Chương 1 Giới thiệu chung 1. Giới thiệu Điện năng đóng vai trò thiết yếu cho sự tồn tại và phát triển của xã hội, là huyết mạch của nền kinh tế của một quốc gia. Hiện nay, phần lớn năng lượng điện được sản xuất từ các năng lượng hóa thạch (than đá, dầu mỏ, khí đốt,.) mà không được xem là nguồn năng lượng tái tạo. Trước tình trạng nguồn năng lượng này đang dần cạn kiệt trong với tốc độ nhanh cũng như các vấn đề khác liên quan đến ô nhiễm môi trường làm ảnh hưởng đến điều kiện sống như khí thải gây hiệu ứng nhà kính, trái đất nóng dần lên, nước biển dâng cao, khói bụi và mưa axít xảy ra nhiều nơi trên thế giới.
Vì vậy, việc nghiên cứu và tìm ra các nguồn năng lượng thay thế cho nguồn năng lượng hóa thạch đang trở nên cấp thiết cho mỗi quốc gia. Nguồn năng lượng đang được đánh giá là nhiều tiềm năng và đáp ứng các vấn đề cấp thiết cho ngành năng lượng điện chính là các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng thủy triều, năng lượng sóng biển,. Tuy nhiên, do đặc thù riêng của ngành năng lượng tái tạo, chi phí đầu tư cho các công nghệ năng lượng mặt trời, năng lượng gió,. vẫn còn khá cao; phương thức khai thác cho từng nguồn năng lượng này cũng khác nhau.
Điều này dẫn đến các hạn chế về hiệu quả khai thác các nguồn năng lượng tái tạo nếu các nguồn này được khai thác và sử dụng độc lập. Việc ghép nối và phối hợp khai thác các nguồn năng lượng tái tạo là xu hướng phát triển của ngành năng lượng điện. Đây chính là lý do đề tài, “Nghiên cứu hệ thống điện lai năng lượng gió và mặt trời nối lưới” được lựa chọn và thực hiện trong luận văn này. Kết quả của nghiên cứu này là phù hợp cho nhu cầu cung cấp năng lượng điện đáp ứng sự phát triển kinh tế - xã hội của một quốc gia, giảm thiểu các áp lực cho các nguồn năng lượng điện truyền thống, giảm thiểu các vấn đề liên quan đến ô nhiễm môi trường,.
Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu Các tác giả Lại Khắc Lãi, Vũ Nguyên Hải và Trần Gia Khánh với công trình nghiên cứu, “Điều khiển hệ thống lai năng lượng gió và mặt trời trong lưới điện thông minh” đã giới thiệu việc xây dựng mô hình và điều khiển hệ thống điện lai năng lượng gió và mặt trời [1]. Sơ đồ khối hệ thống điện lai năng lượng gió và mặt trời được biểu diễn như Hình 1. Sơ đồ khối hệ thống điện lai năng lượng gió và mặt trời Hệ thống điện năng lượng mặt trời trong nghiên cứu này bao gồm các module pin quang điện (PV) phát ra điện năng một chiều với công suất phụ thuộc vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ môi trường. Trong nghiên cứu này, các tác giả đã sử dụng khối dò tìm điểm công suất cực đại với giải thuật tìm điểm công suất cực đại, InC mà phụ thuộc vào điều kiện bức xạ mặt trời và nhiệt độ môi trường.
Dòng điện một chiều tương ứng với điểm công suất cực đại được đưa qua bộ chuyển đổi DC/DC để điều chỉnh điện điện áp. Sau đó, năng lượng điện được tạo ra từ năng lượng mặt trời được hòa với năng lượng điện được tạo ra từ năng lượng gió tại thanh cái một chiều. Trong khi đó, hệ thống điện gió sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu chuyển đổi cơ năng từ tuabin gió thành năng lượng điện. Điện áp xoay chiều được đưa qua bộ chỉnh lưu có điều khiển để điều khiển hòa với điện áp một chiều của pin quang điện.
Trong hệ thống điện gió và mặt trời này, năng lượng từ các nguồn năng lượng khác nhau được hòa vào nhau dưới dạng năng lượng một chiều mà có thể được sử dụng trực tiếp cho tải một chiều hoặc đưa qua bộ biến đổi DC/AC chuyển đổi thành năng lượng điện xoay chiều mà có thể được sử dụng trực tiếp cho tải xoay chiều hoặc kết nối với lưới điện. 3 Các kết quả mô phỏng cho thấy công suất và dòng điện ngõ ra của pin quang điện phụ thuộc nhiều vào điều kiện bức xạ mặt trời và nhiệt độ pin quang điện. Trong khi đó, điện áp của pin quang điện ít phụ thuộc vào bức xạ mặt trời mà phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ của pin quang điện. Khi nhiệt độ của pin quang điện tăng thì công suất ngõ ra tối đa của pin quang điện sẽ giảm, trong khi đó cường độ dòng điện ngắn mạch sẽ tăng.
Bên cạnh đó, các kết quả mô phỏng cũng cho thấy rằng công suất ngõ ra của hệ thống điện gió phụ thuộc nhiều vào tốc độ gió và tốc độ của máy phát điện. Trong đó, tốc độ là nhân tố chính ảnh hưởng quyết định đến công suất của hệ thống điện gió. Với các đánh giá trên, rõ ràng rằng để hệ thống tích hợp năng lượng điện gió và mặt trời làm việc ổn định và hiệu quả thì các hệ thống điều khiển cần linh hoạt và giảm thiểu đến mức thấp nhất các tác động của các yếu tố ngẫu nhiên như bức xạ mặt trời, tốc độ gió,. Tác giả Hoàng Trí với công trình nghiên cứu, "Thiết kế và chế tạo mô hình thiết bị hệ thống kết hợp sử dụng năng lượng mặt trời và gió để sản xuất điện" đã giới thiệu một hệ thống điện kết hợp hệ thống pin quang điện, tuabin gió và pin lưu trữ dự phòng được tích hợp và tối ưu hóa hệ thống như một nguồn thay thế quy mô nhỏ của năng lượng điện ở các địa phương không có lưới điện quốc gia hoặc các vùng xa xôi hải đảo [2].
Sơ đồ khối hệ thống điện kết hợp gió và mặt trời Hình 1. Mô hình hệ thống điện kết hợp gió và mặt trời 5 Sơ đồ khối hệ thống điện kết hợp gió và mặt trời được biểu diễn như Hình 1. Mô hình hệ thống điện kết hợp gió và mặt trời theo thiết kế được biểu diễn như Hình 1. Kết cấu sơ bộ của hệ thống bao gồm: + Đế: chịu tải trọng và liên kết các bộ phận khác trong hệ thống gồm tuabin gió, các tấm pin quang điện, bộ sạc, ắc quy và các thành phần khác.
+ Tuabin gió: có 3 cánh với đường kính quay là 2 m và được liên kết với máy phát điện qua bộ truyền đai. + Khung đỡ pin quang điện: gồm 2 khung gắn vào trụ có tác dụng đỡ 2 tấm pin quang điện. + Hộp đựng: chứa các phần khác của hệ thống như bộ sạc, bộ chuyển đổi,. Al-enezi and S.
Abuarafah với công trình nghiên cứu, "Hybrid solar wind diesel power generation system" đã giới thiệu một biến thể của một hệ thống điện kết hợp gió và mặt trời với dòng phân bố công suất được giám sát và điều khiển bởi các vi điều khiển và trạm giám sát không dây [3]. Bên cạnh pin quang điện và các tuabin gió, một máy phát điện diesel dự phòng cũng được sử dụng trong trường hợp thiếu hụt nguồn cung cấp cho nhu cầu phụ tải. Có hai đặc điểm nổi bật của hệ thống điện kết hợp gió và mặt trời được giới thiệu so với các hệ thống điện kết hợp khác đang tồn tại mà bao gồm: + Năng lượng điện của hệ thống giới thiệu được sử dụng rộng rãi và hiệu quả bằng việc giám sát nhu cầu tải và khả năng nguồn năng lượng tái tạo để trên cơ sở đó xác định lượng công suất và loại nguồn năng lượng tái tạo phù hợp. + Nguồn ắc-quy dự phòng được sử dụng như là một nguồn dự trữ cho hệ thống mà có thể được sử dụng trong trường hợp các nguồn năng lượng tái tạo không thể phát điện, đồng thời cũng để cực tiểu việc phát điện từ các nguồn phát diesel.
Trong nghiên cứu này, các hệ thống điện kết hợp gió, mặt trời và diesel lần lượt được giới thiệu. 6 Sơ đồ hệ thống điện kết hợp, Hình 1.4 giới thiệu một hệ thống điện mà ắc-quy được nạp điện trực tiếp từ pin quang điện và tuabin gió, trong đó mỗi hệ thống có một bộ điều khiển nạp riêng. Tải nhận công suất được yêu cầu từ tất cả các nguồn năng lượng tái tạo thông qua bộ chuyển đổi công suất DC/AC.5 là một hệ thống điện kết hợp gió và mặt trời mà tương tự hệ thống điện kết hợp Hình 1. Tuy nhiên, hệ thống được giới thiệu này không có hệ thống nguồn dự phòng.6 là một hệ thống điện kết hợp gió và mặt trời khác mà chỉ sử dụng một bộ điều khiển sạc để điều chỉnh phân bố công suất cho các nguồn năng lượng tái tạo gió và pin quang điện, ắc-quy và phụ tải.
Trong sơ đồ này, phụ tải được nối gián tiếp với ắc-quy thông qua bộ điều khiển sạc. Các tác giả đã chọn sơ đồ hệ thống điện Hình 1.6 phục vụ cho việc nghiên cứu. Thêm vào đó, các tác giả đã đề xuất sử dụng thêm một nguồn phát điện diesel để hỗ trợ việc cung cấp năng lượng điện cho phụ tải. Hệ thống điện kết hợp được khảo sát trong nghiên cứu này, Hình 1.7 bao gồm: + Các nguồn năng lượng bao gồm: tuabin gió, module pin quang điện, máy phát điện deisel; + Các phụ tải bao gồm: tải DC, tải AC + Các thiết bị lưu trữ: ắc-quy + Các bộ vi điều khiển + Các thiết bị giao tiếp + Các cảm biến bao gồm: các cảm biến điện áp, các cảm biến cường độ dòng điện, các cảm biến nhiên liệu, các cảm biến tốc độ và hướng gió, các cảm biến cường độ ánh sáng.8 biểu diễn sự kết nối giữa các thành phần cơ bản trong hệ thống điện kết hợp gió và mặt trời.
Hệ thống điện kết hợp với hệ thống nguồn dự phòng Hình 1. Hệ thống điện kết hợp không có hệ thống nguồn dự phòng Hình 1. Hệ thống điện kết hợp cung cấp nguồn gián tiếp đến phụ tải thông qua bộ điều khiển 8 Hình 1. Các thành phần cơ bản của hệ thống điện kết hợp gió và mặt trời Hình 1.
Kết nối giữa các thành phần trong hệ thống điện kết hợp gió và mặt trời A. với công trình nghiên cứu, “Implementation of MPPT control using fuzzy logic in solar-wind hybrid power system” đã giới thiệu các bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại cho hệ thống điện kết hợp 9 điện gió và mặt trời [4].