 4 H’Lang 10 4 90 Tổng 71 22 616 Ngoài mục đích đảm bảo cấp điện cho nhân dân, công trình còn mang nhiều ý nghĩa như: Sử dụng nguồn năng lượng tái tạo không gây ảnh hưởng cho môi trường, công nghệ tự động điều khiển cao phục vụ công tác nghiên cứu khoa học, là nơi tham quan học hỏi, tiếp cận thực tế cho các sinh viên, kỹ sư chuyên ngành.

Vào thời điểm mới lắp đặt, công trình vận hành độc lập để cấp điện cho phụ tải mà không hòa lưới quốc gia vì thời điểm này khu vực xã Trang chưa có lưới điện quốc gia. Đến năm 2004, dự án cấp điện nông thôn vốn vay Ngân hàng Thế giới (WB) kéo điện lưới đến sát Trạm pin mặt trời, TBA GretBok-75kVA 22/0,4kV chỉ cách Trạm pin mặt trời 80 mét. Lưới điện hạ thế của hệ thống và lưới hạ thế của TBA GretBok đã được nối với nhau.1: Trạm pin mặt trời ở xã Trang huyện ĐăkĐoa tỉnh Gia Lai Bảng 1.2: Sản lượng điện trạm pin mặt trời xã Trang huyện ĐăkĐoa tỉnh Gia Lai KÊNH GIAO Thời ĐẦU KỲ CUỐI KỲ SẢN LƢỢNG (kWh) gian Tổng BT CD TD Tổng BT CD TD Tổng BT CD TD 4 Luan van 08/2015 2822 2165 653 3.3: Tình hình kinh doanh hệ thống trạm pin mặt trời xã Trang tỉnh Gia Lai Sản Số công Tiền lƣơng công Giá bán Doanh thu Năm lƣợng nhân vận nhân (VND/kWh) (VND) hành (kWh) (VND/năm/trạm) 1999 5,627 550 3,094,850 04 81,654,006 2000 20,171 550 11,094,050 04 90,726,673 2001 22,526 550 12,389,300 04 100,807,414 2002 56,377 550 31,007,350 04 112,008,238 2003 67,668 550 37,217,400 04 122,229,241 2004 87,892 550 48,340,600 04 140,218,364 2005 96,806 550 53,243,300 04 138,779,496 2006 139,421 550 76,681,550 04 200,157,139 2007 186,352 550 102,493,600 04 215,992,168 5 Luan van 2008 178,038 550 97,920,900 04 215,992,168 2009 17,762 550 9,769,100 01 27,000,000 Tổng 878,640 483,252,000 1,445,564,906 1.2 Tình hình phát triển pin mặt trời trên thế giới Vài nước trên thế giới tham gia khai thác năng lượng mặt trời. Tổng công suất điện năng ở một số nước tăng nhanh chóng, chen nhau những vị trí thứ cao, những top 5, top 10.

Bảng số liệu này được xếp hạng các nước thuộc tốp 10 mới nhất, căn cứ vào số liệu về tổng điện năng sản xuất theo công nghệ SPV (Solar Photovoltaic) của các nước tập hợp đến cuối năm 2013.4: Sắp xếp 10 quốc gia có tổng công suất điện mặt trời lớn nhất thế giới Tổng điện Tỷ lệ điện năng Thời gian Số năng mặt mặt trời trong cập nhật số thứ Tên nƣớc trời (GWp) tổng điện năng liệu tự quốc gia PV% 01 Đức (Germany) 35.3% 31/12/2013 06 Tây ban nha(Spain) 5.4 6 Luan van Hình 1.2: Sự tăng trƣởng tổng điện năng mặt trời từ năm 1995 – 2013 Nhìn hình 1.2, ta thấy sự tăng trưởng của tổng sản lượng điện mặt trời theo từng năm, từ 1995 đến 2013. Rõ ràng, trong 5 năm cuối gần đây, đà tăng trưởng diễn ra rất nhanh, gần đến 15 lần. Nước Đức vẫn đứng ở vị trí số 1 và giữ tỷ lệ tổng công suất điện mặt trời lớn gấp 3 lần nước đứng thứ 2. Với bảng xếp hạng 2013, các nước lớn như: Đức, Ý, Trung quốc, Nhật và Mỹ nay đã có mặt trong tốp 5.

Các nước trong tốp 5 đều có mức tăng trưởng tuyệt đối của tổng sản lượng điện mặt trời 2013 so với 2010, rất cao. Nước Ý tăng 17 lần, Mỹ 7 lần, Trung quốc 6 lần, Nhật 4,5 lần và Đức 3,6 lần. Vài năm trở lại đây, biến đổi khí hậu ngày càng diễn biến phức tạp, lượng phát thải khí nhà kính ra môi trường ngày càng cao. Vì vậy, nhiều quốc gia đã chuyển hướng sang phát triển năng lượng tái tạo nói chung và điện mặt trời nói riêng, thay thế cho nguồn nhiệt điện than và dầu ngày càng cạn kiệt tài nguyên và gây ô nhiễm môi trường.

Tình hình thế giới thúc đẩy Việt Nam có chính sách đầu tư phát triển toàn diện nền công nghiệp điện năng của đất nước. Bên cạnh sự phát triển thủy điện, không thể không có chính sách hợp lý đối với sử dụng năng lượng tái tạo, trước hết là điện mặt trời. 7 Luan van Hình 1.3: Tình hình xây dựng nhà máy pin mặt trời từ năm 2001 - 2015 Từ Hình 1.3 cho thấy vai trò của điện mặt trời trong nền công nghiệp điện năng ở các nước. Tình hình thế giới thúc đẩy Việt Nam có chính sách đầu tư phát triển toàn diện nền công nghiệp điện năng của đất nước.

Bên cạnh sự phát triển nhiệt điện, không thể không có chính sách hợp lý đối với sử dụng năng lượng tái tạo, trước hết là thủy điện và điện mặt trời.3 Ƣu điểm của Trạm pin mặt trời kết hợp thủy điện nhỏ Năng lượng mặt trời (NLMT) ở Việt Nam có tiềm năng phát triển lớn. Đặc biệt tại các tỉnh Tây Nguyên với số giờ nắng trong năm từ 2. Cường độ bức xạ mặt trời ở khu vực này trung bình từ 4,9 – 5,7 kWh/m2/ngày. Với những ưu điểm như sạch, chi phí nhiên liệu và bảo dưỡng thấp, an toàn cho người sử dụng.